無線傳感器網絡的傳感器接口研究

　　引言

　　計算機技術、通信技術和傳感器技術是未來最具發展潛力的三大技術。計算機技術與通信技術的結合誕生了互聯網，已成為目前人們工作學習必不可少的工具。計算機和傳感器技術的結合產生了智能傳感器，使傳統的傳感器具有了“思考”的能力，極大地提高了傳感器的性能。而計算機、網絡、傳感器三者的結合讓智能傳感器具備了網絡通信的能力，從而使傳感器技術的應用領域變得更加廣泛。

　　隨著傳感器技術的發展，傳感器的制作工藝越來越高，種類越來越多，再加上目前的總線接口多樣，各種總線對應各自不同的應用，因此就出現了各個傳感器制造廠商只生產特定總線接口的傳感器，造成了傳感器接口過多，對網絡的依賴性過大等問題。往往一種接口的傳感器只能適用于特定的一種網絡，換到另一個網絡環境中就不能正常使用。目前傳感器的網絡接口問題已成為了制約傳感器廣泛應用的瓶頸。為了解決這一問題，NIST（美國國家標準技術組織）聯合IEEE（電氣與電子工程師協會）提出了解決傳感器接口問題的規范標準——IEEE1451 標準。本文在研究IEEE1451 標準的基礎上，對IEEE1451 標準重要概念和模型進行分析和總結。并提出了針對無線傳感器網絡的傳感器接口模型。

　　1 IEEE1451 標準

　　IEEE 1451 標準的目的是開發一種軟硬件的連接方案，將智能變送器（傳感器和執行器的統稱）連接到網絡用以支持現有的各種網絡技術， 包括各種現場總線及Internet/Intranet等。通過定義一整套通用的通信接口，使變送器在現場級采用有線或無線的方式實現網絡連接，大大簡化了由變送器構成的各種網絡控制系統，解決了不同網絡之間的兼容性問題，并為最終實現各個變送器廠家產品的互換性與互操作性提供了參考方案。IEEE1451標準是一系列標準的統稱，目前包括從1451.0到1451.7共八個標準。其中1451.1與1451.2是最早提出的兩個標準，也是IEEE1451標準系列中最重要的兩個標準。它們共同構成了IEEE1451標準的框架結構，為后續標準的提出奠定了理論基礎。

　　1.1 IEEE1451.1標準

　　IEEE1451.1主要定義了網絡適配器（Network CapableApplication Processor 簡稱NCAP[1]）模塊及其信息模型。網絡適配器模塊負責變送器與外界網絡的連接，將變送器傳輸來的數據，按照一定的網絡協議發送出去。它的主要目的是屏蔽不同變送器數據對網絡的差異，使得變送器與網絡相對獨立。NCAP在硬件上包括微處理器及其輔助電路，網絡物理層接口和變送器接口。NCAP在邏輯上又可分為應用組件，支持組件（操作系統和協議棧）以及網絡和變送器模塊的抽象接口。

　　IEEE1451.1的信息模型針對NCAP抽象模型而設計，它定義了一系列類和方法用以描述NCAP與變送器和網絡環境的通信。主要分為模塊類和基類。它的結構類似于一個電腦機箱。各種不同的模塊類代表不同的功能，如同機箱主板上的插卡可以根據需要增加或減少。該模型主要包括下面幾種模塊類[2]：

　　物理模塊類定義了NCAP模塊中的所有的軟硬件資源信息，包括制造廠商的商標，產品的標示，廠商所定義的數據結構等。它就是一個基本的類庫。其它類的定義都是在它的基礎上進行。

　　變送器模塊類抽象了與NCAP連接的所有變送器的功能。在系統配置階段，物理模塊類使用變送器資源信息創建變送器模塊類。
　　功能模塊類規定了變送器模塊中存放特定應用代碼的一個框架區。它包含一系列參數表，用以支持對內部數據的遠程網絡訪問。
　　網絡模塊類抽象了模塊類和基類對網絡的訪問。訪問機制采用客戶/服務器和發布/訂閱兩種遠程過程調用方式。
　　模塊間的訪問必須預先定義和綁定端口。訪問機制類似于TCP/IP應用級接口socket。

　　1.2 IEEE1451.2

　　IEEE1451.2 標準，即變送器與微處理器通信協議和變送器電子數據表格。該標準具體定義了變送器電子數據表格TEDS，一個10 線數字接口TII 以及智能變送器接口模塊STIM 與NCAP 間的通信協議，使智能傳感器/執行器模塊具有了即插即用能力。這個標準沒有指定信號調理、信號轉換和TEDS 如何應用，這些由各變送器制造商自主實現，以保持各自在性能、質量、特性與價格等方面的競爭力。

　　1.2.1 STIM模塊：IEEE1451.2 定義了一個智能變送器接口模型STIM(Smart Transducer Interface Model)，它允許任何一個變送器或一組變送器通過一個通用統一的接口來發送接收數據，任何變送器都可以通過這個智能變送器接口模型STIM來適配1451.2規定的協議[4]。圖1表示IEEE1451.2的模塊結構。

圖1 IEEE1451.2的模塊結構圖

　　1.2.2 變送器電子數據表格(TEDS)：TEDS全稱變送器電子數據表格，是IEEE1451.2標準的核心。它是STIM內部的一個寫有特定電子格式的內存區，用于描述STIM自身以及與之相連接的傳感器或執行器，提供對廣大范圍傳感器或執行器的支持，并具有自動識別這些傳感器或執行器的能力。TEDS完整詳細地描述了它支持的傳感器和執行器的類型、操作和屬性。TEDS內存被分為8個域，每個域分別描述了STIM的不同方面。TEDS應包含的信息有廠商信息、模塊編號、版本信息、產品序列號、靈敏度、測量范圍、物理單位、傳輸功能、輸出范圍、校準信息以及用戶數據。有了這些信息，每當有新的變送器接入時，STIM就會利用TEDS中存儲的這些信息對它們進行自動識別，不用再為它們開發新的驅動程序，實現真正意義上的即插即用。

　　1.2.3 數字接口：NCAP與STIM的連結是通過10條信號線的變送器獨立接口(TII，transducer independent interface) [3]進行的，TII是基于SPI(serial peripheral interface)協議的點對點、帶同步時鐘的串口通信接口, 其硬線連接信號線主要功能可參考表1。NCAP與STIM之間的基本通信協議如下：寫的時候，NCAP不停地向DCLK發送脈沖，并將數據讀到DIN信號線。讀的時候，NCAP不停地向DCLK發送脈沖，并在DOUT口尋找數據。在所有的通信中，NIOE作為片選信號告訴STIM數據傳輸功能已經激活，NACK被STIM用來確認數據位和觸發信號。

　　2 WSN 的傳感器接口

　　從本文前面的介紹可知，IEEE1451標準為了實現智能變送器接口的標準化，首先對智能變送器的結構進行了劃分，將傳統的變送器分為STIM和NCAP兩大模塊。這樣劃分的好處是將變送器數據采集部分和數據信息的網絡通信部分分離開來，方便了研究設計者分別對各個模塊進行研究和設計。再通過一個統一的接口（TII）將兩個部分連接起來，為傳感器接口的統一和標準化工作提供了一種重要參考方案。

　　但是，STIM和NCAP的模塊劃分是針對廣義智能傳感器而言。隨著無線射頻技術、嵌入式計算機技術、無線通信網絡技術的發展，無線傳感器網絡將成為未來智能傳感器網絡主要的發展方向。這樣就給智能變送器模塊的結構設計帶來了新的變化。IEEE1451.5定義了一種無線傳感器網絡的變送器模塊劃分和接口方案，它將WSN中的網關節點作為NCAP，普通節點作為STIM。TIM和NCAP之間通過藍牙、Zigbee等無線技術連接。（如圖2）

圖2 IEEE1451.5中NCAP與TIM模塊劃分

　　IEEE1451.5標準針對WSN的網絡環境分別定義了節點級的STIM和NCAP。NCAP和STIM的接口變成了節點間無線通信的接口。這也就意味著更換一個STIM，就必須更換整個節點，包括節點的通信部分。顯然這樣做帶來的成本開銷是巨大的，尤其是在無線傳感網的產業發展初期，要連接既有接口的各種傳感器，如果針對一種傳感器就要重新設計整個無線傳感器網絡的節點，這樣做是不現實的。為了降低成本，實現無線傳感器網絡中傳感器接口的標準化，我們對WSN節點的結構進行了劃分，定義了傳感器，傳感器接口模塊（Sensor Interface Module簡稱SIM）和節點通信模塊（Node Communication Module簡稱NCM）（圖3）。在節點內部實現了傳感器數據采集和網絡通信功能的分離，并定義了一個統一的接口連接這兩個功能模塊。

圖3 無線傳感器網絡節點結構圖

　　傳感器是網絡獲取外界環境信息的橋梁。它的接口形式多種多樣，從早期的模擬接口（比如4-20mA或0-5V或PWM輸出）到數字接口如RS232、RS485、SPI，再從簡單的數字接口發展為現場總線接口，例如CAN，Lon, Profibus，Ethernet，Fieldbus Foundation，HART等等。各個傳感器生產廠商遵循各自的接口標準生產。在IEEE1451標準中傳感器屬于STIM模塊，各種不同種類的傳感器通過連接到STIM模塊以統一的數據格式輸出數據給NCAP。這里我們考慮到實際應用中傳感器接口的不同，將STIM模塊具體化，把節點中的傳感器作為一個獨立模塊考慮，為傳感器即插即用功能的實現提供了方便。

　　為了使不同接口的傳感器能以統一的接口形式與節點通信模塊（NCM）連接，我們在傳感器和通信模塊之間定義了傳感器接口模塊SIM（Sensor Interface Module）。它將不同接口形式（包括物理接口和協議）的傳感器以統一的接口形式與NCM連接，同時還具有傳感器的探測識別、訪問應答、傳感器管理任務的響應和在某些情況下對任務的初始化、響應和數據管理等功能。為了能正確的識別各種傳感器型號和數據，我們以一個統一的數據表TEDS，將各種傳感器的信息（傳感器操作方式、觸發方式、校正系數、功能性等）以統一的數據格式存儲在SIM中, 方便NCM對傳感器數據的識別和處理。

　　節點通信模塊（NCM）是介于傳感器和通信網絡之間的微處理器和射頻模塊的組合，具有局部智能化功能，是網絡通信的接口，也是傳感器網絡化的關鍵。傳感器通過SIM連接到NCM，再通過NCM連接到通信網絡。NCM不僅可以對來自SIM 的傳感器的數據進行校正，而且還具有針對特定應用的數據處理和控制功能，最終按照特定的WSN通信協議（如IEEE802.15.4、ZigBee、私有協議等）將數據發送給主節點。

　　SIM與NCM之間的連接，我們采用UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter, 通用異步收發器)取代TII。UART是節點MCU的標準配置,它的硬件簡單，通信開銷小，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，NCM將SIM看作一個外部存儲單位，每次對SIM的訪問都是通過地址訪問進行的。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。一類是通道地址，與SIM相連的一個傳感器就對應一個通道地址。SIM最多支持255個通道地址，并且可擴展。另一類是功能地址，每個地址對應一種SIM的操作（見表2）。

　　SIM與NCM之間的通信協議：NCM向SIM發送一個命令幀（幀格式如圖4所示），命令幀的內容主要包括通道地址和功能地址。SIM收到命令幀，讀取其中的通道地址和功能地址，并對照地址表找到對應的通道傳感器和通道命令，觸發相應的傳感器工作，并將傳感器數據以數據幀的格式發送給NCM（幀格式如圖4所示）。

圖4 SIM與NCM之間命令/數據幀格式

　　備注：
　　功能標識為1表示幀類型為命令幀，傳輸方向為NCM到SIM。
　　功能標識為0表示幀類型為數據幀，傳輸方向為SIM到NCM。

　　3 結論

　　IEEE1451標準將智能傳感器結構分成了NCAP和STIM兩個部分，并且分別定義了每個模塊的功能和接口，為智能傳感器的模塊化設計提供了可靠的依據。隨著無線傳感器網絡的發展，本文結合無線傳感器網絡的特點，參考IEEE1451的相關規定，對無線傳感器網絡的傳感器接口提出了自己的認識和理解，提出了一種適合于無線傳感器網絡的傳感器接口模型，方便了無線傳感器網絡節點的設計和產業應用。

　　作者簡介：張凌峰，上海大學通信與信息工程學院電子信息工程系，碩士研究生，上海 200072
　　武文權，杭州家和智能控制有限公司上海研發中心，博士，上海 200001