（通信与信息系统专业论文）适合无线传感器网络的传感器接口的设计与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络广泛应用于现场工业控制、远程监测和智能建筑等领域， 成为一个在国际上备受关注的前沿热点研究领域。但是传感器接口的多样性问 题给现场总线的发展和现场设备的互操作带来了不利影响。为此本文研究 i e e e l 4 5 1 智能传感器接口标准，并在此标准基础上结合无线传感器网络的特点， 对i e e e l 4 5 1 标准进行了改进，提出了适合无线传感器网络的传感器接口模型， 并设计了一种可以运行在该模型上的应用层用户协议。 本文的主要工作有： ( 1 ) 首先就i e e e l 4 5 1 标准对智能传感器结构的定义进行了分析和总结， 并结合无线传感器网络的具体特点，提出了针对无线传感器网络的传感器接口 ( w s n - s i ) 模型。改进了i e e e l 4 5 1 标准，将无线传感器网络节点分为两个模块， 传感器接口模块( s i m ) 和无线网络适配器模块( w n c a p ) ，实现了无线传感器网 络中节点的数据采集与网络传输功能的模块独立，提高了无线传感器网络节点 的独立性、互用性和即插即用特性。 ( 2 ) 分别基于m s p 4 3 0 片上系统和j e n n i cz i g b e e 软硬件平台对s i m 和w n c a p 模块进行了具体的设计与实现。 ( 3 ) 最后，定义了一种可以在s i m 、w n c a p 和无线传感器网络之间进行数 据透明传输的应用层用户协议_ w s i 协议。使用户终端( 上位机) 与传感器终 端( s i m ) 可以用一种统一的数据格式和规范相互通信，屏蔽了不同网络的软硬 间差异，实现了传感器数据对于不同种网络的透明传输，并在z i g b e e 网络平台 上对其进行了实现。 本文对w s n - s i 的研究为智能传感器的无线化研究奠定了一定的基础，有助 于开发各种标准化接口的无线传感器节点。 关键词：传感器接口，i e e e l 4 5 1 ，无线传感器网络，z i g b e e v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i sw i d e l yu s e di nf i e l di n d u s t r yc o n t r 0 1 r e m o t em o n i t o ra n ds m a r tc o n s t r u c t i o ne t c i tb e c o m e saf r o n th o t s p o to f i n t e m a t i o n a lf o c u s e dr e s e a r c ha r e a h o w e v e r , v a r i a t yo fs e n s o ri n t e r f a c e sm a k e s a na d v e r s ee f f e c ti nt h ed e v e l o p m e n to ff i e l db u sa n dt h ei n t e r o p e r a b i l i t yo ff i e l d a p p a r a t u s t os o l v i n gt h ep r o b l e m w es t u d yi e e e14 51s m a r ts e n s o ri n t e r f a c e s t a n d a r d ，a s s i m i l a t ei t sa d v a n t a g e s ，i m p r o v et h em o d e l a b o v ea l l ，w ep r o p o s ea n e wm o d e lo fs e n s o ri n t e r f a c ef o rw i r e l s ss e n s o rn e t w o r ka n dd e s i g na n a p p l i c a t i o nl e v e lu s e rp r o t o c o lu s e db yt h em o d e l t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： ( 1 ) t h es m a r ts e n s o ri n t e r f a c es t r u c t u r eo fi e e e14 51s t a n d a r di sa n a l y z e d a n ds u m m a r i z e df i r s t l y a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cf e a t u r e so fw s n ，w e p r o p o s e w s n - s im o d e la p p l i c a b l et ow s n r e f e r r i n gi e e e14 51s t a n d a r d ，w es e p a r a t e t h em o d e li n t ot w op a r t s ：s e n s o ri n t e r f a c em o d u l e ( s i m la n dw i r e l e s sn e t w o r k c a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ( w n c a p ) b yt h i sm e a n s ，w ei m p l e m e n tt h e f u n c t i o n a li n d e p e n d e n c eo fs e n s o rd a t aa c q u i s i t i o na n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n a n di m p r o v et h ei n d e p e n d e n c e i n t e r o p e r a b i l i t ya n dp n po fw i r e l e s ss e n s o r n o d e ( 2 ) t h es i ma n dw n c a pm o d u l e sa r es e p a r a t e l yd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e db a s e do nt h em s p 4 3 0a n dj e n n i ez i g b e eh a r d w a r e & s o f t w a r e p l a t f o r m s ( 3 ) t h ea p p l i c a t i o nl e v e lu s e rp r o t o c o ln a m e dw s ip r o t o c 0 1w h i c h t r a n s m i t sd a t at h r o u g hs i m w n c a pa n dw s ni sd e f i n e da n dd e s i g n e d i t m a k e st h eu s e rt e r m i n a l ( u p p e rc o m p u t e r )a n ds e n s o rt e r m i n a l ( s i m ) c o m m u n i c a t ei nau n i f o r md a t af o r m a ta n ds t a n d a r dw i t h o u tr e f e r r i n gt ot h e d i f f e r e n c eo fd i s t i n c tw s ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ei no r d e rt oi m p l e m e n tt h e t r a n s p a r a n td a t at r a n s m i s s i o no nd i f f e r e n tk i n d so fw s n a tl a s tw ei m p l e m e n t t h eo r o t o c o lo nz i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h es t u d yo fw s n - s il a y saf o u n d a t i o nf o rt h es m a r ts e n s o rw i r e l e s s d e v e l o p m e n ta n dw i l lb eh e l p f u lf o rd e v e l o p i n gav a r i e t yo fs t a n d a r d i z e ds e n s o r i n t e r f a c e sf o rw i r e l e s ss e n s o rn o d e k e y w o r d s ：s e n s o ri n t e r f a c e ，i e e e l 4 5 1 ，w s n ，z i g b e e v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：继2 ：尘竖e l 期：兰! ! 皇：至：7 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丛垄至导师签名：幺螳日期： i l 上海大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 无线传感器网络的组成及特点 无线传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是一种由传感器节点构成 的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象 的各种信息( 如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象) ，并对这 些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。 无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制 以及商业等领域有着广阔的应用前景【l 】。 无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中 心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块 的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化 后经无线电波传输给信息处理中心。因为节点的数量巨大，而且还处在随时变 化的环境中，这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”： ( 1 ) 首先是无中心和自组网特性。在无线传感器网络中，所有节点的地位 都是平等的，没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来相互协调，在无 人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心，网 络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。 ( 2 ) 网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是处于不断变化的环境中，它 的状态也在相应地发生变化，加之无线通信信道的不稳定性，网络拓扑因此也 在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准确预测出来的。 ( 3 ) 传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输，虽 然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷。同 时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，诸如此类。不过因 为单个节点传输的数据量并不算大，这个缺点还是能忍受的。 上海大学硕士学位论文 ( 4 ) 能量的限制。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于 待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期 使用的能量，或者自己从外汲取能量( 太阳能) 。 ( 5 ) 是安全性的问题。无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传 感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常 见方式。因此，安全性在网络的设计中至关重要。 1 1 2 无线传感器网络的研究应用现状 无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所 计划署( d 眦) 于1 9 7 8 年开始资助卡耐基一梅隆大学进行分布式传感器网 络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目在全美 高校间广泛展开，著名的有u cb e r k e l e y 的s m a r td u s t 项目，u c l a 的w i n s 项目，以及多所机构联合攻关的s e n s l t 计划等等。在这些项目取得进展的同时， 其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测之类的环境应用中，在人体 生理数据监测、药品管理之类的医疗应用中，在家庭环境的智能化应用以及商 务应用中都已出现了它的身影【l 】。 目前，无线传感器网络的商业化应用也已逐步兴起。美国c r o s s b o w 公司就 利用s m a r td u s t 项目的成果开发出了名为m o t e 的智能传感器节点，还有用于 研究机构二次开发的m o t e w o r k t m 开发平台。商业化的无线传感器产品中最常 见的就是智能节点。u cb e r k e l e y 是无线传感器研究开展较早的美国高校。基于 他们研发成果的无线传感器器件被称为m o t e ，这也是目前最为通用的一种无线 传感器网络产品，是由c r o s s b o w 公司生产的。最基本的m o t e 组件是m i c a 系 列处理器无线模块，完全符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准。最新型的m i c a 2 可以工作 在8 6 8 9 1 6 、4 3 3 和3 1 5 m h z 三个频带，数据速率为4 0 k b s ，通信范围可达1 0 0 0 英尺。其配备了1 2 8 k b 的编程用闪存和5 1 2 k b 的测量用闪存，4 k b 的e e p r o m ， 串行通信接口为u a r t 模式。 2 上海大学硕士学位论文 1 1 3 传感器网络化发展过程 现代信息技术的三大基础是传感器技术，通信技术和计算机技术，它们分 别完成对信息的采集、传输和处理。随着这些技术的发展，传感器向着微型化、 智能化和网络化的方向发剧3 1 。如图1 1 所示，计算机技术和通信技术结合构 成网络技术【5 】；计算机技术和传感器技术结合构成智能传感器技术；网络技术 和智能传感器技术结合构成网络化智能传感器技术，为传感器技术的发展开辟 了一个全新方向【2 4 】。综上所述，网络化智能传感器是现代信息技术的产物。 图1 1 现代信息技术的融合 f i g u r e1 1m o d e r ni m f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n t e g r a t i o n 传感网络化是利用传感器技术、通信技术和计算机技术，按照某种要求， 将许多功能不同、输出形式各异的传感器以一定的方式连接起来，形成具有通 信功能的测控系统【6 】。第一代传感器网络出现在2 0 世纪7 0 年代，使用具有简 单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传 感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串并接 口( 如r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 ) 与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络： 第三代传感器网络出现在2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初，用具有智能获取多 种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智 能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能多信息 3 上海大学硕士学位论文 信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接， 构成无线传感器网络 7 1 。 1 1 4 传感器网络化发展面临的问题 现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感 器技术于一身的控制技术【8 】。2 0 世纪9 0 年代以来，现场总线一度成为人们的研 究热点，各国各大公司和高等院校等纷纷投入大量的人力和物力研究现场总线 技术，制定现场总线标准，开发现场总线产品，争当自动化技术发展潮流的领 导者。据不完全统计，目前世晁上有近2 0 0 种总线，经过十多年的竞争和完善， 较具生命力的有十几种。这些总线都有着各自不同的技术特长及其擅长的应用 领域，背后都有商业机构支撑，都成立或参加了现场总线的国际组织，都力争 成为国际标准或在国际标准中占有一席之地。如用于现场测控系统的各种现场 总线有h a r t 、l o n w b k r s 、c a n 等。 一方面，现场总线国际标准的制定因技术、商业利益等原因造成多标准共 存。由于各个标准采用的通信协议完全不同，相互之间互不兼容，给系统的维 护、扩展带来了麻烦。另一方面，现场总线还存在着瓶颈问题。表现在：生产运 行需大量人机数据交换，现场总线系统的通信容量有限，容易造成信息流的阻 塞。现场总线的兼容性、互换性、互操作性问题尤为突t 9 j ，它直接带来了如 下三方面问题： ( 1 ) 增加了传感器厂商的投资。为了占领市场份额，传感器厂商不得不熟 悉多种现场总线协议标准，研发基于多种现场总线标准的智能传感器，这必然 增加了厂商的投资。 ( 2 ) 使得系统集成变得复杂。对于系统集成工程师，增加了传感器选型的 难度，同样他必须得了解多种现场总线标准。对于一个庞大的测控网络，不可 能采用一种现场总线的设备，这使得系统集成变得复杂，系统变得臃肿，提高 了对系统集成工程师的要求。 ( 3 ) 增加了系统投资者或者用户的风险，降低了系统的可维护性。系统出 现故障之后，必须选择相同现场总线的设备，其选择面很窄，加大了投资风险。 4 上海大学硕士学位论文 曾经一度推动智能传感器发展的现场总线给传感器的发展带来了不利影响。 面对上述问题，我们从两个角度思考问题： ( 1 ) 从传感器角度考虑问题，规范传感器模型，统一传感器接口标准，使 得传感器设计与现场总线无关，解决不同网络之间的兼容性问题，并能最终实 现各个厂家产品之间的互换性与互操作性。在这方面国际电子电气工程师协会 与美国国家标准技术协会都作了很多工作，于1 9 9 7 年开始陆续推出i e e e l 4 5 1 网络化智能传感器接口标准，该标准一共包含七个相互独立又成一体的协议标 准。 ( 2 ) 从网络传输介质角度考虑，将现场总线和无线通信技术相结合，使得 工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。目前，在 工业自动化领域中无线通讯技术协议主要是 1 0 】：对于可用于现场设备层的无线 短程网，采用的主流协议是z i g b e e ：对于大数据容量的短程无线通信，则是i e e e 8 0 2 1 5 3 ；而对于适应较大传输覆盖面和较大信息传输量的无线局域网，采用的 是i e e e8 0 2 1 1 系列。 1 1 5i e e e l 4 5 1 网络化智能传感器接口标准 目前，国际电工委员会和现场总线基金会正致力于现场总线通信标准的统 一，但由于商业和技术两方面的原因，通信标准统一在短期内难以实现。国际 电子电气工程师协会( i e e e ) 与美国国家标准技术协会( n i s t ) 于1 9 9 7 年开 始推出i e e e l 4 5 1 网络化智能传感器接口标斛1 1 】。i e e e l 4 5 1 标准定义了传感器 或执行器的软硬件接口标准，为传感器或执行器提供了标准化的通讯接口和软 硬件的定义，使不同的现场网络之间可以通过应用i e e e l 4 5 1 定义的接口标准 互连，可以互操作，解决了不同网络之间的兼容性问题，使传感器的厂家、系 统集成商和最终用户有能力以低成本去支持多种网络和变送器家族，并且通过 简化连线，降低了系统总的消耗1 2 , 1 3 】。 1 国外研究状况： ( 1 ) h p 公司的b f o o t - 6 6 5 0 1 ( 一种带有定制w 曲页的嵌入式以太网控制 器) ，可以对其自产的性能符合i e e e1 4 5 1 1 的传感器进行网络控制，从而实现 5 上海人学硕士学位论文 基于w 曲的传感器阵列控制。 ( 2 ) 美国加州c r o s s b o w 技术公司推出了工业上第一个采用蓝牙( b l u e t o o t h ) 通信标准的无线传感器结构( c r o s s n e t 结构) ，该结构中的传感器具有自识别能 力，其内部按i e e e1 4 5 1 定义的t e d s 实现，这使得在有大量阵列的传感器应 用中，数据的管理容易得多。 ( 3 ) n i 公司于2 0 0 4 年全力打造即插即用传感器，符合i e e e l 4 5 1 4 标准。并 且l a b v i e w 软件支持i e e e l 4 5 1 4 标准。n i 推出的模型体系中，通用计算机成 为网络适配器( n c a p ) 。 2 国内研究现状 ( 1 ) 国内对于i e e e l 4 5 1 协议的研究还处于起步状态，由于没有得到广大传 感器制造商支持，国内只有一些关于i e e e l 4 5 1 传感器接口标准的综述性文章 见于期刊，但具体的应用研究成果还很少报道。 ( 2 ) 中国科学院合肥智能机械研究所开展了研制i e e e l 4 5 1 机器人手爪智能 传感器。其研究了i e e e l 4 5 1 智能传感器模块的实现以及基于n e t b o x 实现 n c a p 。 1 1 6z i g b e e 无线传感器网络技术 近两年无线传感网络的飞速发展和大量无线终端的诞生，使得以传感器和 远程控制为代表的无线应用不需要传统的较高的传输带宽，而需要较低的传输 延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列。蓝 牙技术在这些方面有很大的发展空间，但不是一种符合传感器和低端面向控制 等简单的应用专用标准，对那些在低功耗或网络性能要求较高的个人无线应用 就显得无能为力了。i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的出现正好解决了这一问题。 2 0 0 3 年1 0 月，就在i e e e 推出8 0 2 1 5 4 协议标准的同时，z i g b e e 联盟也开 始酝酿着与之相配套的网络层及应用层的协议，目的并不是为了推出一项具体 的技术，而是为了给传感器网络和控制系统推出一个标准的解决方案。这一方 案充分考虑了各种简单应用的需求，制定了相应的以低功耗、低成本及实现简 单为目标的协议标准，该标准一出现就引起了业界的广泛重视，短短一年多的 6 上海大学硕士学位论文 时间内便有上百家集成电路、运营商等宣布支持i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e ，并且很 快在全球自发成立了若干联盟【14 1 。 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议是由i e e e8 0 2 1 5 4 标准的p h y 和m a c 层再加 上z i g b e e 的网络和应用支持层所组成的【15 1 ，其突出的特点包括： ( 1 ) 低成本。对用户来说，低成本意味着较低的设备费用、安装费用和 维护费用。z i g b e e 设备可以在标准电池供电的条件下( 低成本) 7 - 作，而不需要 频繁重换电池或充电操作( 低成本、易安装) ，z i g b e e 在内部自动可配置和网络 设备的冗余等方面的简化更是提供了较低的维护费用。 ( 2 ) 单个网络中可容纳更高密度的节点。z i g b e e 通过使用i e e e8 0 2 1 5 4 标准的p h y 和m a c 层，支持几乎任意数目的设备，这对于大规模传感器阵列 和控制尤其重要。 ( 3 ) 协议简单，国际通用。z i g b e e 协议栈的大小平均只有b l u e t o o t h 或其 他i e e e8 0 2 1 1 的1 4 ，这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。i e e e 8 0 2 1 5 4 的p h y 层的使用可以支持欧洲的8 6 8 m h z 的频段、全球美洲和澳大利 亚的9 1 5 m h z 的频段和现在已经被广泛使用的2 4 g h z 的频段，使该协议具有 更旺盛的生命力。 1 2 课题研究的主要内容 本文结合i e e e l 4 5 1 标准和无线传感器网络的特点，对无线传感器网络的 传感器接口进行了定义和结构划分，既参照了i e e e l 4 5 1 2 标准中s t i m 和n c a p 的结构和功能设计，同时又在此基础上针对无线传感器网络的具体特点进行了 改进，定义了符合无线传感器网络的传感器接口w s n s i ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s e n s o ri n t e r f a c e ) 。w s n s i 的结构由s i m ( 传感器接口模块) 和 w n c a p ( 无线网络适配器模块) 组成。s i m 负责传感器的识别，校准和原始数据 的采集，w n c a p 负责无线传感器网络的接入和数据的无线透明传输。 不同于i e e e l 4 5 1 2 中s t i m 与n c a p 间复杂的十线制t i i 接口，我们定义 了s i m 和w n c a p 之间的简单数字接e ( u a r t ) 和应用层通信协议w s i 协议， 大大简化了模块间的连接。无论底层协议如何改变( 蓝牙、z i g b e e 、8 0 2 1 1 ) ， 7 上海大学硕士学位论文 数据在应用层从传感器模块到用户终端的传输过程中始终按照统一的格式传 输，屏蔽了不同种无线网络间的差异，实现了数据在网络中的透明传输。 本文对s i m 和w n c a p 模块分别进行了具体的设计和实现。s i m 参考 i e e e l 4 5 1 2 中s t i m 的结构，采用m s p 4 3 0 单片机为核心，具有接口简单通用， 资源丰富，低功耗、低成本等特点。w n c a p 的设计采用了目前应用比较广泛 的无线传感器网络技术z i g b e e 技术，采用j e n n i c 5 1 3 9 的z i g b e e 网络平台实现 数据的无线传输，最后在z i g b e e 网络平台上对w s i 应用层用户协议进行了实现。 本文的结构： 第一章绪论。介绍无线传感器网络基本概念和传感器网络化发展的过程 及其面临的问题，并提出了解决问题的思路。提出本文研究的主要内容和结构。 第二章改进的w s n s i 总体设计。分析i e e e l 4 5 1 的各个标准，汲取了 i e e e l 4 5 1 的优点，并结合无线传感器网络的特点，提出了适合于无线传感器网 络的传感器接口模型( w s n s i ) 。 第三章改进的传感器接口模块( s i m ) 的设计与实现。以m s p 4 3 0 片上 系统为核心设计实现了传感器接口模块( s m ) ，并对其关键技术进行了研究。 第四章改进的无线网络适配器模块( w n c a p ) 的设计与实现。采用j e n n i e 模块作为z i g b e e 无线传感器网络平台，设计并实现了w n c a p 。 第五章w s i 协议的设计与实现。定义了w s n s i 的应用层用户协议一w s i 协议，并在z i g b e e 网络上进行了实现。 第六章总结与展望。总结本文的主要工作，并提出未来工作的建议。 上海大学硕士学位论文 第二章改进的w s n - s i 总体设计 2 1i e e e l 4 5 1 标准 2 1 1i e e e l 4 5 1 标准体系 美国国家标准与技术学会( n i s t ) 推出的i e e e l 4 5 1 标准的最终目标就是 达到传感器与网络之间的互换性和互通性【1 6 】。但是，它并不是另一种特殊的传 感器现场总线。它的目的是开发一种软硬件的标准连接方案将智能传感器连接 到控制网络或者用以支持现有的各种网络技术。 该标准在网络链路层上提供了应用和网络的互用性。过去由于存在着多种 标准的总线、以及多种多样的微处理器平台而导致的各种软硬件连接和维修的 问题，在这里都得到了简化。在这种标准的支持下即便是使用不同的模数转换 器、微处理器、网络协议和收发器，仅仅只要做少许的改变就可以直接应用。 这样可以降低开发和使用的成本，用户可以很方便的在同一网络中更换或是增 减智能传感器。 i e e e1 4 5 1 定义了一系列通用通信接口【1 7 , 1 8 】，用于连接传感器和微处理器系 统、仪器及现场网络，使智能传感器更为方便地集成运行于各种工业网络下的 分布式测量与控制系统中。 该标准主要着重于解决以下三个主要问题： ( 1 ) 基于传感器软件的应用层的可移植性。 ( 2 )基于传感器应用的网络独立性。 ( 3 ) 传感器的互用性，使用即插即用方案将传感器连接到微处理器平台 或网络。 i e e e l 4 5 1 ( 以下简称1 4 5 1 ) 是一个智能传感器标准体系，它包括1 4 5 1 1 、 1 4 5 1 2 、1 4 5 1 3 、1 4 5 1 4 、1 4 5 1 5 、1 4 5 1 6 ( 见表2 1 ) 。内容包括： 建立网络化智能传感器的软件模型，包括信息与通信模型； 定义网络化智能传感器的硬件模型，包括网络适配器n c a p 、智能变送 9 上海大学硕上学位论文 器接口模块s t i m 及两者间的有线、无线接口； 定义n c a p 中封装不同网络通信协议接口，支持多种网络模式及总线标 准； 对智能传感器的数据传输、寻址、中断、触发等做详细规定； 定义电子数据表格t e d s 及其数据格式。 代号名称与描述状态 i e e e l 4 5 1 o智能变送器接口标准 颁布标准 i e e e l 4 5 1 1 1 9 9 9网络适配处理器信息模型 颁布标准 i e e e l 4 5 1 1 修订版网络适配处理器信息模型开发中 i e e e l 4 5 1 2 1 9 9 7 变送器与微处理器通信协议和t e d s 格式颁布标准 i e e e l 4 51 2 修订版变送器与微处理器通信协议和t e d s 格式研讨中 i e e e1 4 51 3 2 0 0 3 分布式多点系统数字通信与t e d s 格式颁布标准 i e e e1 4 51 4 2 0 0 4 混合模式通信协议与t e d s 格式 颁布标准 i e e e l 4 5 1 5 无线通信协议与t e d s 格式颁布中 i e e e l 4 5 1 6 c a n 开放式协议变送器网络接口开发中 表2 1i e e e l 4 5 1 标准体系表 t a b l e2 1t a b l eo f i e e e l 4 5 1s t a n d a r d ss y s t e m 在1 4 5 1 模型中，网络化传感器包括两个部分：智能变送器模块和网络应用 适配器( n c a p 具有联网能力的应用处理器) ，传感器不直接接入网络，而是通 过1 4 5 1 定义的标准接口接入n c a p ，然后由n c a p 接入网络，如图2 1 所示。 任 i e 模e 拟e i + 4 数m 字4y i n 、1 变t e 送d 器sl 混合模式受 鲁 网络应用适配器 1 1 ：d s u 3 2 i t e m b i t m a p & 0 x 0 0 0 0 0 0 f f ) = e _ a h i _ u a r t _ i n t _ r x d a t a ) 严处理u a r t 0 接收中断吖 c c h a r i n = ( ( p s h w i n t d a t a - u 3 2 i t e m b i t m a p & 0 x 0 0 0 0 f f 0 0 ) 8 ) ； 严将数据放入u a r t 0 接收缓存中 b b u f f e r f u l l = b u a r t _ r x c h a r l s r ( ( p s h w i n t d a t a 一 u 3 2 i t e m b i t m a p & 0 x 0 0 0 0 f f 0 0 ) 8 ) ； e l s ei f ( p s h w i n t d a t a - u 3 2 i t e m b i t m a p = = = ea h l u a r t 烈tt x ) 处理u a r t 0 发送中断 v u a r t _ t x c h a r l s r o ； b r e a k ； 严如果定时器1 0 m s 时间到了吖 c a s ee 。a h i d e v i c e t i m e r i ： 严检查绑定状态幸 i f ( s w u a r t s s y s t e m e b o u n d e _ b i n d _ m a t c h e d ) 严如果已经绑定，则将数据无线透传发给指定的节点幸 w i r e l s s t x d a t a 0 幸自定义的无线数据透传发送函数掌： e l s ei f ( s w u a r t s s y s t e m e b o u n d e _ b i n d _ n o n e ) 产如果还未绑定好，则继续寻找待绑定的节点 v p e r f o r m m a t c h r e q u e s t 0 ； ) e l s ei f ( s w u a r t s s y s t e m e b o u n d e _ b i n d _ b i n d i n g ) 严如果正在寻找要绑定的节点，则检查当前花费的时间，如果超时则重 新进行绑定幸 5 1 上海大学硕士学位论文 v c h e c k f o r b i n d r e s p o n s e t i m e o u t 0 ； ) b r e a k ； d e f a u l t ： b r e a k ； 移动硬件中断队列指针 s w u a r t s q u e u e u s r e a d p t r = ( s w u a r t s q u e u e u 8 r e a d p t r + 1 ) & h ，_ 烈tqp t rm a s k ； 5 2 上海大学硕士学位论文 第五章w s i 协议的设计及实现 5 1w s i 协议概述 w s n - s i 系统结构如图5 1 所示，在整个系统中，传感器的数据首先通过 u a r t 接口由s i m 模块传给w n c a p 模块，再通过无线信道从子节点的w n c a p 模块传给主节点，最后通过主节点的串口送到用户计算机上。 中的 节点l 节点n 图5 1w s n s i 体系结构 f i g u r e5 1w s n - s is y s t e ms t r u c t u r e 由于信息传输的路径多样，既有有线方式( u a r t 接口) 又有无线方式 ( z i g b e e 技术) ，同时传感器终端需要和用户终端互相通信，所以需要定义一种 用户层的传输协议使信息能在有线和无线的信道中无差别的传输，用户终端和 传感器终端按照一种规范的格式进行通信。我们设计一种运行在s i m 、w n c a p 和无线传感器网络上的应用层通信协议w s i 协议( w i r e l e s ss e n s o ri n t e r f a c e 舱 主) 驴 上海大学硕士学位论文 p r o t o c 0 1 ) 。 w s i 协议定义的是设备间能认识使用的消息结构。它实际上描述了一个控制 器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误 并记录，其中错误校验采用1 6 位循环冗余错误校验码( c r c 1 6 ) 。它制定了消息域 和内容的公共格式。w s i 协议通过命令域的功能代码决定每个被指定地址的设备 要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用w s i 协议发出。在 不同的网络应用中，包含了将w s i 协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结 构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节点地址、路由路径及错误检测的方 法。传输设备将w s i 消息转化为有起点和终点的帧，这就允许接收的设备在消息 起始处开始工作，读地址信息，判断哪一个设备被选中，判知何时信息己完成。 在一个w s i 协议的网络中，网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式。 w s i 协议在具体网络的实现是利用该网络的应用层，通过透传方式来进行 标准w s i 协议的数据传输。透传的概念就是在传输过程中，传输设备不对所传 输的数据进行任何处理，不对数据包作任何修改的传输方式。w s i 协议定义了 o s i 模型第7 层上的应用层报文传输协议( 如图5 2 ) 。在实现串行链路传输时， 根据o s i 模型第1 层和第2 层串行链路上的协议，w s i 协议规定了消息、数据 的结构、命令和应答的方式。显而易见，w s i 协议定义的是一种以数据帧形式 表示的能使设备相互识别和使用的消息结构，独立于物理层介质。这是它可以 用于不同网络间通信的基础。 由此可见，通过z i g b e e 的应用层利用透传方式来传输标准的w s i 数据帧， z i g b e e 的物理层、m a c 层、网络层不会影响到w s i 的数据帧，也就能保证标 准w s i 数据帧的完整性，因此，在z i g b e e 无线传感器网络中实现w s i 协议是 完全可行的。 上海大学硕上学位论文 5 2w s i 协议规范 5 2 1w s i 协议帧结构 图5 2w s i 协议栈 f i g u r e5 2w s ip r o t o c o ls t a c k w s i 协议信息帧的结构如图5 3 所示： 222n 2 l兰! 竺i 兰竺生i二兰三! 生i：兰兰竺兰l! 竺l 图5 3w s i 数据帧结构 f i g u r e5 3w s id a t af r a m es t r u c t u r e s t a r t 为消息帧的帧头，采用两个连续字节的十六进制数0 x 3 6 和0 x 3 7 表示，之 所以采用这两个数是因为0 x 3 6 的a s c i i 码为$ ，0 x 3 7 的a s c i i 码为，可以用这两个 特殊字符区分信息帧的帧头。 l e n g t h 为整个信息帧的长度，它占用2 个字节，范围在0 - - 6 5 5 3 5 之间，意味着 整个信息帧的最大长度可为6 5 5 3 6 个字节。- l e n g t h 为l e n g t h 的反码，用来辅助 识别帧头s t a r t 。 p a y l o a d 为信息帧的有效载荷，存放w s i 协议规定的各种命令和数据格式。具 体内容见5 2 2 节。 上海大学硕士学位论文 5 2 2w s l 协议帧的有效载荷 5 2 2 1 有效载荷的统一结构 在w s i 协议帧结构中，有效载荷的格式和内容不依赖于具体的网络连接形 式。有效载荷的第一个字节定义为地址域( a d d r ) ，第二个字节定义为命令域 ( c m d ) 。这两个域是每一个w s i 协议帧载荷所必备的。其它字节的功能定义可 根据不同的命令而不同。 地址域占用一个字节，范围为0 - - 2 5 5 ，是s i m 的网络标识，f l o w s 地址。 命令域占用一个字节，支持操控传感器的一系列命令。根据命令的功能，主 要分为三大类： 1 搜索网络内的传感器，返回其相应的标示。 2 读取网络内某个传感器的配置信息。 3 返回指定传感器的读数。 为了尽量减小有效载荷的开销，增强程序的可读性，我们选用英文字母a z 来作为不同的命令的功能代码，如表5 1 所示 表5 1w s i 命令域功能代码表 t a b l e5 1w s ic o m m a n df i e l df u n c t i o nc o d et a b l e 命令域功能代码方向( 见图5 4 )描述 c ( 0 x 4 3 ) 搜索传感器 f ( 0 x 4 6 ) 返回传感器标识符 r ( 0 x 5 2 ) 获取传感器读数 d ( 0 x 4 4 ) 返回传感器数据 g ( 0 x 4 7 ) 命令s i m 返回传感器配置信息 x ( 0 x 5 8 ) 返回传感器的配置信息 上海大学硕士学位论文 c ，r ，g f ，d ，x - - - - - - - - - - - 一 图5 4 不同功能代码的传输方向 f i g u r e5 4d i f f e r e n tt r a n s m i td i r e c t i o no ff u n c t i o nc o d e 5 2 2 2 各命令的有效载荷结构： 1 搜索命令帧和返回帧 1l 臣殂 图5 5 搜索