传感器无线互联标准及实现

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
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。

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