引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于各種現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)的分布式測(cè)量和控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。這些系統(tǒng)采用了多種控制總線(xiàn)，如CAN、LONWORKS、FROFIBUS、HATR、FF等。這些不同的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)都有自己的協(xié)議格式，相互之間不兼容，給系統(tǒng)的擴(kuò)展帶來(lái)很多不便。
鑒于此，國(guó)際電子電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）聯(lián)合推出IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)，解決了各種不同標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)接口兼容性問(wèn)題，提高了各個(gè)不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的互換性和互操作性。
1 IEEE1451協(xié)議
IEEE和NIST推出的IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)定義一整套通用的通信接口來(lái)解決不同網(wǎng)之間的兼容性問(wèn)題，并最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品的互換和互操作。其協(xié)議簇體系結(jié)構(gòu)和關(guān)系如圖1所示。根據(jù)IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)智能傳感器分成兩大模塊。
圖1 IEEE1451協(xié)議整體架構(gòu)
(1) NCAP（網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器）模塊
該模塊主要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信、TIM通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)定義了它的實(shí)體模型。NCAP是標(biāo)準(zhǔn)變送器總線(xiàn)與專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)之間的接口。這一部分與微處理器集成在一起，在網(wǎng)絡(luò)化傳感器中起“大腦”的作用。NCAP還支持熱插拔功能。
（2） TIM（智能變送器）模塊
根據(jù)和NCAP之間連接的方式，可以有多種不同功能的TIM。一個(gè)TIM可以支持單個(gè)或多個(gè)不同的通道，它既可以與傳感器連接，也可以與執(zhí)行器連接。
① IEEE1451.0：該層標(biāo)準(zhǔn)包括通用功能、通信協(xié)議以及電子數(shù)據(jù)表格(TEDS FORMATS)。IEEE1451.0通過(guò)定義基本命令設(shè)置和通信協(xié)議接口，為不同的物理層提供通用、簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)，從而加強(qiáng)這些標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性。
② IEEE1451.1：針對(duì)現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，定義了從智能變送器到網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)連接的方法，使用面向?qū)ο蟮乃枷霝榫W(wǎng)絡(luò)化的智能變送器定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象模型，并且為該模型的每一個(gè)類(lèi)定義了軟件接口。
③ IEEE1451.2：定義了傳感器和微處理器之間的連接的數(shù)字接口TII。其定義了電子數(shù)據(jù)表格以及數(shù)據(jù)格式，還定義了一系列的讀寫(xiě)命令，包括讀寫(xiě)電子數(shù)據(jù)表格、讀取傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)置執(zhí)行器數(shù)據(jù)等。
④ IEEE1451.3：包括分布式多點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)字通信與TEDS格式的定義，主要用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)分布式智能傳感器系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)采集與通信。
⑤ IEEE1451.4：包含混合模式通信協(xié)議與TEDS格式的定義。其主要針對(duì)已存在的模擬量變送器通信協(xié)議，一方面支持?jǐn)?shù)字接口對(duì)TEDS數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，另一方面支持模擬接口對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器的測(cè)量。
⑥ IEEE1451.5：定義智能傳感器的無(wú)線(xiàn)通信接口，通過(guò)指定的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議在無(wú)線(xiàn)變送器接口模塊(WTIM)和NCAP進(jìn)行通信。目前支持WiFi、藍(lán)牙、ZigBee協(xié)議。IEEE1451.5也定義與無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議相關(guān)的TEDS。
2 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議
IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)為使用不同通信協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，不是開(kāi)發(fā)一種新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，而是采用已經(jīng)成熟的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)提議了3種無(wú)線(xiàn)通信方式：WiFi、藍(lán)牙和ZigBee。本論文中采用的是ZigBee協(xié)議，其主要包括IEEE 802.15.4的PHY層和MAC層，以及ZigBee的NWK層和APS層。
2.1 IEEE 802.15.4的PHY層
PHY層采用DSSS技術(shù)，不同的載波行道提供不同的傳輸速率，2.4 GHz提供250 kbps傳輸速率。PHY層用來(lái)在兩個(gè)設(shè)備之間提供透明的比特流傳輸。其主要功能包括：信道選擇和信道能量檢測(cè)、空閑信道*估、無(wú)線(xiàn)信道數(shù)據(jù)收發(fā)、接收包鏈路質(zhì)量。
2.2 IEEE 802.15.4的 MAC層
MAC層負(fù)責(zé)將NWK層發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，并向下發(fā)送給PHY層，并對(duì)PHY層發(fā)送上來(lái)的幀進(jìn)行分解，將分解后的數(shù)據(jù)包向上發(fā)送給NWK層。
MAC層提供了信標(biāo)和非信標(biāo)兩種傳輸模式。其中，信標(biāo)傳輸模式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以一定的時(shí)間間隔向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)以該信標(biāo)幀作為同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步。非信標(biāo)傳輸模式采用CSMA/CA機(jī)制避免傳輸碰撞。
MAC層的主要功能為MPDU數(shù)據(jù)處理。其幀格式包括幀頭、MAC凈荷和幀尾3個(gè)部分。 幀頭中的幀控制域提供了幀類(lèi)型、安全使能、目標(biāo)地址模式、源地址模式等相關(guān)控制信息。MAC凈荷域?yàn)镸AC層的有效數(shù)據(jù)，即NWK數(shù)據(jù)包。幀尾為幀頭和MAC幀凈荷域的16位CRC校驗(yàn)序列。
2.3 ZigBee協(xié)議的NWK層
圖2 NWK幀格式
ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY層基礎(chǔ)上制定了NWK層協(xié)議。其主要功能包括：網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元處理、組網(wǎng)管理和路由功能。NWK幀格式如圖2所示。
2.4 ZigBee協(xié)議的APS層
應(yīng)用層包括應(yīng)用支持層(APS)、應(yīng)用框架(AF)和ZigBee設(shè)備對(duì)象。
支持層(APS)：主要包括APS層協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的處理、APS數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和節(jié)點(diǎn)間的應(yīng)用對(duì)象綁定。
應(yīng)用框架(AF)：為各個(gè)用戶(hù)自定義的應(yīng)用對(duì)象提供了模板式的活動(dòng)空間，為每個(gè)應(yīng)用對(duì)象提供了鍵值對(duì)服務(wù)和報(bào)文服務(wù)供數(shù)據(jù)傳輸使用。
ZigBee設(shè)備對(duì)象：主要包括設(shè)備服務(wù)發(fā)現(xiàn)。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)了WTIM模塊。該模塊用于采集和處理數(shù)據(jù)，并通過(guò)SPZB260模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給NCAP，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）、IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)。SPZB260是專(zhuān)門(mén)用于嵌入式開(kāi)發(fā)的低功耗ZigBee模塊。
3.1 WTIM模塊
WTIM模塊主要包括STM32F103C微控制器、SPZB260模塊、信號(hào)調(diào)理器和傳感器。其架構(gòu)圖如圖3所示。其中，SPZB260模塊是與NCAP通信的模塊。
圖3 WTIM模塊架構(gòu)圖
ADC在數(shù)據(jù)采樣中，使用了一階濾波算法：Y(n)=αX(n) (1-α)+Y(n-1)。式中：α為濾波系數(shù)；X(n)為本次采樣值；Y(n-1)為上次濾波輸出值；Y(n)為本次濾波輸出值。
3.2 TEDS
IEEE1451每一層中都有與之對(duì)應(yīng)的TEDS。本文實(shí)現(xiàn)了PHYTEDS、MetaTEDS和TransducerChannel TEDS。其通用格式為：
structXXX_TEDS {
UInt32 TEDSlength;
TLV;
……
TLV;
UInt16 Checksum;
}
TEDSlength：XXX_TEDS結(jié)構(gòu)體中除了TEDSlength之外所有字段的長(zhǎng)度和。
TLV：一種包含類(lèi)型(Type)、長(zhǎng)度(Length)、值(Value)三個(gè)字段的結(jié)構(gòu)體。
Type：XXX_TEDS各個(gè)TLV的ID。對(duì)于不同的TEDS，即使TLV的ID相同，代表的實(shí)際意義也不同。
Length：表示TLV結(jié)構(gòu)體中Value字段的長(zhǎng)度。
Value：該字段填充的是具體的TEDS信息。
Checkum：提供了對(duì)XXX_TEDS中之前字段（包括TEDSlength和所有TLV字段）的校驗(yàn)和。
校驗(yàn)和計(jì)算公式如下：Checksum=0xFFFF-∑TEDSlength+2i=1TEDSOctet(i)
3.3 IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)
IEEE1451支持3類(lèi)無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，本文中實(shí)現(xiàn)的是ZigBee協(xié)議。IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)中的ZigBee協(xié)議定義了模塊功能、接口函數(shù)，以及NCAP和WTIM之間的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。其定義的協(xié)議棧如圖4所示。
圖4 IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧
PHY層、MAC層、NWK層由SPZB260提供。本文中需要實(shí)現(xiàn)APS層和IEEE1451.5會(huì)聚層。
APS層采用的是EZSP協(xié)議，可通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)。在WTIM模塊中，STM32F103C與SPZB260之間通過(guò)SPI進(jìn)行通信，其中STM32F103C配置為SPI主設(shè)備，SPZB260配置為從設(shè)備。EZSP作為IEEE14515會(huì)聚層的應(yīng)用支持層（APS），以NCAP為協(xié)調(diào)器的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。
圖5 IEEE1451.5的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
IEEE14515會(huì)聚層定義了IEEE14515和IEEE14510之間的模塊通信接口。其中，一部分接口由IEEE1451.5系統(tǒng)提供，被IEEE1451.0調(diào)用；另一部分由IEEE1451.0提供。
4 測(cè)試與結(jié)論
在測(cè)試中，針對(duì)的是溫度傳感器和濕度傳感器。測(cè)試WTIM節(jié)點(diǎn)分為兩個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有一個(gè)溫度傳感器和濕度傳感器。其中，WTIM1放在正常環(huán)境下，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)WTIM2放置于一個(gè)裝滿(mǎn)水的容器上方。NCAP通過(guò)ZigBee與兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并可以通過(guò)主機(jī)監(jiān)控。測(cè)試時(shí)以10 Hz的頻率進(jìn)行采樣，其結(jié)果如圖6所示。
圖6 WTIM1的溫濕度數(shù)據(jù)
測(cè)試結(jié)果表明，WTIM節(jié)點(diǎn)能正常獲取數(shù)據(jù)，并發(fā)送給NCAP，使得NCAP能夠正確地獲得各節(jié)點(diǎn)與響應(yīng)通道的信息，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)變送器的功能。