基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的無線變送器模塊的設(shè)計

摘要: IEEE1451協(xié)議可以解決不同智能傳感器之間的互操作性和互換性等問題。本文選擇ZigBee作為底層通信協(xié)議，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了無線變送器接口模塊(Wireless Transducer Interface Module,WTIM)，并通過該模塊實現(xiàn)基于IEEE1451的數(shù)據(jù)傳送和信息交換。

　　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）和美國國家標(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，并最終實現(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。

　?、?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。

　?、?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。

　?、?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?jǐn)?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，通過指定的無線通信協(xié)議在無線變送器接口模塊(WTIM)和NCAP進(jìn)行通信。目前支持WiFi、藍(lán)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(lán)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(fù)責(zé)將NWK層發(fā)送來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，并向下發(fā)送給PHY層，并對PHY層發(fā)送上來的幀進(jìn)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。

　　2.4  ZigBee協(xié)議的APS層

　　應(yīng)用層包括應(yīng)用支持層(APS)、應(yīng)用框架(AF)和ZigBee設(shè)備對象。

　　支持層(APS)：主要包括APS層協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的處理、APS數(shù)據(jù)傳輸機制和節(jié)點間的應(yīng)用對象綁定。

　　應(yīng)用框架(AF)：為各個用戶自定義的應(yīng)用對象提供了模板式的活動空間，為每個應(yīng)用對象提供了鍵值對服務(wù)和報文服務(wù)供數(shù)據(jù)傳輸使用。

　　ZigBee設(shè)備對象：主要包括設(shè)備服務(wù)發(fā)現(xiàn)。

　　3  系統(tǒng)設(shè)計

　　本文設(shè)計了WTIM模塊。該模塊用于采集和處理數(shù)據(jù)，并通過SPZB260模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給NCAP，同時實現(xiàn)了TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）、IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)。SPZB260是專門用于嵌入式開發(fā)的低功耗ZigBee模塊。

　　3.1  WTIM模塊

　　WTIM模塊主要包括STM32F103C微控制器、SPZB260模塊、信號調(diào)理器和傳感器。其架構(gòu)圖如圖3所示。其中，SPZB260模塊是與NCAP通信的模塊。

圖3  WTIM模塊架構(gòu)圖

　　ADC在數(shù)據(jù)采樣中，使用了一階濾波算法：Y(n)=αX(n) (1-α)+Y(n-1)。式中：α為濾波系數(shù)；X(n)為本次采樣值；Y(n-1)為上次濾波輸出值；Y(n)為本次濾波輸出值。

　　3.2  TEDS

　　IEEE1451每一層中都有與之對應(yīng)的TEDS。本文實現(xiàn)了PHYTEDS、MetaTEDS和TransducerChannel TEDS。其通用格式為：

　　structXXX_TEDS {

　　UInt32 TEDSlength;

　　TLV;

　　……

　　TLV;

　　UInt16 Checksum;

　　}

　　TEDSlength：XXX_TEDS結(jié)構(gòu)體中除了TEDSlength之外所有字段的長度和。

　　TLV：一種包含類型(Type)、長度(Length)、值(Value)三個字段的結(jié)構(gòu)體。

　　Type：XXX_TEDS各個TLV的ID。對于不同的TEDS，即使TLV的ID相同，代表的實際意義也不同。

　　Length：表示TLV結(jié)構(gòu)體中Value字段的長度。

　　Value：該字段填充的是具體的TEDS信息。

　　Checkum：提供了對XXX_TEDS中之前字段（包括TEDSlength和所有TLV字段）的校驗和。

　　校驗和計算公式如下：Checksum=0xFFFF-∑TEDSlength+2i=1TEDSOctet(i)

　　3.3  IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)

　　IEEE1451支持3類無線通信協(xié)議，本文中實現(xiàn)的是ZigBee協(xié)議。IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)中的ZigBee協(xié)議定義了模塊功能、接口函數(shù)，以及NCAP和WTIM之間的無線通信協(xié)議。其定義的協(xié)議棧如圖4所示。

圖4  IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧

　　PHY層、MAC層、NWK層由SPZB260提供。本文中需要實現(xiàn)APS層和IEEE1451.5會聚層。

　　APS層采用的是EZSP協(xié)議，可通過SPI接口實現(xiàn)。在WTIM模塊中，STM32F103C與SPZB260之間通過SPI進(jìn)行通信，其中STM32F103C配置為SPI主設(shè)備，SPZB260配置為從設(shè)備。EZSP作為IEEE1451?5會聚層的應(yīng)用支持層（APS），以NCAP為協(xié)調(diào)器的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，如圖5所示。

圖5  IEEE1451.5的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　IEEE1451?5會聚層定義了IEEE1451?5和IEEE1451?0之間的模塊通信接口。其中，一部分接口由IEEE1451.5系統(tǒng)提供，被IEEE1451.0調(diào)用；另一部分由IEEE1451.0提供。

　　4  測試與結(jié)論

　　在測試中，針對的是溫度傳感器和濕度傳感器。測試WTIM節(jié)點分為兩個，每個節(jié)點上都有一個溫度傳感器和濕度傳感器。其中，WTIM1放在正常環(huán)境下，另一個節(jié)點WTIM2放置于一個裝滿水的容器上方。NCAP通過ZigBee與兩個節(jié)點進(jìn)行通信，并可以通過主機監(jiān)控。測試時以10 Hz的頻率進(jìn)行采樣，其結(jié)果如圖6所示。

圖6  WTIM1的溫濕度數(shù)據(jù)

　　測試結(jié)果表明，WTIM節(jié)點能正常獲取數(shù)據(jù)，并發(fā)送給NCAP，使得NCAP能夠正確地獲得各節(jié)點與響應(yīng)通道的信息，實現(xiàn)了無線變送器的功能。