• 802.15.4協議架構及其技術特點。
  
• 802.15.4傳感器網絡實現。
  
• 802.15.4傳感器實現的問題和解決。
  
• 傳感器主要有兩種使用方式:Ad-hoc方式和接入點方式。
  

• 采用DSSS2.4GHz波段為全球統一無需申請的ISM頻段助于設備的推廣和生產成本的降低。
• 868/915MHz物理層使用簡單的DSSS方法避免2.4GHz附近無線通信設備的相互干擾。
• 靈活的MAC幀結構適應了不同的應用及網絡拓撲的需要。
• 工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式實現低功耗。
• 采用了碰撞避免機制提高數據傳輸可靠性。
• 通過網絡協調器自動建立網絡提高兼容性。

為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設備無線聯網的要求,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標準基礎上實現傳感器網絡(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。傳感器網絡是其主要市場對象。將傳感器與802.15.4設備組合,進行數據收集、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網絡可以極大地降低新傳感器網絡的安裝成本,簡化對現有網絡的擴充。

A 802.15.4協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聯盟制定了MAC層以上協議,其協議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。

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系列標準把數據鏈路層分成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數據服務,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絡拓撲的需要,同時也保證了協議的簡潔。MAC幀的通用格式如圖2所示。
 
802.15.4標準上層協議由完整的Zigbee協議套件構成。網絡層主要采用了基于Ad-hoc技術的網絡協議,包含以下功能:通用的網絡層功能;拓撲結構的搭建和維護,命名和關聯業(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網絡上,具體包括:安全與鑒權、多個業(yè)務數據流的會聚、設備發(fā)現、業(yè)務發(fā)現。 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。

數據傳輸可靠性高: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)送數據時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制,發(fā)送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息。

網絡容量大:一個Zigbee網絡可以容納最多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:與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器(Coordinator)自動建立網絡,采用CSMA-CA方式進行信道存取。為了可靠傳遞,提供全握手協議。

安全性:Zigbee提供了數據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協議是免專利費的。

協議套件緊湊而簡單:其具體實現的要求很低。Zigbee協議套件的需求估計:8位微處理器,如80c51;全協議套件軟件需要32K字節(jié)的ROM;最小協議套件軟件大約4K字節(jié)的ROM。
B 802.15.4標準傳感器的實現
a 基于802.15.4標準傳感器的實現
傳感器的實現機理是以802.15.4傳輸模塊代替?zhèn)鹘y的串行通信模塊,將采集的數據以無線方式發(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據的無線收發(fā),主要包括射頻和基帶兩部分,前者提供數據通信的空中接口,后者主要提供鏈路的物理信道和數據分組。微控制器負責鏈路管理與控制,執(zhí)行基帶通信協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。經過調理的傳感器模擬信號經過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。
 
 

b  802.15.4傳感器網絡實現
802.15.4將提供一個低成本的用于數據采集和傳輸的網狀網絡,網絡上每個監(jiān)測點只需在有限的時間內發(fā)送幾個比特的數據,數據流是異步的,并在數據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。傳感器將數據發(fā)送給控制器,控制器據此完成相應的任務,數據不需要上傳,一切功能都在本地完成。這種情況常見于移動范圍較大、信息數據自成一體的應用,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上的設備交換數據,甚至可以再次通過有線網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。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網的一部分。

傳感器的微微網之間也可建立連接,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絡。master節(jié)點為測控網絡主控節(jié)點,實現信息的匯集處理功能,slave節(jié)點為傳感器節(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,改善網絡拓撲結構(如圖4所示)。
 
 

c 802.15.4傳感器實現的問題和解決
用802.15.4實現無線數據采集,主要還有以下兩個問題:(1)網絡內傳感器節(jié)點時鐘需要同步,監(jiān)控系統的多傳感器信息融合時,上位機需要知道每個原始數據是何時采集的,采樣的觸發(fā)要求每個節(jié)點有統一的時鐘;(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,真正的數據發(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)點一級多做些數據處理工作,盡量減少原始數據的發(fā)送量,只發(fā)送有用信息。例如,對于平穩(wěn)狀態(tài)的原始數據可以不發(fā)送到上位機中,只發(fā)送可疑狀態(tài)前后的原始數據。這樣就大大減少了數據的通信量。

基于802.15.4標準的無線傳感器網絡大大提高了數據傳輸的抗干擾性,同時又減少了現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,微處理器芯片的網絡功能會得到加強,智能傳感器與無線通信網絡的結合會更加容易。應用高性能的嵌入式處理器之后,傳感器網絡的功能也會越來越強。