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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器接口研究
作者：張凌峰 武文權(quán)
來(lái)源：RFID世界網(wǎng)
日期：2011-04-02 09:15:39
摘要：傳感器技術(shù)一直是工業(yè)應(yīng)用與科學(xué)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、和通信技術(shù)的進(jìn)步，傳感器越來(lái)越向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。如何將不同的傳感器與不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自由的連接成為了傳感器應(yīng)用研究領(lǐng)域的一個(gè)新問(wèn)題。論文分析了IEEE1451 關(guān)于智能傳感器接口的概念和模型。并在此基礎(chǔ)上提出了更加適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器接口模型。
引言
計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)是未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ娜蠹夹g(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合誕生了互聯(lián)網(wǎng)，已成為目前人們工作學(xué)習(xí)必不可少的工具。計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了智能傳感器，使傳統(tǒng)的傳感器具有了“思考”的能力，極大地提高了傳感器的性能。而計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、傳感器三者的結(jié)合讓智能傳感器具備了網(wǎng)絡(luò)通信的能力，從而使傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域變得更加廣泛。
隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器的制作工藝越來(lái)越高，種類(lèi)越來(lái)越多，再加上目前的總線接口多樣，各種總線對(duì)應(yīng)各自不同的應(yīng)用，因此就出現(xiàn)了各個(gè)傳感器制造廠商只生產(chǎn)特定總線接口的傳感器，造成了傳感器接口過(guò)多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性過(guò)大等問(wèn)題。往往一種接口的傳感器只能適用于特定的一種網(wǎng)絡(luò)，換到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中就不能正常使用。目前傳感器的網(wǎng)絡(luò)接口問(wèn)題已成為了制約傳感器廣泛應(yīng)用的瓶頸。為了解決這一問(wèn)題，NIST（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)組織）聯(lián)合IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）提出了解決傳感器接口問(wèn)題的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)——IEEE1451 標(biāo)準(zhǔn)。本文在研究IEEE1451 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)IEEE1451 標(biāo)準(zhǔn)重要概念和模型進(jìn)行分析和總結(jié)。并提出了針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器接口模型。
1 IEEE1451 標(biāo)準(zhǔn)
IEEE 1451 標(biāo)準(zhǔn)的目的是開(kāi)發(fā)一種軟硬件的連接方案，將智能變送器（傳感器和執(zhí)行器的統(tǒng)稱）連接到網(wǎng)絡(luò)用以支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 包括各種現(xiàn)場(chǎng)總線及Internet/Intranet等。通過(guò)定義一整套通用的通信接口，使變送器在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用有線或無(wú)線的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，大大簡(jiǎn)化了由變送器構(gòu)成的各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，解決了不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問(wèn)題，并為最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)變送器廠家產(chǎn)品的互換性與互操作性提供了參考方案。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)是一系列標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)稱，目前包括從1451.0到1451.7共八個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。其中1451.1與1451.2是最早提出的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，也是IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)系列中最重要的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。它們共同構(gòu)成了IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的框架結(jié)構(gòu)，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的提出奠定了理論基礎(chǔ)。
1.1 IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)
IEEE1451.1主要定義了網(wǎng)絡(luò)適配器（Network CapableApplication Processor 簡(jiǎn)稱NCAP[1]）模塊及其信息模型。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊負(fù)責(zé)變送器與外界網(wǎng)絡(luò)的連接，將變送器傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，按照一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送出去。它的主要目的是屏蔽不同變送器數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的差異，使得變送器與網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立。NCAP在硬件上包括微處理器及其輔助電路，網(wǎng)絡(luò)物理層接口和變送器接口。NCAP在邏輯上又可分為應(yīng)用組件，支持組件（操作系統(tǒng)和協(xié)議棧）以及網(wǎng)絡(luò)和變送器模塊的抽象接口。
IEEE1451.1的信息模型針對(duì)NCAP抽象模型而設(shè)計(jì)，它定義了一系列類(lèi)和方法用以描述NCAP與變送器和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通信。主要分為模塊類(lèi)和基類(lèi)。它的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于一個(gè)電腦機(jī)箱。各種不同的模塊類(lèi)代表不同的功能，如同機(jī)箱主板上的插卡可以根據(jù)需要增加或減少。該模型主要包括下面幾種模塊類(lèi)[2]：
物理模塊類(lèi)定義了NCAP模塊中的所有的軟硬件資源信息，包括制造廠商的商標(biāo)，產(chǎn)品的標(biāo)示，廠商所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。它就是一個(gè)基本的類(lèi)庫(kù)。其它類(lèi)的定義都是在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
變送器模塊類(lèi)抽象了與NCAP連接的所有變送器的功能。在系統(tǒng)配置階段，物理模塊類(lèi)使用變送器資源信息創(chuàng)建變送器模塊類(lèi)。
功能模塊類(lèi)規(guī)定了變送器模塊中存放特定應(yīng)用代碼的一個(gè)框架區(qū)。它包含一系列參數(shù)表，用以支持對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。
網(wǎng)絡(luò)模塊類(lèi)抽象了模塊類(lèi)和基類(lèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)。訪問(wèn)機(jī)制采用客戶/服務(wù)器和發(fā)布/訂閱兩種遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用方式。
模塊間的訪問(wèn)必須預(yù)先定義和綁定端口。訪問(wèn)機(jī)制類(lèi)似于TCP/IP應(yīng)用級(jí)接口socket。
1.2 IEEE1451.2
IEEE1451.2 標(biāo)準(zhǔn)，即變送器與微處理器通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格。該標(biāo)準(zhǔn)具體定義了變送器電子數(shù)據(jù)表格TEDS，一個(gè)10 線數(shù)字接口TII 以及智能變送器接口模塊STIM 與NCAP 間的通信協(xié)議，使智能傳感器/執(zhí)行器模塊具有了即插即用能力。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有指定信號(hào)調(diào)理、信號(hào)轉(zhuǎn)換和TEDS 如何應(yīng)用，這些由各變送器制造商自主實(shí)現(xiàn)，以保持各自在性能、質(zhì)量、特性與價(jià)格等方面的競(jìng)爭(zhēng)力。
1.2.1 STIM模塊：IEEE1451.2 定義了一個(gè)智能變送器接口模型STIM(Smart Transducer Interface Model)，它允許任何一個(gè)變送器或一組變送器通過(guò)一個(gè)通用統(tǒng)一的接口來(lái)發(fā)送接收數(shù)據(jù)，任何變送器都可以通過(guò)這個(gè)智能變送器接口模型STIM來(lái)適配1451.2規(guī)定的協(xié)議[4]。圖1表示IEEE1451.2的模塊結(jié)構(gòu)。
1.2.3 數(shù)字接口：NCAP與STIM的連結(jié)是通過(guò)10條信號(hào)線的變送器獨(dú)立接口(TII，transducer independent interface) [3]進(jìn)行的，TII是基于SPI(serial peripheral interface)協(xié)議的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、帶同步時(shí)鐘的串口通信接口, 其硬線連接信號(hào)線主要功能可參考表1。NCAP與STIM之間的基本通信協(xié)議如下：寫(xiě)的時(shí)候，NCAP不停地向DCLK發(fā)送脈沖，并將數(shù)據(jù)讀到DIN信號(hào)線。讀的時(shí)候，NCAP不停地向DCLK發(fā)送脈沖，并在DOUT口尋找數(shù)據(jù)。在所有的通信中，NIOE作為片選信號(hào)告訴STIM數(shù)據(jù)傳輸功能已經(jīng)激活，NACK被STIM用來(lái)確認(rèn)數(shù)據(jù)位和觸發(fā)信號(hào)。
從本文前面的介紹可知，IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)為了實(shí)現(xiàn)智能變送器接口的標(biāo)準(zhǔn)化，首先對(duì)智能變送器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分，將傳統(tǒng)的變送器分為STIM和NCAP兩大模塊。這樣劃分的好處是將變送器數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)通信部分分離開(kāi)來(lái)，方便了研究設(shè)計(jì)者分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。再通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的接口（TII）將兩個(gè)部分連接起來(lái)，為傳感器接口的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化工作提供了一種重要參考方案。
但是，STIM和NCAP的模塊劃分是針對(duì)廣義智能傳感器而言。隨著無(wú)線射頻技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為未來(lái)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的發(fā)展方向。這樣就給智能變送器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的變化。IEEE1451.5定義了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變送器模塊劃分和接口方案，它將WSN中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為NCAP，普通節(jié)點(diǎn)作為STIM。TIM和NCAP之間通過(guò)藍(lán)牙、Zigbee等無(wú)線技術(shù)連接。（如圖2）
為了使不同接口的傳感器能以統(tǒng)一的接口形式與節(jié)點(diǎn)通信模塊（NCM）連接，我們?cè)趥鞲衅骱屯ㄐ拍K之間定義了傳感器接口模塊SIM（Sensor Interface Module）。它將不同接口形式（包括物理接口和協(xié)議）的傳感器以統(tǒng)一的接口形式與NCM連接，同時(shí)還具有傳感器的探測(cè)識(shí)別、訪問(wèn)應(yīng)答、傳感器管理任務(wù)的響應(yīng)和在某些情況下對(duì)任務(wù)的初始化、響應(yīng)和數(shù)據(jù)管理等功能。為了能正確的識(shí)別各種傳感器型號(hào)和數(shù)據(jù)，我們以一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表TEDS，將各種傳感器的信息（傳感器操作方式、觸發(fā)方式、校正系數(shù)、功能性等）以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在SIM中, 方便NCM對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的識(shí)別和處理。
節(jié)點(diǎn)通信模塊（NCM）是介于傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)之間的微處理器和射頻模塊的組合，具有局部智能化功能，是網(wǎng)絡(luò)通信的接口，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)化的關(guān)鍵。傳感器通過(guò)SIM連接到NCM，再通過(guò)NCM連接到通信網(wǎng)絡(luò)。NCM不僅可以對(duì)來(lái)自SIM 的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，而且還具有針對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理和控制功能，最終按照特定的WSN通信協(xié)議（如IEEE802.15.4、ZigBee、私有協(xié)議等）將數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。
SIM與NCM之間的連接，我們采用UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter, 通用異步收發(fā)器)取代TII。UART是節(jié)點(diǎn)MCU的標(biāo)準(zhǔn)配置,它的硬件簡(jiǎn)單，通信開(kāi)銷(xiāo)小，可以直接使用而不必像GPIO一樣要另行定義。在NCM與SIM通信時(shí)，NCM將SIM看作一個(gè)外部存儲(chǔ)單位，每次對(duì)SIM的訪問(wèn)都是通過(guò)地址訪問(wèn)進(jìn)行的。因此，這就需要在SIM中建立一張地址表，里面的地址共分為兩類(lèi)。一類(lèi)是通道地址，與SIM相連的一個(gè)傳感器就對(duì)應(yīng)一個(gè)通道地址。SIM最多支持255個(gè)通道地址，并且可擴(kuò)展。另一類(lèi)是功能地址，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)一種SIM的操作（見(jiàn)表2）。
功能標(biāo)識(shí)為1表示幀類(lèi)型為命令幀，傳輸方向?yàn)镹CM到SIM。
功能標(biāo)識(shí)為0表示幀類(lèi)型為數(shù)據(jù)幀，傳輸方向?yàn)镾IM到NCM。
3 結(jié)論
IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)將智能傳感器結(jié)構(gòu)分成了NCAP和STIM兩個(gè)部分，并且分別定義了每個(gè)模塊的功能和接口，為智能傳感器的模塊化設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，本文結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，參考IEEE1451的相關(guān)規(guī)定，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器接口提出了自己的認(rèn)識(shí)和理解，提出了一種適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器接口模型，方便了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
作者簡(jiǎn)介：張凌峰，上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子信息工程系，碩士研究生，上海 200072
武文權(quán)，杭州家和智能控制有限公司上海研發(fā)中心，博士，上海 200001
計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)是未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ娜蠹夹g(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合誕生了互聯(lián)網(wǎng)，已成為目前人們工作學(xué)習(xí)必不可少的工具。計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了智能傳感器，使傳統(tǒng)的傳感器具有了“思考”的能力，極大地提高了傳感器的性能。而計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、傳感器三者的結(jié)合讓智能傳感器具備了網(wǎng)絡(luò)通信的能力，從而使傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域變得更加廣泛。
隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器的制作工藝越來(lái)越高，種類(lèi)越來(lái)越多，再加上目前的總線接口多樣，各種總線對(duì)應(yīng)各自不同的應(yīng)用，因此就出現(xiàn)了各個(gè)傳感器制造廠商只生產(chǎn)特定總線接口的傳感器，造成了傳感器接口過(guò)多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性過(guò)大等問(wèn)題。往往一種接口的傳感器只能適用于特定的一種網(wǎng)絡(luò)，換到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中就不能正常使用。目前傳感器的網(wǎng)絡(luò)接口問(wèn)題已成為了制約傳感器廣泛應(yīng)用的瓶頸。為了解決這一問(wèn)題，NIST（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)組織）聯(lián)合IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）提出了解決傳感器接口問(wèn)題的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)——IEEE1451 標(biāo)準(zhǔn)。本文在研究IEEE1451 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)IEEE1451 標(biāo)準(zhǔn)重要概念和模型進(jìn)行分析和總結(jié)。并提出了針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器接口模型。
1 IEEE1451 標(biāo)準(zhǔn)
IEEE 1451 標(biāo)準(zhǔn)的目的是開(kāi)發(fā)一種軟硬件的連接方案，將智能變送器（傳感器和執(zhí)行器的統(tǒng)稱）連接到網(wǎng)絡(luò)用以支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 包括各種現(xiàn)場(chǎng)總線及Internet/Intranet等。通過(guò)定義一整套通用的通信接口，使變送器在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用有線或無(wú)線的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，大大簡(jiǎn)化了由變送器構(gòu)成的各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，解決了不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問(wèn)題，并為最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)變送器廠家產(chǎn)品的互換性與互操作性提供了參考方案。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)是一系列標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)稱，目前包括從1451.0到1451.7共八個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。其中1451.1與1451.2是最早提出的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，也是IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)系列中最重要的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。它們共同構(gòu)成了IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的框架結(jié)構(gòu)，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的提出奠定了理論基礎(chǔ)。
1.1 IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)
IEEE1451.1主要定義了網(wǎng)絡(luò)適配器（Network CapableApplication Processor 簡(jiǎn)稱NCAP[1]）模塊及其信息模型。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊負(fù)責(zé)變送器與外界網(wǎng)絡(luò)的連接，將變送器傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，按照一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送出去。它的主要目的是屏蔽不同變送器數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的差異，使得變送器與網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立。NCAP在硬件上包括微處理器及其輔助電路，網(wǎng)絡(luò)物理層接口和變送器接口。NCAP在邏輯上又可分為應(yīng)用組件，支持組件（操作系統(tǒng)和協(xié)議棧）以及網(wǎng)絡(luò)和變送器模塊的抽象接口。
IEEE1451.1的信息模型針對(duì)NCAP抽象模型而設(shè)計(jì)，它定義了一系列類(lèi)和方法用以描述NCAP與變送器和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通信。主要分為模塊類(lèi)和基類(lèi)。它的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于一個(gè)電腦機(jī)箱。各種不同的模塊類(lèi)代表不同的功能，如同機(jī)箱主板上的插卡可以根據(jù)需要增加或減少。該模型主要包括下面幾種模塊類(lèi)[2]：
物理模塊類(lèi)定義了NCAP模塊中的所有的軟硬件資源信息，包括制造廠商的商標(biāo)，產(chǎn)品的標(biāo)示，廠商所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。它就是一個(gè)基本的類(lèi)庫(kù)。其它類(lèi)的定義都是在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
變送器模塊類(lèi)抽象了與NCAP連接的所有變送器的功能。在系統(tǒng)配置階段，物理模塊類(lèi)使用變送器資源信息創(chuàng)建變送器模塊類(lèi)。
功能模塊類(lèi)規(guī)定了變送器模塊中存放特定應(yīng)用代碼的一個(gè)框架區(qū)。它包含一系列參數(shù)表，用以支持對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。
網(wǎng)絡(luò)模塊類(lèi)抽象了模塊類(lèi)和基類(lèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)。訪問(wèn)機(jī)制采用客戶/服務(wù)器和發(fā)布/訂閱兩種遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用方式。
模塊間的訪問(wèn)必須預(yù)先定義和綁定端口。訪問(wèn)機(jī)制類(lèi)似于TCP/IP應(yīng)用級(jí)接口socket。
1.2 IEEE1451.2
IEEE1451.2 標(biāo)準(zhǔn)，即變送器與微處理器通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格。該標(biāo)準(zhǔn)具體定義了變送器電子數(shù)據(jù)表格TEDS，一個(gè)10 線數(shù)字接口TII 以及智能變送器接口模塊STIM 與NCAP 間的通信協(xié)議，使智能傳感器/執(zhí)行器模塊具有了即插即用能力。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有指定信號(hào)調(diào)理、信號(hào)轉(zhuǎn)換和TEDS 如何應(yīng)用，這些由各變送器制造商自主實(shí)現(xiàn)，以保持各自在性能、質(zhì)量、特性與價(jià)格等方面的競(jìng)爭(zhēng)力。
1.2.1 STIM模塊：IEEE1451.2 定義了一個(gè)智能變送器接口模型STIM(Smart Transducer Interface Model)，它允許任何一個(gè)變送器或一組變送器通過(guò)一個(gè)通用統(tǒng)一的接口來(lái)發(fā)送接收數(shù)據(jù)，任何變送器都可以通過(guò)這個(gè)智能變送器接口模型STIM來(lái)適配1451.2規(guī)定的協(xié)議[4]。圖1表示IEEE1451.2的模塊結(jié)構(gòu)。
圖1 IEEE1451.2的模塊結(jié)構(gòu)圖
1.2.3 數(shù)字接口：NCAP與STIM的連結(jié)是通過(guò)10條信號(hào)線的變送器獨(dú)立接口(TII，transducer independent interface) [3]進(jìn)行的，TII是基于SPI(serial peripheral interface)協(xié)議的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、帶同步時(shí)鐘的串口通信接口, 其硬線連接信號(hào)線主要功能可參考表1。NCAP與STIM之間的基本通信協(xié)議如下：寫(xiě)的時(shí)候，NCAP不停地向DCLK發(fā)送脈沖，并將數(shù)據(jù)讀到DIN信號(hào)線。讀的時(shí)候，NCAP不停地向DCLK發(fā)送脈沖，并在DOUT口尋找數(shù)據(jù)。在所有的通信中，NIOE作為片選信號(hào)告訴STIM數(shù)據(jù)傳輸功能已經(jīng)激活，NACK被STIM用來(lái)確認(rèn)數(shù)據(jù)位和觸發(fā)信號(hào)。
從本文前面的介紹可知，IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)為了實(shí)現(xiàn)智能變送器接口的標(biāo)準(zhǔn)化，首先對(duì)智能變送器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分，將傳統(tǒng)的變送器分為STIM和NCAP兩大模塊。這樣劃分的好處是將變送器數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)通信部分分離開(kāi)來(lái)，方便了研究設(shè)計(jì)者分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。再通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的接口（TII）將兩個(gè)部分連接起來(lái)，為傳感器接口的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化工作提供了一種重要參考方案。
但是，STIM和NCAP的模塊劃分是針對(duì)廣義智能傳感器而言。隨著無(wú)線射頻技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為未來(lái)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的發(fā)展方向。這樣就給智能變送器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的變化。IEEE1451.5定義了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變送器模塊劃分和接口方案，它將WSN中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為NCAP，普通節(jié)點(diǎn)作為STIM。TIM和NCAP之間通過(guò)藍(lán)牙、Zigbee等無(wú)線技術(shù)連接。（如圖2）
圖2 IEEE1451.5中NCAP與TIM模塊劃分
圖3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖
為了使不同接口的傳感器能以統(tǒng)一的接口形式與節(jié)點(diǎn)通信模塊（NCM）連接，我們?cè)趥鞲衅骱屯ㄐ拍K之間定義了傳感器接口模塊SIM（Sensor Interface Module）。它將不同接口形式（包括物理接口和協(xié)議）的傳感器以統(tǒng)一的接口形式與NCM連接，同時(shí)還具有傳感器的探測(cè)識(shí)別、訪問(wèn)應(yīng)答、傳感器管理任務(wù)的響應(yīng)和在某些情況下對(duì)任務(wù)的初始化、響應(yīng)和數(shù)據(jù)管理等功能。為了能正確的識(shí)別各種傳感器型號(hào)和數(shù)據(jù)，我們以一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表TEDS，將各種傳感器的信息（傳感器操作方式、觸發(fā)方式、校正系數(shù)、功能性等）以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在SIM中, 方便NCM對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的識(shí)別和處理。
節(jié)點(diǎn)通信模塊（NCM）是介于傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)之間的微處理器和射頻模塊的組合，具有局部智能化功能，是網(wǎng)絡(luò)通信的接口，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)化的關(guān)鍵。傳感器通過(guò)SIM連接到NCM，再通過(guò)NCM連接到通信網(wǎng)絡(luò)。NCM不僅可以對(duì)來(lái)自SIM 的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，而且還具有針對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理和控制功能，最終按照特定的WSN通信協(xié)議（如IEEE802.15.4、ZigBee、私有協(xié)議等）將數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。
SIM與NCM之間的連接，我們采用UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter, 通用異步收發(fā)器)取代TII。UART是節(jié)點(diǎn)MCU的標(biāo)準(zhǔn)配置,它的硬件簡(jiǎn)單，通信開(kāi)銷(xiāo)小，可以直接使用而不必像GPIO一樣要另行定義。在NCM與SIM通信時(shí)，NCM將SIM看作一個(gè)外部存儲(chǔ)單位，每次對(duì)SIM的訪問(wèn)都是通過(guò)地址訪問(wèn)進(jìn)行的。因此，這就需要在SIM中建立一張地址表，里面的地址共分為兩類(lèi)。一類(lèi)是通道地址，與SIM相連的一個(gè)傳感器就對(duì)應(yīng)一個(gè)通道地址。SIM最多支持255個(gè)通道地址，并且可擴(kuò)展。另一類(lèi)是功能地址，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)一種SIM的操作（見(jiàn)表2）。
圖4 SIM與NCM之間命令/數(shù)據(jù)幀格式
功能標(biāo)識(shí)為1表示幀類(lèi)型為命令幀，傳輸方向?yàn)镹CM到SIM。
功能標(biāo)識(shí)為0表示幀類(lèi)型為數(shù)據(jù)幀，傳輸方向?yàn)镾IM到NCM。
3 結(jié)論
IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)將智能傳感器結(jié)構(gòu)分成了NCAP和STIM兩個(gè)部分，并且分別定義了每個(gè)模塊的功能和接口，為智能傳感器的模塊化設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，本文結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，參考IEEE1451的相關(guān)規(guī)定，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器接口提出了自己的認(rèn)識(shí)和理解，提出了一種適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器接口模型，方便了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
作者簡(jiǎn)介：張凌峰，上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院電子信息工程系，碩士研究生，上海 200072
武文權(quán)，杭州家和智能控制有限公司上海研發(fā)中心，博士，上海 200001
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