為了滿足類(lèi)似于傳感器的小型、低成本設(shè)備無(wú)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(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)。802.15.4無(wú)線發(fā)射/接收機(jī)及網(wǎng)絡(luò)被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司極力推崇。同時(shí),也吸引了其他標(biāo)準(zhǔn)化組織的注意。IEEE1451工作組已考慮在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Sensor Networks)。

產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實(shí)用可靠及可升級(jí)換代是市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力。802.15.4主要應(yīng)用于工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場(chǎng)對(duì)象。將傳感器與802.15.4設(shè)備組合,進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、處理和分析,就可以決定是否需要或何時(shí)需要用戶(hù)操作。其應(yīng)用實(shí)例包括惡劣環(huán)境下的檢測(cè),諸如涉及危險(xiǎn)的火和化學(xué)物質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)、監(jiān)測(cè)以及維護(hù)正在旋轉(zhuǎn)的機(jī)器等。在這些應(yīng)用上,一個(gè)802.15.4網(wǎng)絡(luò)可以極大地降低新傳感器網(wǎng)絡(luò)的安裝成本,簡(jiǎn)化對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充。

A 802.15.4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)
IEEE802.15.4滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)開(kāi)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(diǎn)。Zigbee聯(lián)盟制定了MAC層以上協(xié)議,其協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)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(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn),它們都采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列擴(kuò)頻)。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段,有助于設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz物理層通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)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(shí)延和更短的工作周期,從而更加省電。

868/915MHz物理層使用簡(jiǎn)單的DSSS方法,即二進(jìn)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(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾,且這兩個(gè)頻段上的無(wú)線信號(hào)傳播損耗較小,因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求,獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離,從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。

 MAC層:IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)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(gè)子層。LLC子層在IEEE802.6標(biāo)準(zhǔn)中定義,為802標(biāo)準(zhǔn)系列共用;而MAC子層協(xié)議則依賴(lài)于各自的物理層。IEEE802.15.4的MAC層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類(lèi)型的LLC標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4的MAC層的服務(wù)。

IEEE802.15.4的MAC協(xié)議包括以下功能:設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束;確認(rèn)模式的幀傳送與接收;信道接入控制;幀校驗(yàn);預(yù)留時(shí)隙管理;廣播信息管理。MAC子層提供兩個(gè)服務(wù)與高層聯(lián)系,即通過(guò)兩個(gè)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(SAP)訪問(wèn)高層。通過(guò)MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪問(wèn)MAC數(shù)據(jù)服務(wù),用MAC層管理實(shí)體SAP(MLME-SAP)訪問(wèn)MAC管理服務(wù)。這兩個(gè)服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供了一個(gè)接口。靈活的MAC幀結(jié)構(gòu)適應(yīng)了不同的應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男枰?同時(shí)也保證了協(xié)議的簡(jiǎn)潔。MAC幀的通用格式如圖2所示。
 
802.15.4標(biāo)準(zhǔn)上層協(xié)議由完整的Zigbee協(xié)議套件構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層主要采用了基于Ad-hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,包含以下功能:通用的網(wǎng)絡(luò)層功能;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù),命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù),包含了尋址、路由和安全;與IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣,非常省電;有自組織、自維護(hù)功能,最大程度地減少消費(fèi)者的開(kāi)支和維護(hù)成本。應(yīng)用會(huì)聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到Zigbee網(wǎng)絡(luò)上,具體包括:安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。 因此,IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)具有以下一些非常適用于無(wú)線傳感器的特點(diǎn):

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(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間。當(dāng)然不同的應(yīng)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(jī)制,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙,避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

網(wǎng)絡(luò)容量大:一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多65536個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備,一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)。

時(shí)延小:針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化,通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30ms,休眠激活時(shí)延典型值為15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。

兼容性:與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò),采用CSMA-CA方式進(jìn)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(quán)功能,加密算法采用AES-128,同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

實(shí)現(xiàn)成本低:模塊的初始成本估計(jì)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(zhuān)利費(fèi)的。

協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單:其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。Zigbee協(xié)議套件的需求估計(jì):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。
B 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)傳感器的實(shí)現(xiàn)
a 基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)傳感器的實(shí)現(xiàn)
傳感器的實(shí)現(xiàn)機(jī)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(wú)線方式發(fā)送出去。其主要包括802.15.4無(wú)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(chǔ)器等。

802.15.4無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無(wú)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(fù)責(zé)鏈路管理與控制,執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關(guān)的處理過(guò)程,包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類(lèi)型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等。經(jīng)過(guò)調(diào)理的傳感器模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后暫存于緩存中,由802.15.4無(wú)線通信模塊通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送到主控節(jié)點(diǎn),再進(jìn)行特征提取、信息融合等高層決策處理。整個(gè)節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)
802.15.4將提供一個(gè)低成本的用于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)只需在有限的時(shí)間內(nèi)發(fā)送幾個(gè)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(shí)間上限制極小,這些因素利于電池使用壽命的延長(zhǎng)。傳感器主要有兩種使用方式:Ad-hoc方式和接入點(diǎn)方式。

Ad-hoc方式:各傳感器與控制設(shè)備組成獨(dú)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(yīng)的任務(wù),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(jiàn)于移動(dòng)范圍較大、信息數(shù)據(jù)自成一體的應(yīng)用,如機(jī)器人、汽車(chē)等。

接入點(diǎn)方式:各傳感器之間可以互相訪問(wèn),并可通過(guò)接入點(diǎn)與有線網(wǎng)上的設(shè)備交換數(shù)據(jù),甚至可以再次通過(guò)有線網(wǎng)上的另一個(gè)接入點(diǎn)與遠(yuǎn)端的設(shè)備互通信息。在這種情況下,無(wú)線成為有線的延伸和補(bǔ)充,一般用于需要經(jīng)常移動(dòng)傳感器的地方,及線纜密集不宜再度布線的地方。

如果兩個(gè)傳感器建立了無(wú)線鏈接,其中一個(gè)設(shè)備將扮演主控角色(master),另一個(gè)則扮演從屬角色(slave)。角色的分配是在微微網(wǎng)形成時(shí)臨時(shí)確定的,主控設(shè)備通常由發(fā)起通信的設(shè)備承擔(dān),而且這種主從角色也可以互換。一個(gè)單獨(dú)的主控設(shè)備和臨近與之通信的所有從屬設(shè)備組成了所謂的piconet,慣稱(chēng)微微網(wǎng)。在一個(gè)piconet中只能有一個(gè)主控設(shè)備,它的時(shí)鐘序列被用來(lái)使該中的所有從屬設(shè)備與之同步。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(gè)公共傳輸信道,并處于某一特定的基帶模式,例如活動(dòng)從屬設(shè)備就可以進(jìn)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(jī)(standby)狀態(tài)的設(shè)備,它們未與主控設(shè)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(jié)構(gòu)。每個(gè)piconet除了Slave和master之間,各個(gè)slave節(jié)點(diǎn)之間也可以通信。在這里只以單個(gè)的piconet為主干構(gòu)建傳感器測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。master節(jié)點(diǎn)為測(cè)控網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)信息的匯集處理功能,slave節(jié)點(diǎn)為傳感器節(jié)點(diǎn)。考慮到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立,信息融合只在master節(jié)點(diǎn)完成,所以?xún)H實(shí)現(xiàn)master點(diǎn)對(duì)多slave點(diǎn)的通信,形成一個(gè)星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)無(wú)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(diǎn),負(fù)責(zé)對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理(包括濾波、補(bǔ)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(jī)或其他類(lèi)型上位機(jī)(如嵌入式計(jì)算機(jī))的master節(jié)點(diǎn),所有傳感器的信息在這里進(jìn)行更高一級(jí)處理,如譜分析、模式識(shí)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(wú)線中繼擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍,改善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖4所示)。
 
 

c 802.15.4傳感器實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題和解決
用802.15.4實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集,主要還有以下兩個(gè)問(wèn)題:(1)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘需要同步,監(jiān)控系統(tǒng)的多傳感器信息融合時(shí),上位機(jī)需要知道每個(gè)原始數(shù)據(jù)是何時(shí)采集的,采樣的觸發(fā)要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)有統(tǒng)一的時(shí)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(cuò)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(wèn)題可以通過(guò)如下的途徑:傳感器節(jié)點(diǎn)采用DSP處理器,盡可能在傳感器節(jié)點(diǎn)一級(jí)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(duì)于平穩(wěn)狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)可以不發(fā)送到上位機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性,同時(shí)又減少了現(xiàn)場(chǎng)布線帶來(lái)的各種問(wèn)題,對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的管理也比較方便。可以應(yīng)用在大型的機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了可以投入使用的產(chǎn)品。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,微處理器芯片的網(wǎng)絡(luò)功能會(huì)得到加強(qiáng),智能傳感器與無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合會(huì)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(huì)越來(lái)越強(qiáng)。