摘要：介紹了IEEE802.15.4協(xié)議的特點、構(gòu)件及體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展前景，分析了IEEE1451智能傳感器模型，提出了一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并探討了其實現(xiàn)。

近年來，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線通信技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們開始將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，提供了無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器的概念。它不僅可以應(yīng)用于Internet接入互連，還適用于有線接入方式所不能勝任的場合，以提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。例如，在工廠巨大的設(shè)備間、低速長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，致力于定義一種從廉價的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實用可靠及可繼續(xù)延續(xù)是市場的驅(qū)動力。一般認(rèn)為短距離的無線低功率通信技術(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(biāo)準(zhǔn)的主要布場對象。將傳感器與802.15.4設(shè)備組合，進行數(shù)據(jù)收集、處理和分析，即可決定是否需要或何時需要用戶操作。滿足802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線發(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(chǔ)上實現(xiàn)無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）。本文探討了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。

1 基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器模型

1.1 IEEE1451智能傳感器模型

智能傳感器建立了一個標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它規(guī)定了傳感器模塊的電子數(shù)據(jù)表單，也定義了訪問數(shù)據(jù)表單、讀取傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)的數(shù)字接口。IEEE1451的目的就是提供一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用處理器NCAP（Network Capable Application Porcessor）組成，中間通過傳感器獨立接口TII相連接。NCAP模塊用來運行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆和應(yīng)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(shù)據(jù)表單TEDS（Transducer Electronic DataSheet），一個STIM可以連接太量不同的傳感器或執(zhí)行器，在正常使用過程中傳感器和STIM是不可分開的。變送器獨立接TII（Transducer Independence Interface）主要定義二者之間點點連線、同步時鐘的矩距離接口，使制造商可以把一個傳感器應(yīng)用到多種商網(wǎng)絡(luò)中。另外，IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)通過TEDS，使傳感器模型具有即插即用的兼容性。原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為國際標(biāo)準(zhǔn)單位。其結(jié)構(gòu)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(yīng)答功能，這些都是用于傳感器獨立接口的數(shù)字接口。傳感器獨立接口包括數(shù)據(jù)傳輸、時鐘、觸發(fā)、應(yīng)答線。接口是串行外圍接口，由兩根串行數(shù)據(jù)輸入輸出組成。智能傳感器接口模塊通過傳感器獨立接口上電，這就意味著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(nèi)部消息：制造商、數(shù)據(jù)代碼、序列號、使用的極限、未定量以及校準(zhǔn)系數(shù)等。當(dāng)電源加上STIM時，這些數(shù)據(jù)可以提供給NCAP及系統(tǒng)的其它部分。當(dāng)NCAP讀入STIM中TEDS數(shù)據(jù)時，NCAP可以知道這個STIM的通信速度、通道數(shù)及每個通道上變送器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為國際標(biāo)準(zhǔn)單位。

在與STIM通信的過程中，NCAP一直是主機，通信速率由NCAP設(shè)定，這會影響STIM中的采樣速率，但是避免了釋放數(shù)據(jù)以及對存儲器的巨大需求。當(dāng)STIM連接到NCAP時，NCAP從TEDS讀取有關(guān)STIM的信息之后，讀取STIM采樣的數(shù)據(jù)。

    1.2 IEEE1451智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)與802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的融合

IEEE802.15.4滿足國際標(biāo)準(zhǔn)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。關(guān)于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)的內(nèi)容請參閱文獻(xiàn)[7]。

為了有效地實現(xiàn)無線智能傳感器，筆者考慮結(jié)合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，需要對現(xiàn)有的1451智能傳感器模型開出改進的。

方案之一是無線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IEEE802.15.4無線（收發(fā)模塊）傳輸信息。傳感器或執(zhí)行器的信息由STIM通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到NCAP終端，進而與有線網(wǎng)絡(luò)相連。另外，還可以在NCAP與網(wǎng)絡(luò)間的接口替換為無線接口。

方案之二是無線的NCAP終端：STIM與NCAP之間通過TII接口相連，無線網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)模塊置于NCAP上，另一無線收發(fā)模塊與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而與有線網(wǎng)絡(luò)通信。在此方案中，NCAP作為一個傳感器網(wǎng)絡(luò)終端。如圖2所示。

因為功耗的原因，無線通信模塊不直接包含在STIM中，而是將NCAP和STIM集成在一個芯片或模塊中。在這種情況下，NCAP和STIM之間的TII接口可以大大簡化。

2 無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

2.1 無線智能傳感器

本設(shè)計的實現(xiàn)機理是IEEE802.15.4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[7]。

本文利用IEEE802.15.4物理協(xié)議，構(gòu)造一個無NCAP的無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)，但并不是沒有NCAP，只是這里采PC機完成NCAP的功能，即這里的NCAP是虛擬的，是由PC構(gòu)成的；以現(xiàn)場傳感器結(jié)合單片機（如8051）或DSP（數(shù)字信號處理器）構(gòu)成STIM模塊，再以802.15.4接口作為TII接口與虛擬的NCAP相連接。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)參見圖3。

傳感器節(jié)點模塊主要是由場的STIM模塊組成，STIM主要由電子數(shù)據(jù)表單（TEDS）、傳感器接口、現(xiàn)場傳感器、功能模塊、TII接口以及STIM的核心控制模塊等組成。這里以微處理器（如單片機89C51）作為STIM模塊的核心控制器，以IEEE802.15.4構(gòu)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(shù)據(jù)表單存儲單元，單片機與現(xiàn)場傳感器連接的I/O口作為傳感器/執(zhí)行器接口。

    系統(tǒng)以PC作為虛擬的NCAP模塊，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是總線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，數(shù)字接口TII是IEEE802.15.4總線接口，STIM模塊以無線的方式直接與NCAP連接。數(shù)據(jù)發(fā)送時，現(xiàn)場傳感器將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路與信號處理電路處理后，通過無線接口即可發(fā)送到有線網(wǎng)絡(luò)上；數(shù)據(jù)接收時，當(dāng)NCAP控制器檢測總線上的數(shù)據(jù)并接收后，選通相應(yīng)的STIM通道，發(fā)送到現(xiàn)場傳感器的節(jié)點，實現(xiàn)對現(xiàn)場節(jié)點數(shù)據(jù)采集參數(shù)的修改及動作的控制。STIM及NCAP的底層（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）均由802.15.4物理層和數(shù)據(jù)鏈路層組成的。1451接口協(xié)議負(fù)責(zé)應(yīng)用層與底層之間的數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)換。

2.2 無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由完成NCAP功能的PC主機和無線傳感器終端模塊組成，體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。各傳感器終端之間可以互訪，并可通過接入點與有線網(wǎng)上的設(shè)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(yuǎn)端的設(shè)備互通信息。在這種情況下，無線成為有錢的延伸和補充，一般用于需要經(jīng)常移動傳感器的地方，或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(shè)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(shè)備通常由發(fā)起通信的設(shè)備承擔(dān)，且主從角色可以互換。一個單獨的主控設(shè)備和臨近與之通信的所有從屬設(shè)備即組成了所謂的piconet，慣稱微微網(wǎng)。在一個微微網(wǎng)中的所有從屬設(shè)置與之同步。這些從屬設(shè)備都與主控設(shè)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(shè)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(shè)備，它們未與主控設(shè)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(jié)構(gòu)。每個piconet除了slave和master以外，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(gòu)建傳感器測控網(wǎng)絡(luò)。Master節(jié)點為測控網(wǎng)絡(luò)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。考慮到各個傳感器節(jié)點是互相獨立的，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能分為三層：最下層是各種敏感單元，負(fù)責(zé)收集原始信息；中間是基于傳感器智能模塊的slave節(jié)點，負(fù)責(zé)對原始數(shù)據(jù)的預(yù)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(nèi)，還可以采用有線或無線中斷擴大信號的覆蓋范圍，改善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

2.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的軟件結(jié)構(gòu)分析

無線智能傳感器網(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(shù)據(jù)鏈路層。

IEEE802.15.4模塊之上為1451控制接口協(xié)議。通過該控制接口協(xié)議，可以方便地把802.15.4模塊嵌入到各種數(shù)字設(shè)備中作為一個無線收發(fā)終端。1451控制接口協(xié)議可以完成本地設(shè)備的初始化、查找終端設(shè)備、建立鏈接、交換數(shù)據(jù)、增加或減少網(wǎng)絡(luò)中無線終端設(shè)備的數(shù)目。該接口協(xié)議可以是USB、RS232或是I2C接口。主機通過控制接口操作IEEE802.15.4模塊，通過一個事件(Event)確認(rèn)命令成功與否。主機與網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交換也是通過IEEE1451控制接口進行的（其數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包發(fā)送STIM的命令、事件和傳感器數(shù)據(jù)。

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(tǒng)的應(yīng)用層，主要是一些應(yīng)用程序。應(yīng)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)議層包則由RS232、RS485或者USB等物理通信口發(fā)送。

應(yīng)用層（完成NCAP功能PC主機軟件）和無線傳感器終端模塊（智能傳感器接口模塊STIM）都通過IEEE1451接口協(xié)議與最低層的IEEE802.15.4模塊進行通信。

由上述分析，把整個軟件系統(tǒng)分為三部分：

(1)運行在NCAP功能的PC機上的應(yīng)用程序：包括面向用戶的圖形用戶界面、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?qū)ο蟮木幊陶Z言實現(xiàn)，把每個傳感器節(jié)點作為一個節(jié)點類的實例對象，應(yīng)用程序通過與實例對應(yīng)的句柄訪問控制各個傳感器節(jié)點以及節(jié)點上的各個傳感器。

(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語言寫成），主要完成原始信息的采集、處理、讀取傳感器的電子數(shù)據(jù)表單、與IEEE1451接口協(xié)議的通信、用利STIM層與上位機通信。

(3)無線終端模塊上的IEEE1451控制接口協(xié)議，固化在無線傳感器模塊的存儲器里。通過它實現(xiàn)智能傳感器模塊與上位機上的應(yīng)用層軟件的通信。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的問題及分析

能量效率：首先，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)（如WLAN和蜂窩移動電話網(wǎng)絡(luò)），除了少數(shù)節(jié)點需要移動以外，大部分節(jié)點都是靜止的。因為它們通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源無法替代，設(shè)計有效的策略延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。這些改進涉及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。物理層選擇低功耗的調(diào)制方式和硬件設(shè)計。其次，在MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間加入一個中間層，負(fù)責(zé)使傳感器在不通信時盡可能進入睡眠模式或省電模式，可以大大降低了節(jié)點的能耗。

    路由和網(wǎng)絡(luò)控制：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究初期，人們一度認(rèn)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(shè)計是足夠充分的，但深入的研究表明[2]：傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求。前者以數(shù)據(jù)為中心，后者為傳輸數(shù)據(jù)為目的。為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計遵循著端到端的邊緣論思想[3]，強調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)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(shè)計的協(xié)議和算法，未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點和應(yīng)用的要求。節(jié)點標(biāo)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(yīng)用程序不怎么關(guān)心單節(jié)點上的信息；中間節(jié)點上與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)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，相鄰點節(jié)間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時增加了通信的隱蔽性，避免了長距離無線通信易受外噪聲干擾的影響。這些獨特的要求和制約因素為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問題。

時鐘同步：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步不同于傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器與實際的物理環(huán)境聯(lián)系密切，必須采用物理時鐘同步，無法使用相對簡單的邏輯時鐘；無線傳感器要求必須采用低能耗工作，時間同步的數(shù)據(jù)交換受到限制；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大且通常為Ad-hoc的結(jié)構(gòu)，不利用采用傳統(tǒng)的時間同步方法；無線媒介連接方式不可靠。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)與實際的物理環(huán)境。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。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議和應(yīng)用，例如基于TDMA的MAC協(xié)議和敏感時間的監(jiān)測任務(wù)等。也要求點節(jié)間的時鐘必須保持同步。設(shè)計高精度的時鐘同步機制是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和應(yīng)用中的一個技術(shù)難點。802.15.4低速率工作組提供了一種協(xié)調(diào)件協(xié)議MDP(Mediation Device Protocol)，采用一個偽定義的節(jié)點接收網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有通信請求，并為通信雙方協(xié)調(diào)會合時間。這個協(xié)議不需要額外添加新的硬件，對節(jié)點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。廣播時間信標(biāo)的方法是一種簡單實用的同步策略。其基本思想是：節(jié)點以自己的時鐘記錄事情，隨后用第三方廣播的基準(zhǔn)時間加以校正，精度依賴于對這段間隔時間的測量。這種同步機制應(yīng)用在確定來自不同節(jié)點的監(jiān)測事件的先后關(guān)系時有足夠的精度。可以考慮精簡已有的NTP（Network Time Protocol）協(xié)議的實現(xiàn)復(fù)雜度，將其植到傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

定位機制：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位機制與算法包括節(jié)點自身定位和外部目標(biāo)定位兩部分，前者是后者的基礎(chǔ)。在節(jié)點自身定位方面，普通采用了GPS（Global Postitioning System）技術(shù)。對于一些定位精度要求不高的項目，則應(yīng)用了LPS（Local Postitioning System）。由于GSP不適合中國國情，可以采用一種依賴于自有技術(shù)實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位的機制。在北斗一號雙星定位系統(tǒng)的支持下，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點就可以找到自己的精確位置，然后參照此基準(zhǔn)，利用局部定位算法，其他節(jié)點也可以正確定位。此外，在這種模式下，北斗一號的上行數(shù)據(jù)通路恰好可以作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的sink鏈路，將數(shù)據(jù)回傳給控制中心，省去了用飛行器等其他手段收集數(shù)據(jù)的麻煩。確定了節(jié)點的基準(zhǔn)位置，利用傳統(tǒng)的定位機制和算法，如接收信號的強弱、角度和時間等，以及典型的三角形算法，就可以定位外部目標(biāo)，這是相對成熟的技術(shù)。

基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用在大型的機械設(shè)備監(jiān)測場合。國外已有產(chǎn)品投入使用。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，微處理芯片的網(wǎng)絡(luò)功能會得到加強，智能傳感器和無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合會更加容易。應(yīng)用高性能的嵌入式處理器之后，傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能也會越來越強。