引言

　　隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展,，基于各種現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)的分布式測量和控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。這些系統(tǒng)采用了多種控制總線,，如CAN,、 LONWORKS、FROFIBUS,、HATR,、FF等。這些不同的總線標(biāo)準(zhǔn)都有自己的協(xié)議格式,，相互之間不兼容,，給系統(tǒng)的擴展帶來很多不便。

　　鑒于此,，國際電子電氣工程師協(xié)會(IEEE)和美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)聯(lián)合推出IEEE1451標(biāo)準(zhǔn),，解決了各種不同標(biāo)準(zhǔn)的總線接口兼容性問題，提高了各個不同廠家產(chǎn)品的互換性和互操作性,。

　　1 IEEE1451協(xié)議

　　IEEE和NIST推出的IEEE1451標(biāo)準(zhǔn),，通過定義一整套通用的通信接口來解決不同網(wǎng)之間的兼容性問題，并實現(xiàn)各個廠家的產(chǎn)品的互換和互操作,。其協(xié)議簇體系結(jié)構(gòu)和關(guān)系如圖1所示,。根據(jù)IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)智能傳感器分成兩大模塊,。

　　圖1 IEEE1451協(xié)議整體架構(gòu)

　　(1) NCAP(網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器)模塊

　　該模塊主要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信,、TIM通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能,。IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)定義了它的實體模型,。NCAP是標(biāo)準(zhǔn)變送器總線與專用網(wǎng)絡(luò)總線之間的接口。這一部分與微處理器集成在一起,，在網(wǎng)絡(luò)化傳感器中起“大腦"的作用。NCAP還支持熱插拔功能,。

　　(2) TIM(智能變送器)模塊

　　根據(jù)和NCAP之間連接的方式,，可以有多種不同功能的TIM,。一個TIM可以支持單個或多個不同的通道，它既可以與傳感器連接,，也可以與執(zhí)行器連接,。

　　① IEEE1451.0：該層標(biāo)準(zhǔn)包括通用功能,、通信協(xié)議以及電子數(shù)據(jù)表格(TEDS FORMATS),。IEEE1451.0通過定義基本命令設(shè)置和通信協(xié)議接口，為不同的物理層提供通用,、簡單的標(biāo)準(zhǔn),，從而加強這些標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性。

　?、?IEEE1451.1：針對現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，定義了從智能變送器到網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)連接的方法，使用面向?qū)ο蟮乃枷霝榫W(wǎng)絡(luò)化的智能變送器定義了一個標(biāo)準(zhǔn)的對象模型,，并且為該模型的每一個類定義了軟件接口,。

　　③ IEEE1451.2：定義了傳感器和微處理器之間的連接的數(shù)字接口TII,。其定義了電子數(shù)據(jù)表格以及數(shù)據(jù)格式,，還定義了一系列的讀寫命令，包括讀寫電子數(shù)據(jù)表格,、讀取傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)置執(zhí)行器數(shù)據(jù)等,。

　　④ IEEE1451.3：包括分布式多點系統(tǒng)數(shù)字通信與TEDS格式的定義,，主要用于點對多點分布式智能傳感器系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)采集與通信,。

　　⑤ IEEE1451.4：包含混合模式通信協(xié)議與TEDS格式的定義,。其主要針對已存在的模擬量變送器通信協(xié)議,，一方面支持數(shù)字接口對TEDS數(shù)據(jù)的讀寫，另一方面支持模擬接口對現(xiàn)場儀器的測量,。

　?、?IEEE1451.5：定義智能傳感器的無線通信接口，通過的無線通信協(xié)議在無線變送器接口模塊(WTIM)和NCAP進行通信,。目前支持WiFi,、藍牙、ZigBee協(xié)議,。IEEE1451.5也定義與無線通信協(xié)議相關(guān)的TEDS,。

　　2 無線通信協(xié)議

　　IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)為使用不同通信協(xié)議的無線傳感器提供一個統(tǒng)一的接口，不是開發(fā)一種新的無線通信技術(shù)，而是采用已經(jīng)成熟的無線通信技術(shù)作為接口標(biāo)準(zhǔn),。IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)提議了3種無線通信方式：WiFi,、藍牙和ZigBee。本論文中采用的是ZigBee協(xié)議,，其主要包括IEEE 802.15.4的PHY層和MAC層,，以及ZigBee的NWK層和APS層。

　　2.1 IEEE 802.15.4的PHY層

　　PHY層采用DSSS技術(shù),，不同的載波行道提供不同的傳輸速率,，2.4 GHz提供250 kbps傳輸速率。PHY層用來在兩個設(shè)備之間提供透明的比特流傳輸,。其主要功能包括：信道選擇和信道能量檢測,、空閑信道*估、無線信道數(shù)據(jù)收發(fā),、接收包鏈路質(zhì)量,。

　　2.2 IEEE 802.15.4的 MAC層

　　MAC層負責(zé)將NWK層發(fā)送來的數(shù)據(jù)包進行封裝，并向下發(fā)送給PHY層,，并對PHY層發(fā)送上來的幀進行分解,，將分解后的數(shù)據(jù)包向上發(fā)送給NWK層。

　　MAC層提供了信標(biāo)和非信標(biāo)兩種傳輸模式,。其中,，信標(biāo)傳輸模式通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以一定的時間間隔向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點以該信標(biāo)幀作為同步信號,，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的同步,。非信標(biāo)傳輸模式采用CSMA/CA機制避免傳輸碰撞。

　　MAC層的主要功能為MPDU數(shù)據(jù)處理,。其幀格式包括幀頭,、MAC凈荷和幀尾3個部分。 幀頭中的幀控制域提供了幀類型,、安全使能,、目標(biāo)地址模式、源地址模式等相關(guān)控制信息,。MAC凈荷域為MAC層的有效數(shù)據(jù),，即NWK數(shù)據(jù)包。幀尾為幀頭和 MAC幀凈荷域的16位CRC校驗序列,。

　　2.3 ZigBee協(xié)議的NWK層

　　圖2 NWK幀格式

　　ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY層基礎(chǔ)上制定了NWK層協(xié)議,。其主要功能包括：網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元處理、組網(wǎng)管理和路由功能,。NWK幀格式如圖2所示,。