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傳感器無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)及實現(xiàn)
摘要：介紹了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的概念、產(chǎn)生背景、特點、構(gòu)件及體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展前景，并探討了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)傳感器的實現(xiàn)，對其實現(xiàn)的問題給出了解決方案。為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設(shè)備無線聯(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的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。802．15．4無線發(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，也吸引了其他標(biāo)準(zhǔn)化組織的注意。IEEEl451工作組已考慮在IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Sensor Networks)。
產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實用可靠及可升級換代是市場的驅(qū)動力。802．15．4主要應(yīng)用于工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和樓宇自動化領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場對象。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需要用戶操作。其應(yīng)用實例包括惡劣。環(huán)境下的檢測，諸如涉及危險的火和化學(xué)物質(zhì)的現(xiàn)場、監(jiān)測以及維護(hù)正在旋轉(zhuǎn)的機(jī)器等。在這些應(yīng)用上，一個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，簡化對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充。
1 802．15．4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點
IEEE802．15．4滿足國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)開放系統(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。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)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。
表1 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)特征
925MHz:40kbps 10
2.4GHz:250kbps 16MAC的控制方式星型網(wǎng)絡(luò)對等網(wǎng)絡(luò)每個網(wǎng)絡(luò)支持節(jié)點數(shù)65536尋址方式64bit IEEE地址
8bit 網(wǎng)絡(luò)地址連接層結(jié)構(gòu)開放式溫度-40℃～-85℃?zhèn)鬏敺秶覂?nèi)：10m速率
250kbps; 0dBm TX室外：30m-75m速率40kbps，300m速率20kbps應(yīng)用傳感器、玩具、控制領(lǐng)域……
物理層：IEEE802．15．4定義了2．4GHz物理層和868／915MHz物理層兩個物理層標(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)一的無需申請的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、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。
868／915MHz物理層使用簡單的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。這兩個頻段的引入避免了2．4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾，且這兩個頻段上的無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機(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)議則依賴于各自的物理層。IEEE802．15．4的MAC層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會聚子層)協(xié)議承載IEEE802．2類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)，同時也允許其他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；預(yù)留時隙管理；廣播信息管理。MAC子層提供兩個服務(wù)與高層聯(lián)系，即通過兩個服務(wù)訪問點(SAP)訪問高層。通過MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪問MAC數(shù)據(jù)服務(wù)，用MAC層管理實體SAP(MLME-SAP)訪問MAC管理服務(wù)。這兩個服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供了一個接口。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)涞男枰瑫r也保證了協(xié)議的簡潔。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-hoe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者的開支和維護(hù)成本。應(yīng)用會聚層將主要負(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)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、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線傳感器的特點：
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)五號電池支持長達(dá)六個月到兩年左右的使用時間。當(dāng)然不同的應(yīng)用
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