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

　?、?IEEE1451.3：包括分布式多點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)字通信與TEDS格式的定義，主要用于點(diǎn)對多點(diǎn)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(diǎn)以該信標(biāo)幀作為同步信號，實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的同步。非信標(biāo)傳輸模式采用CSMA/CA機(jī)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?yàn)镸AC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(yàn)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。