??? 摘 要: 介紹了IEEE802.15.4標準的概念,、產生背景,、特點、構件及體系結構,、發(fā)展前景,并探討了基于IEEE802.15.4標準傳感器的實現(xiàn),對其實現(xiàn)中的問題給出了解決方法,。
??? 關鍵詞: IEEE802.15.4? Zigbee協(xié)議? 傳感器
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??? 為了滿足類似于傳感器的小型,、低成本設備無線聯(lián)網(wǎng)的要求,2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組,致力于定義一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度,、成本和功耗的低速率無線連接技術,。802.15.4無線發(fā)射/接收機及網(wǎng)絡被Motorola、Philips,、Eaton,、Invensys和Honeywell等公司極力推崇,。同時,也吸引了其他標準化組織的注意。IEEE1451工作組已考慮在IEEE802.15.4標準基礎上實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡" title="傳感器網(wǎng)絡">傳感器網(wǎng)絡(Sensor Networks),。
??? 產品的方便靈活,、易于連接、實用可靠及可升級換代是市場的驅動力,。802.15.4主要應用于工業(yè)控制,、遠程監(jiān)控和樓宇自動化領域。傳感器網(wǎng)絡是其主要市場對象,。將傳感器與802.15.4設備組合,進行數(shù)據(jù)收集,、處理和分析,就可以決定是否需要或何時需要用戶操作。其應用實例包括惡劣環(huán)境下的檢測,諸如涉及危險的火和化學物質的現(xiàn)場,、監(jiān)測以及維護正在旋轉的機器等,。在這些應用上,一個802.15.4網(wǎng)絡可以極大地降低新傳感器網(wǎng)絡的安裝成本,簡化對現(xiàn)有網(wǎng)絡的擴充。
1 802.15.4協(xié)議架構及其技術特點
??? IEEE802.15.4滿足國際標準組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式,。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層(如圖1所示),表1中概括了802.15.4的一些特點,。Zigbee聯(lián)盟制定了MAC層以上協(xié)議,其協(xié)議套件" title="套件">套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層,、網(wǎng)絡層,、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。
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??? 物理層:IEEE802.15.4定義了2.4GHz物理層和868/915MHz物理層兩個物理層標準,它們都采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列擴頻),。
??? 2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段,有助于設備的推廣和生產成本的降低,。2.4GHz物理層通過采用高階調制技術能夠提供250kbps的傳輸速率,有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延" title="時延">時延和更短的工作周期,從而更加省電,。
??? 868/915MHz物理層使用簡單的DSSS方法,即二進制相移鍵控(BPSK)方式,。868MHz的傳輸速率為20kbps,916MHz的傳輸速率為40kbps。這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾,且這兩個頻段上的無線信號傳播損耗較小,因此可以降低對接收機靈敏度的要求,獲得較遠的有效通信距離,從而可以用較少的設備覆蓋給定的區(qū)域,。
??? MAC層:IEEE802系列標準把數(shù)據(jù)鏈路層分成LLC(Logical Link Control,邏輯鏈路控制)和MAC(Media Access Control,媒介接入控制)兩個子層,。LLC子層在IEEE802.6標準中定義,為802標準系列共用;而MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。IEEE802.15.4的MAC層支持多種LLC標準,通過SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,業(yè)務相關的會聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類型的LLC標準,同時也允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4的MAC層的服務,。
??? IEEE802.15.4的MAC協(xié)議包括以下功能:設備間無線鏈路的建立,、維護和結束;確認模式的幀傳送與接收;信道接入控制;幀校驗;預留時隙管理;廣播信息管理。MAC子層提供兩個服務與高層聯(lián)系,即通過兩個服務訪問點(SAP)訪問高層,。通過MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪問MAC數(shù)據(jù)服務,用MAC層管理實體SAP(MLME-SAP)訪問MAC管理服務,。這兩個服務為網(wǎng)絡層和物理層提供了一個接口。靈活的MAC幀結構適應了不同的應用及網(wǎng)絡拓撲的需要,同時也保證了協(xié)議的簡潔,。MAC幀的通用格式如圖2所示,。
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??? 802.15.4標準上層協(xié)議由完整的Zigbee協(xié)議套件構成。網(wǎng)絡層主要采用了基于Ad-hoc技術的網(wǎng)絡協(xié)議,包含以下功能:通用的網(wǎng)絡層功能;拓撲結構的搭建和維護,命名和關聯(lián)業(yè)務,包含了尋址,、路由和安全;與IEEE802.15.4標準一樣,非常省電;有自組織,、自維護功能,最大程度地減少消費者的開支和維護成本。應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到Zigbee網(wǎng)絡上,具體包括:安全與鑒權,、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的會聚,、設備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務發(fā)現(xiàn),。
??? 因此,IEEE802.15.4標準具有以下一些非常適用于無線傳感器的特點:
??? 功耗低:由于工作周期較短,、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式,可以確保兩節(jié)五號電池支持長達六個月到兩年左右的使用時間。當然不同的應用功耗是不同的,。
??? 數(shù)據(jù)傳輸可靠性高:采用了碰撞避免機制,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突,。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制,發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。
??? 網(wǎng)絡容量大:一個Zigbee網(wǎng)絡可以容納最多65536個從設備和一個主設備,一個區(qū)域內可以同時存在最多100個Zigbee網(wǎng)絡,。
??? 時延小:針對時延敏感的應用做了優(yōu)化,通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,。設備搜索時延典型值為30ms,休眠激活時延典型值為15ms,活動設備信道接入時延為15ms。
??? 兼容性:與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡標準無縫集成,。通過網(wǎng)絡協(xié)調器(Coordinator)自動建立網(wǎng)絡,采用CSMA-CA方式進行信道存取,。為了可靠傳遞,提供全握手協(xié)議。
??? 安全性:Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能,加密算法采用AES-128,同時各個應用可以靈活確定其安全屬性,。
??? 實現(xiàn)成本低:模塊的初始成本估計在6美元左右,很快就能降到1.5～2.5美元,且Zigbee協(xié)議是免專利費的,。
??? 協(xié)議套件緊湊而簡單:其具體實現(xiàn)的要求很低。Zigbee協(xié)議套件的需求估計:8位微處理器,如80c51;全協(xié)議套件軟件需要32K字節(jié)的ROM;最小協(xié)議套件軟件大約4K字節(jié)的ROM,。
2 802.15.4標準傳感器的實現(xiàn)
2.1基于802.15.4標準傳感器的實現(xiàn)
??? 傳感器的實現(xiàn)機理是以802.15.4傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊,將采集的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去,。其主要包括802.15.4無線通信模塊、微控制器模塊,、傳感器模塊及接口,、直流電源模塊以及外部存儲器等。
??? 802.15.4無線通信模塊負責數(shù)據(jù)的無線收發(fā),主要包括射頻和基帶兩部分,前者提供數(shù)據(jù)通信的空中接口,后者主要提供鏈路的物理信道和數(shù)據(jù)分組,。微控制器負責鏈路管理與控制,執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關的處理過程,包括建立鏈接,、頻率選擇、鏈路類型支持,、媒體接入控制,、功率模式和安全算法等。經(jīng)過調理的傳感器模擬信號經(jīng)過AD轉換后暫存于緩存中,由802.15.4無線通信模塊通過無線信道發(fā)送到主控節(jié)點,再進行特征提取,、信息融合等高層決策處理,。整個節(jié)點可由外部直流電源供電或采用電池組,視具體情況而定。若要增加通信距離,可添加功率放大器以提高天線發(fā)射功率,。如圖3所示,。
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2.2 802.15.4傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)
??? 802.15.4將提供一個低成本的用于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)狀網(wǎng)絡,網(wǎng)絡上每個監(jiān)測點只需在有限的時間內發(fā)送幾個比特的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)流是異步的,并在數(shù)據(jù)等待時間上限制極小,這些因素利于電池使用壽命的延長。傳感器主要有兩種使用方式:Ad-hoc方式和接入點" title="接入點">接入點方式,。
??? Ad-hoc方式:各傳感器與控制設備組成獨立的,、封閉的微網(wǎng),。傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器,控制器據(jù)此完成相應的任務,數(shù)據(jù)不需要上傳,一切功能都在本地完成。這種情況常見于移動范圍較大,、信息數(shù)據(jù)自成一體的應用,如機器人,、汽車等。
??? 接入點方式:各傳感器之間可以互相訪問,并可通過接入點與有線網(wǎng)上的設備交換數(shù)據(jù),甚至可以再次通過有線網(wǎng)上的另一個接入點與遠端的設備互通信息,。在這種情況下,無線成為有線的延伸和補充,一般用于需要經(jīng)常移動傳感器的地方,及線纜密集不宜再度布線的地方,。
??? 如果兩個傳感器建立了無線鏈接,其中一個設備將扮演主控角色(master),另一個則扮演從屬角色(slave)。角色的分配是在微微網(wǎng)形成時臨時確定的,主控設備通常由發(fā)起通信的設備承擔,而且這種主從角色也可以互換,。一個單獨的主控設備和臨近與之通信的所有從屬設備組成了所謂的piconet,慣稱微微網(wǎng),。在一個piconet中只能有一個主控設備,它的時鐘序列被用來使該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,共享一個公共傳輸信道,并處于某一特定的基帶模式,例如活動從屬設備就可以進入呼吸(sniff)或保持(hold)模式等低功率節(jié)能狀態(tài),。在鄰近區(qū)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piconet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piconet除了Slave和master之間,各個slave節(jié)點之間也可以通信,。在這里只以單個的piconet為主干構建傳感器測控網(wǎng)絡,。master節(jié)點為測控網(wǎng)絡主控節(jié)點,實現(xiàn)信息的匯集處理功能,slave節(jié)點為傳感器節(jié)點" title="傳感器節(jié)點">傳感器節(jié)點?？紤]到各個傳感器節(jié)點之間相互獨立,信息融合只在master節(jié)點完成,所以僅實現(xiàn)master點對多slave點的通信,形成一個星型的拓撲結構,。整個無線傳感器網(wǎng)絡功能分為三層: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(jié)點,負責對原始數(shù)據(jù)的預處理(包括濾波、補償,、數(shù)字化等)和處理后數(shù)據(jù)的發(fā)送;最上層是基于普通PC機或其他類型上位機(如嵌入式計算機)的master節(jié)點,所有傳感器的信息在這里進行更高一級處理,如譜分析,、模式識別、信息融合,、判斷決策等,。在微微網(wǎng)內,還可以采用有線或無線中繼擴大信號的覆蓋范圍,改善網(wǎng)絡拓撲結構(如圖4所示)。
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2.3 802.15.4傳感器實現(xiàn)的問題和解決
??? 用802.15.4實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集,主要還有以下兩個問題:(1)網(wǎng)絡內傳感器節(jié)點時鐘需要同步,監(jiān)控系統(tǒng)的多傳感器信息融合時,上位機需要知道每個原始數(shù)據(jù)是何時采集的,采樣的觸發(fā)要求每個節(jié)點有統(tǒng)一的時鐘;(2)其通信速率較低,而且又受到接口通信速率的限制,加之受糾錯碼的編碼效率影響,真正的數(shù)據(jù)發(fā)送量是很低的,。解決此問題可以通過如下的途徑:傳感器節(jié)點采用DSP處理器,盡可能在傳感器節(jié)點一級多做些數(shù)據(jù)處理工作,盡量減少原始數(shù)據(jù)的發(fā)送量,只發(fā)送有用信息,。例如,對于平穩(wěn)狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)可以不發(fā)送到上位機中,只發(fā)送可疑狀態(tài)前后的原始數(shù)據(jù)。這樣就大大減少了數(shù)據(jù)的通信量,。
??? 基于802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性,同時又減少了現(xiàn)場布線帶來的各種問題,對傳感器節(jié)點的管理也比較方便,。可以應用在大型的機械設備監(jiān)測場合,。國外已經(jīng)開發(fā)出了可以投入使用的產品,。隨著微電子技術、計算機技術的發(fā)展,微處理器芯片的網(wǎng)絡功能會得到加強,智能傳感器與無線通信網(wǎng)絡的結合會更加容易,。應用高性能的嵌入式處理器之后,傳感器網(wǎng)絡的功能也會越來越強,。
參考文獻
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