传感器无线互联标准及实现

摘要：介绍了IEEE802.15.4标准的概念、产生背景、特点、构件及体系结构、发展前景，并探讨了基于IEEE802.15.4标准传感器的实现，对其实现的问题给出了解决方案。 关键词：IEEE802.15.4 Zigbee协议 传感器 为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802．15．4工作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。802．15．4无线发射 ／接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司极力推崇。同时，也吸引了其他标准化组织的注意。IEEEl451工作组已考虑在IEEE802．15．4标准基础上实现传感器网络(Sensor Networks)。 产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可升级换代是市场的驱动力。802．15．4主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域。传感器网络是其主要市场对象。将传感器与802．15．4设备组合，进行数据收集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要用户操作。其应用实例包括恶劣。环境下的检测，诸如涉及危险的火和化学物质的现场、监测以及维护正在旋转的机器等。在这些应用上，一个802．15．4网络可以极大地降低新传感器网络的安装成本，简化对现有网络的扩充。 1 802．15．4协议架构及其技术特点 IEEE802．15．4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层(如图1所示)，表1中概括了802．15．4的一些特点。Zigbee联盟制定了MAC层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 表1 IEEE802.15.4标准的主要技术特征 复杂程度 比现有标准低 通信时延 ≥15ms 目的 只支持数据通信 功耗 约45μA 频段、数据率及信道数 868MHz：20kbps 1 925MHz:40kbps 10 2.4GHz:250kbps 16 MAC的控制方式 星型网络对等网络 每个网络支持节点数 65536 寻址方式 64bit IEEE地址 8bit 网络地址 连接层结构 开放式 温度 -40℃～-85℃ 传输范围 室内：10m速率 250kbps;+0dBm TX室外：30m-75m速率40kbps，300m速率20kbps 应用 传感器、玩具、控制领域…… 物理层：IEEE802．15．4定义了2．4GHz物理层和868／915MHz物理层两个物理层标准，它们都采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)。 2．4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于设备的推广和生产成本的降低。2．4GHz物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kbps的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。 868／915MHz物理层使用简单的DSSS方法，即二进制相移键控(BPSK)方式。868MHz的传输速率为20kbps，916MHz的传输速率为40kbps。这两个频段的引入避免了2．4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰，且这两个频段上的无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。 MAC层：IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC(Logical Link Control，逻辑链路控制)和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)两个子层。LLC子层在IEEE802．6标准中定义，为802标准系列共用；而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。IEEE802．15．4的MAC层支持多种LLC标准，通过SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer，业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802．2类型的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802．15．4的MAC层的服务。 IEEE802．15．4的MAC协议包括以下功能： 设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。MAC子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点(SAP)访问高层。通过MAC通用部分子层SAP(MCPS-SAP)访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAP(MLME-SAP)访问MAC管理服务。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。MAC帧的通用格式如图2所示。 802．15．4标准上层协议由完整的Zigbee协议套件构成。网络层主要采用了基于Ad-hoe技术的网络协议，包含以下功能：通用的网络层功能；拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；与IEEE802．15．4标准一样，非常省电；有自组织、自维护功能，最大程度地减少消费者的开支和维护成本。应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，具体包括：安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。 因此，IEEE802．15．4标准具有以下一些非常适用于无线传感器的特点： 功耗低：由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。当然不同的应用功耗是不同的。 数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。 网络容量大：一个Zigbee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络。 时延小：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。 兼容性：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。 安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1．5"2．5美元，且Zigbee协议是免专利费的。 协议套件紧凑而简单：其具体实现的要求很低。Zigbee协议套件的需求估计：8位微处理器，如80c51；全协议套件软件需要32K字节的ROM；最小协议套件软件大约4K字节的ROM。 2 802．15．4标准传感器的实现 2．1基于802．15．4标准传感器的实现 传感器的实现机理是以802．15．4传输模块代替传统的串行通信模块，将采集的数据以无线方式发送出去。其主要包括802．15．4无线通信模块、微控制器模块、传感器模块及接口、直流电源模块以及外部存储器等。 802．15．4无线通信模块负责数据的无线收发，主要包括射频和基带两部分，前者提供数据通信的空中接口，后者主要提供链路的物理信道和数据分组。微控制器负责链路管理与控制，执行基带通信协议和相关的处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法等。经过调理的传感器模拟信号经过AD转换后暂存于缓存中，由802．15．4无线通信模块通过无线信道发送到主控节点，再进行特征提取、信息融合等高层决策处理。整个节点可由外部直流电源供电或采用电池组，视具体情况而定。若要增加通信距离，可添加功率放大器以提高天线发射功率。如图3所示。 2．2 802。15．4传感器网络实现 802．15．4将提供一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上每个监测点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的，并在数据等待时间上限制极小，这些因素利于电池使用寿命的延长。传感器主要有两种使用方式：Ad-hoc方式和接入点方式。 Ad-hoc方式：各传感器与控制设备组成独立的、封闭的微网。传感器将数据发送给控制器，控制器据此完成相应的任务，数据不需要上传，一切功能都在本地完成。这种情况常见于移动范围较大、信息数据自成一体的应用，如机器人、汽车等。 接入点方式：各传感器之间可以互相访问，并可通过接入点与有线网上的设备交换数据，甚至可以再次通过有线网上的另一个接入点与远端的设备互通信息。在这种情况下，无线成为有线的延伸和补充，一般用于需要经常移动传感器的地方，及线缆密集不宜再度布线的地方。 如果两个传感器建立了无线链接，其中一个设备将扮演主控角色(master)，另一个则扮演从属角色(slave)。角色的分配是在微微网形成时临时确定的，主控设备通常由发起通信的设备承担，而且这种主从角色也可以互换。一个单独的主控设备和临近与之通信的所有从属设备组成了所谓的piconet，惯称微微网。在一个piconet中只能有一个主控设备，它的时钟序列被用来使该中的所有从属设备与之同步。这些从属设备都与主控设备保持链接和通信，共享一个公共传输信道，并处于某一特定的基带模式，例如活动从属设备就可以进入呼吸(sniff)或保持(hold)模式等低功率节能状态。在邻近区域可能还有一些处于待机(standby)状态的设备，它们未与主控设备连接，因而不是piconet网的一部分。 传感器的微微网之间也可建立连接，形成多pieonet结构。每个piconet除了Slave和master之间，各个slave节点之间也可以通信。在这里只以单个的piconet为主干构建传感器测控网络。master节点为测控网络主控节点，实现信息的汇集处理功能，slave节点为传感器节点。考虑到各个传感器节点之间相互独立，信息融合只在master节点完成，所以仅实现master点对多slave点的通信，形成一个星型的拓扑结构。整个无线传感器网络功能分为三层：最下层是各种敏感单元，负责收集原始信息；中间是基于传感器智能模块的slave节点，负责对原始数据的预处理(包括滤波、补偿、数字化等)和处理后数据的发送； 最上层是基于普通PC机或其他类型上位机(如嵌入式计算机)的master节点，所有传感器的信息在这里进行更高一级处理，如谱分析、模式识别、信息融合、判断决策等。在微微网内，还可以采用有线或无线中继扩大信号的覆盖范围，改善网络拓扑结构(如图4所示)。 2．3 802．15．4传感器实现的问题和解决 用802．15．4实现无线数据采集，主要还有以下两个问题：(1)网络内传感器节点时钟需要同步，监控系统的多传感器信息融合时，上位机需要知道每个原始数据是何时采集的，采样的触发要求每个节点有统一的时钟；(2)其通信速率较低，而且又受到接口通信速率的限制，加之受纠错码的编码效率影响，真正的数据发送量是很低的。解决此问题可以通过如下的途径：传感器节点采用DSP处理器，尽可能在传感器节点一级多做些数据处理工作，尽量减少原始数据的发送量，只发送有用信息。例如，对于平稳状态的原始数据可以不发送到上位机中，只发送可疑状态前后的原始数据。这样就大大减少了数据的通信量。 基于802．15．4标准的无线传感器网络大大提高了数据传输的抗干扰性，同时又减少了现场布线带来的各种问题，对传感器节点的管理也比较方便。可以应用在大型的机械设备监测场合。国外已经开发出了可以投入使用的产品。随着微电子技术、计算机技术的发展，微处理器芯片的网络功能会得到加强，智能传感器与无线通信网络的结合会更加容易。应用高性能的嵌入式处理器之后，传感器网络的功能也会越来越强。