中心論題:
- 分析IEEE1451智能傳感器模型
- 提出基于IEEE802.15.4標準的智能傳感器模型
- 探討基于IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )結構設計
解決方案:
- IEEE1451智能傳感器標準與802.15.4標準的融合
- 構造一個(gè)無(wú)NCAP的無(wú)線(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò )傳感器系統
近年來(lái),隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應用,人們開(kāi)始將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與傳感器技術(shù)相結合,提出了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器的概念。
它不僅可以應用于Internet接入互連,還適用于有線(xiàn)接入方式所不能勝任的場(chǎng)合,以提供優(yōu)質(zhì)的數據傳輸服務(wù)。例如,在工廠(chǎng)巨大的設備間、低速長(cháng)距離的通信要求和危險的工業(yè)環(huán)境。
2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組,致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)。產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實(shí)用可靠及可繼承延續是市場(chǎng)的驅動(dòng)力。一般認為短距離的無(wú)線(xiàn)低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò )使用,傳感器網(wǎng)絡(luò )是802.15.4標準的主要市場(chǎng)對象。將傳感器與802.15.4設備組合,進(jìn)行數據收集、處理和分析,即可決定是否需要或何時(shí)需要用戶(hù)操作。滿(mǎn)足802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收機及網(wǎng)絡(luò )被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell這些國際通信與工業(yè)控制界巨頭們極力推崇。目前,IEEE1451工作組已考慮在其基礎上實(shí)現無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(Wireless Sensor Networks)。本文探討了基于IEEE802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現。
基于IEEE802.15.4標準的智能傳感器模型
IEEE1451智能傳感器模型
智能傳感器建立了一個(gè)標準化的傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。它規定了傳感器模塊的電子數據表單,也定義了訪(fǎng)問(wèn)數據表單、讀取傳感器數據、設置參數的數字接口。IEEE1451的目的就是提供一個(gè)工業(yè)標準接口,有效地連接傳感器和微控制器,并把傳感器接入網(wǎng)絡(luò )。
IEEE1451模型主要由智能傳感器接口模塊STIM(Smart Transducer Interface Module)和網(wǎng)絡(luò )應用處理器NCAP(Network Capable Application Processor)組成,中間通過(guò)傳感器獨立接口TII相連接。NCAP模塊用來(lái)運行網(wǎng)絡(luò )協(xié)議堆和應用硬件,與網(wǎng)絡(luò )互聯(lián);STIM模塊為智能變送器接口模塊,其中包括變送器電子數據表單TEDS(Transducer Electronic DataSheet),一個(gè)STIM可以連接大量不同的傳感器或執行器,在正常使用過(guò)程中傳感器和STIM是不可分開(kāi)的。變送器獨立接口TII(Transducer Independence Interface)主要定義二者之間點(diǎn)點(diǎn)連線(xiàn)、同步時(shí)鐘的短距離接口,使制造商可以把一個(gè)傳感器應用到多種網(wǎng)絡(luò )中。另外,IEEE1451標準通過(guò)TEDS,使傳感器模型具有即插即用的兼容性。原始數據轉換為國際標準單位。其結構如圖1所示。
智能傳感器接口模塊是圍繞傳感元件建立起來(lái)的,包括傳感器TEDS、控制、狀態(tài)寄存器、中斷屏蔽、尋址、功能譯碼邏輯、觸發(fā)、觸發(fā)應答功能,這些都是用于傳感器獨立接口的數字接口。傳感器獨立接口包括數據傳輸、時(shí)鐘、觸發(fā)、應答線(xiàn)。接口是串行外圍接口,由兩根串行數據輸入輸出組成。智能傳感器接口模塊通過(guò)傳感器獨立接口上電,這就意味著(zhù)STIM可被熱掃描,而不用釋放對網(wǎng)絡(luò )中其他傳感器的操作。
智能傳感器模型包括自身帶有的內部信息:制造商、數據代碼、序列號、使用的極限、未定量以及校準系數等。當電源加上STIM時(shí),這些數據可以提供給NCAP及系統的其它部分。當NCAP讀入STIM中TEDS數據時(shí),NCAP可以知道這個(gè)STIM的通信速度、通道數及每個(gè)通道上變送器的數據格式(12位還是16位),并且知道所測量對象的物理單位,知道怎樣將所得到的原始數據轉換為國際標準單位。
在與STIM通信的過(guò)程中,NCAP一直是主機,通信速率由NCAP設定,這會(huì )影響STIM中的采樣速率,但是避免了釋放數據以及對存儲器的巨大需求。當STIM連接到NCAP時(shí),NCAP從TEDS讀取有關(guān)STIM的信息之后,讀取STIM采樣的數據。
IEEE1451智能傳感器標準與802.15.4標準的融合
IEEE802.15.4滿(mǎn)足國際標準組織(ISO)開(kāi)放系統互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層。關(guān)于IEEE802.15.4標準詳細的內容請參閱文獻[7]。
為了有效地實(shí)現無(wú)線(xiàn)智能傳感器,筆者考慮結合IEEE1451標準和802.15.4標準進(jìn)行設計,需要對現有的1451智能傳感器模型作出改進(jìn)。
方案之一是無(wú)線(xiàn)STIM(智能傳感器接口模型):STIM與NCAP之間不再是TII接口(傳感器獨立接口),而是通過(guò)IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)(收發(fā)模塊)傳輸信息。傳感器或執行器的信息由STIM通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳遞到NCAP終端,進(jìn)而與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連。另外,還可以在NCAP與網(wǎng)絡(luò )間的接口替換為無(wú)線(xiàn)接口。
方案之二是無(wú)線(xiàn)的NCAP終端: STIM與NCAP之間通過(guò)TII接口相連,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的收發(fā)模塊置于NCAP上,另一無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連,從而與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信。在此方案中,NCAP作為一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )終端。如圖2所示。
因為功耗的原因,無(wú)線(xiàn)通信模塊不直接包含在STIM中,而是將NCAP和STIM集成在一個(gè)芯片或模塊中。在這種情況下,NCAP與STIM之間的TII接口可以大大簡(jiǎn)化。
無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現
無(wú)線(xiàn)智能傳感器
本設計的實(shí)現機理是以IEEE802.15.4傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊,將采集的數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送出去[7]。
本文利用IEEE802.15.4物理協(xié)議,構造一個(gè)無(wú)NCAP的無(wú)線(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò )傳感器系統,但并不是沒(méi)有NCAP,只是這里采用PC機完成NCAP的功能,即這里的NCAP是虛擬的,是由PC構成的;以現場(chǎng)傳感器結合單片機(如8051)或DSP(數字信號處理器)構成STIM模塊,再以802.15.4接口作為T(mén)II接口與虛擬的NCAP相連接。系統總體結構參見(jiàn)圖3。
傳感器節點(diǎn)模塊主要由現場(chǎng)的STIM模塊組成,STIM主要由電子數據表單(TEDS)、傳感器接口、現場(chǎng)傳感器、功能模塊、TII接口以及STIM的核心控制模塊等組成。這里以微控制器(如單片機89C51)作為STIM模塊的核心控制器,以IEEE802.15.4構成網(wǎng)絡(luò )接口即TII接口,以程序存儲器ROM存儲功能程序模塊,以可編程的EEPROM作為電子數據表單存儲單元,單片機與現場(chǎng)傳感器連接的I/O口作為傳感器/執行器接口。
系統以PC作為虛擬的NCAP模塊,網(wǎng)絡(luò )環(huán)境是總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境,數字接口TII是IEEE802.15.4總線(xiàn)接口,STIM模塊以無(wú)線(xiàn)的方式直接與NCAP連接。數據發(fā)送時(shí),現場(chǎng)傳感器將采集的數據經(jīng)過(guò)信號調理電路與信號處理電路處理后,通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口即可發(fā)送到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上;數據接收時(shí),當NCAP控制器檢測總線(xiàn)上的數據并接收后,選通相應的STIM通道,發(fā)送到現場(chǎng)傳感器的節點(diǎn),實(shí)現對現場(chǎng)節點(diǎn)數據采集參數的修改及動(dòng)作的控制。STIM及NCAP的底層(物理層和數據鏈路層)均由802.15.4物理層和數據鏈路層組成。1451接口協(xié)議負責應用層與底層之間的數據處理及轉換。
無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )結構
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )主要由完成NCAP功能的PC主機和無(wú)線(xiàn)傳感器終端模塊組成,體系結構如圖3所示。各傳感器終端之間可以互訪(fǎng),并可通過(guò)接入點(diǎn)與有線(xiàn)網(wǎng)上的設備交換數據,甚至可以再次通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)上的另一個(gè)接入點(diǎn)與遠端的設備互通信息。在這種情況下,無(wú)線(xiàn)成為有線(xiàn)的延伸和補充,一般用于需要經(jīng)常移動(dòng)傳感器的地方,或線(xiàn)纜密集不宜再度布線(xiàn)的地方。
如果兩個(gè)傳感器建立了無(wú)線(xiàn)鏈接,其中一個(gè)設備將扮演主控角色(master),另一個(gè)則扮演從屬角色(slave)。角色的分配是在微微網(wǎng)形成時(shí)臨時(shí)確定的,主控設備通常由發(fā)起通信的設備承擔,且主從角色可以互換。一個(gè)單獨的主控設備和臨近與之通信的所有從屬設備即組成了所謂的piconet,慣稱(chēng)微微網(wǎng)。在一個(gè)微微網(wǎng)中只能有一個(gè)主控設備,它的時(shí)鐘序列被用來(lái)使該微微網(wǎng)中的所有從屬設備與之同步。這些從屬設備都與主控設備保持鏈接和通信,共享一個(gè)公共傳輸信道,并處于某一特定的基帶模式,例如活動(dòng)從屬設備就可以進(jìn)入呼吸(sniff)或保持(hold)模式等低功率節能狀態(tài)。在鄰近區域可能還有一些處于待機(standby)狀態(tài)的設備,它們未與主控設備連接,因而不是微微網(wǎng)的一部分。
傳感器的微微網(wǎng)之間也可建立連接,形成多piconet結構。每個(gè)piconet除了slave和master以外,各個(gè)slave節點(diǎn)之間也可以通信。在這里只以單個(gè)的piconet為主干構建傳感器測控網(wǎng)絡(luò )。master節點(diǎn)為測控網(wǎng)絡(luò )主控節點(diǎn),實(shí)現信息的匯集處理功能,slave節點(diǎn)為傳感器節點(diǎn)??紤]到各個(gè)傳感器節點(diǎn)是互相獨立的,信息融合只在master節點(diǎn)完成,所以?xún)H實(shí)現master點(diǎn)對多slave點(diǎn)的通信,形成一個(gè)星型的拓撲結構。整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )功能分為三層:最下層是各種敏感單元,負責收集原始信息;中間是基于傳感器智能模塊的slave節點(diǎn),負責對原始數據的預處理(包括濾波、補償、數字化等)和處理后數據的發(fā)送;最上層是基于普通PC機或其他類(lèi)型上位機(如嵌入式計算機)的master節點(diǎn),所有傳感器的信息在這里進(jìn)行更高一級處理,如譜分析、模式識別、信息融合、判斷決策等。在微微網(wǎng)內,還可以采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)中繼擴大信號的覆蓋范圍,改善網(wǎng)絡(luò )拓撲結構,如圖4所示。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的軟件結構分析
無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )的最下層由IEEE802.15.4協(xié)議模塊組成,包括物理層和數據鏈路層。
IEEE802.15.4模塊之上為1451控制接口協(xié)議。通過(guò)該控制接口協(xié)議,可以方便地把802.15.4模塊嵌入到各種數字設備中作為一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)終端。1451控制接口協(xié)議可以完成本地設備的初始化、查找終端設備、建立鏈接、交換數據、增加或減少網(wǎng)絡(luò )中無(wú)線(xiàn)終端設備的數目。該接口協(xié)議可以是USB、RS232或是I2C接口。主機通過(guò)控制接口操作IEEE802.15.4模塊,通過(guò)一個(gè)事件(Event)確認命令成功與否。主機與網(wǎng)絡(luò )中其他設備的數據交換也是通過(guò)IEEE1451控制接口進(jìn)行的(其數據鏈路可以異步也可以同步)。
智能傳感器接口模塊STIM(Smart Transducer Interface Module)位于IEEE1451接口協(xié)議層之上,并可利用該接口協(xié)議層的數據包發(fā)送STIM的命令、事件和傳感器數據。
把位于STIM主機上完成NCAP功能的PC主機軟件功能定義為網(wǎng)絡(luò )系統的應用層,主要是一些應用程序。應用層對其以下各協(xié)議層是透明的,只是向低一級的STIM層發(fā)送STIM定義的包。而1451接口協(xié)議層的包則由RS232、RS485或者USB等物理通信口發(fā)送。
應用層(完成NCAP功能PC主機軟件)和無(wú)線(xiàn)傳感器終端模塊(智能傳感器接口模塊STIM)都通過(guò)IEEE1451接口協(xié)議與最低層的IEEE802.15.4模塊進(jìn)行通信。
由上述分析,把整個(gè)軟件系統分為三部分:
(1)運行在NCAP功能的PC機上的應用程序:包括面向用戶(hù)的圖形用戶(hù)界面、面向STIM層的操作(主要是對智能傳感器模塊的控制和通信)以及與802.15.4模塊上的1451控制接口固件(firmware)通信的NCAP接口協(xié)議。這部分可用面向對象的編程語(yǔ)言實(shí)現,把每個(gè)傳感器節點(diǎn)作為一個(gè)節點(diǎn)類(lèi)的實(shí)例對象,應用程序通過(guò)與實(shí)例對應的句柄訪(fǎng)問(wèn)控制各個(gè)傳感器節點(diǎn)以及節點(diǎn)上的各個(gè)傳感器。
(2)嵌入到智能傳感器模塊的MCU上的程序(針對不同的MCU用匯編或是C語(yǔ)言寫(xiě)成),主要完成原始信息的采集、處理、讀取傳感器的電子數據表單、與IEEE1451接口協(xié)議的通信、利用STIM層與上位機通信。
(3)無(wú)線(xiàn)終端模塊上的IEEE1451控制接口協(xié)議,固化在無(wú)線(xiàn)傳感器模塊的存儲器里。通過(guò)它實(shí)現智能傳感器模塊與上位機上的應用層軟件的通信。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的問(wèn)題及分析
能量效率:首先,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )不同于傳統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(如WLAN和蜂窩移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )),除了少數節點(diǎn)需要移動(dòng)以外,大部分節點(diǎn)都是靜止的。因為它們通常運行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中,能源無(wú)法替代,設計有效的策略延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的核心問(wèn)題。這些改進(jìn)涉及物理層、數據鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層。物理層選擇低功耗的調制方式和硬件設計。其次,在MAC層和網(wǎng)絡(luò )層之間加入一個(gè)中間層,負責使傳感器在不通信時(shí)盡可能進(jìn)入睡眠模式或省電模式,可以大大降低了節點(diǎn)的能耗。
路由和網(wǎng)絡(luò )控制:在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究初期,人們一度認為成熟的Internet技術(shù)加上Ad-hoc路由機制對傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計是足夠充分的,但深入的研究表明[2]:傳感器網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)與傳統網(wǎng)絡(luò )明顯不同的技術(shù)要求。前者以數據為中心,后者以傳輸數據為目的。為了適應廣泛的應用程序,傳統網(wǎng)絡(luò )的設計遵循著(zhù)端到端的邊緣論思想[3],強調將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò )的端系統上,中間節點(diǎn)僅僅負責數據分組的轉發(fā)。對于傳感器網(wǎng)絡(luò ),這未必是一種合理的選擇。一些為自組織的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò )設計的協(xié)議和算法,未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)和應用的要求。節點(diǎn)標識(如地址等)的作用在傳感器網(wǎng)絡(luò )中不十分重要,因為應用程序不怎么關(guān)心單節點(diǎn)上的信息;中間節點(diǎn)上與具體應用相關(guān)的數據處理、融合和緩存也顯得很有必要。在密集性的傳感器網(wǎng)絡(luò )中,相鄰節點(diǎn)間的距離非常短,低功耗的多跳通信模式節省功耗,同時(shí)增加了通信的隱蔽性,避免了長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)通信易受外界噪聲干擾的影響。這些獨特的要求和制約因素為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究提出了新的技術(shù)問(wèn)題。
時(shí)鐘同步:無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步不同于傳統的傳感器網(wǎng)絡(luò )。傳感器與實(shí)際的物理環(huán)境聯(lián)系密切,必須采用物理時(shí)鐘同步,無(wú)法使用相對簡(jiǎn)單的邏輯時(shí)鐘;無(wú)線(xiàn)傳感器要求必須采用低能耗工作,時(shí)間同步的數據交換受到限制;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )覆蓋面積大且通常為Ad-hoc的結構,不利于采用傳統的時(shí)間同步方法;無(wú)線(xiàn)媒介連接方式不可靠。例如,傳感器網(wǎng)絡(luò )與實(shí)際的物理環(huán)境。監控系統的多傳感器信息融合時(shí),上位機需要知道每個(gè)原始數據是何時(shí)采集的,采樣的觸發(fā)要求每個(gè)節點(diǎn)有統一的時(shí)鐘。傳感器網(wǎng)絡(luò )中的通信協(xié)議和應用,例如基于TDMA的MAC協(xié)議和敏感時(shí)間的監測任務(wù)等,也要求節點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步。設計高精度的時(shí)鐘同步機制是傳感網(wǎng)絡(luò )設計和應用中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。802.15.4低速率工作組提出了一種協(xié)調件協(xié)議MDP(Mediation Device Protocol),采用一個(gè)偽定義的節點(diǎn)接收網(wǎng)絡(luò )內所有通信請求,并為通信雙方協(xié)調會(huì )合時(shí)間。這個(gè)協(xié)議不需要額外添加新的硬件,對節點(diǎn)電池壽命的影響也很小。但是,消息的請求對此方案的影響很大。廣播時(shí)間信標的方法是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的同步策略。其基本思想是:節點(diǎn)以自己的時(shí)鐘記錄事件,隨后用第三方廣播的基準時(shí)間加以校正,精度依賴(lài)于對這段間隔時(shí)間的測量。這種同步機制應用在確定來(lái)自不同節點(diǎn)的監測事件的先后關(guān)系時(shí)有足夠的精度??梢钥紤]精簡(jiǎn)已有的NTP(Network Time Protocol)協(xié)議的實(shí)現復雜度,將其移植到傳感器網(wǎng)絡(luò )中。
定位機制:無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的定位機制與算法包括節點(diǎn)自身定位和外部目標定位兩部分,前者是后者的基礎。在節點(diǎn)自身定位方面,普遍采用了GPS(Global Positioning System)技術(shù)。對于一些定位精度要求不高的項目,則應用了LPS(Local Positioning System)。由于GPS不適合中國國情,可以采用一種依賴(lài)于自有技術(shù)實(shí)現傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)定位的機制。在北斗一號雙星定位系統的支持下,傳感器網(wǎng)絡(luò )中的某些節點(diǎn)就可以找到自己的精確位置,然后參照此基準,利用局部定位算法,其他節點(diǎn)也可以正確定位。此外,在這種模式下,北斗一號的上行數據通路恰好可以作為傳感器網(wǎng)絡(luò )的sink鏈路,將數據回傳給控制中心,省去了用飛行器等其他手段收集數據的麻煩。確定了節點(diǎn)的基準位置,利用傳統的定位機制和算法,如接收信號的強弱、角度和時(shí)間等,以及典型的三角形算法,就可以定位外部目標,這是相對成熟的技術(shù)。
基于802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )大大提高了數據傳輸的抗干擾性,同時(shí)又減少了現場(chǎng)布線(xiàn)帶來(lái)的各種問(wèn)題,對傳感器節點(diǎn)的管理也比較方便??梢詰迷诖笮偷臋C械設備監測場(chǎng)合。國外已有產(chǎn)品投入使用。隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展,微處理器芯片的網(wǎng)絡(luò )功能會(huì )得到加強,智能傳感器和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的結合會(huì )更加容易。應用高性能的嵌入式處理器之后,傳感器網(wǎng)絡(luò )的功能也會(huì )越來(lái)越強。