传感器无线互联的标准及实现
点击数：7369 次 录入时间：03-04 11:57:28 整理：http://www.55dianzi.com 电工基础
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。IEEE1451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。 A 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。 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-hoc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。[1] [2] [3] 下一页
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