引言

　　計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ娜蠹夹g(shù)。計算機技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合誕生了互聯(lián)網(wǎng)，已成為目前人們工作學(xué)習(xí)必不可少的工具。計算機和傳感器技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了智能傳感器，使傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)、傳感器三者的結(jié)合讓智能傳感器具備了網(wǎng)絡(luò)通信的能力，從而使傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域變得更加廣泛。

　　隨著傳感器技術(shù)的發(fā)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(yīng)各自不同的應(yīng)用，因此就出現(xiàn)了各個傳感器制造廠商只生產(chǎn)特定總線接口的傳感器，造成了傳感器接口過多，對網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，換到另一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中就不能正常使用。目前傳感器的網(wǎng)絡(luò)接口問題已成為了制約傳感器廣泛應(yīng)用的瓶頸。為了解決這一問題，NIST（美國國家標準技術(shù)組織）聯(lián)合IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會）提出了解決傳感器接口問題的規(guī)范標準——IEEE1451 標準。本文在研究IEEE1451 標準的基礎(chǔ)上，對IEEE1451 標準重要概念和模型進行分析和總結(jié)。并提出了針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器接口模型。

　　1 IEEE1451 標準

　　IEEE 1451 標準的目的是開發(fā)一種軟硬件的連接方案，將智能變送器（傳感器和執(zhí)行器的統(tǒng)稱）連接到網(wǎng)絡(luò)用以支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 包括各種現(xiàn)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(xiàn)場級采用有線或無線的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，大大簡化了由變送器構(gòu)成的各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，解決了不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題，并為最終實現(xiàn)各個變送器廠家產(chǎn)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(tǒng)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(gòu)成了IEEE1451標準的框架結(jié)構(gòu)，為后續(xù)標準的提出奠定了理論基礎(chǔ)。

　　1.1 IEEE1451.1標準

　　IEEE1451.1主要定義了網(wǎng)絡(luò)適配器（Network CapableApplication Processor 簡稱NCAP[1]）模塊及其信息模型。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊負責(zé)變送器與外界網(wǎng)絡(luò)的連接，將變送器傳輸來的數(shù)據(jù)，按照一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送出去。它的主要目的是屏蔽不同變送器數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的差異，使得變送器與網(wǎng)絡(luò)相對獨立。NCAP在硬件上包括微處理器及其輔助電路，網(wǎng)絡(luò)物理層接口和變送器接口。NCAP在邏輯上又可分為應(yīng)用組件，支持組件（操作系統(tǒng)和協(xié)議棧）以及網(wǎng)絡(luò)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(shè)計，它定義了一系列類和方法用以描述NCAP與變送器和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通信。主要分為模塊類和基類。它的結(jié)構(gòu)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(jù)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(chǎn)品的標示，廠商所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。它就是一個基本的類庫。其它類的定義都是在它的基礎(chǔ)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(tǒng)配置階段，物理模塊類使用變送器資源信息創(chuàng)建變送器模塊類。
　　功能模塊類規(guī)定了變送器模塊中存放特定應(yīng)用代碼的一個框架區(qū)。它包含一系列參數(shù)表，用以支持對內(nèi)部數(shù)據(jù)的遠程網(wǎng)絡(luò)訪問。
　　網(wǎng)絡(luò)模塊類抽象了模塊類和基類對網(wǎng)絡(luò)的訪問。訪問機制采用客戶/服務(wù)器和發(fā)布/訂閱兩種遠程過程調(diào)用方式。
　　模塊間的訪問必須預(yù)先定義和綁定端口。訪問機制類似于TCP/IP應(yīng)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(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格。該標準具體定義了變送器電子數(shù)據(jù)表格TEDS，一個10 線數(shù)字接口TII 以及智能變送器接口模塊STIM 與NCAP 間的通信協(xié)議，使智能傳感器/執(zhí)行器模塊具有了即插即用能力。這個標準沒有指定信號調(diào)理、信號轉(zhuǎn)換和TEDS 如何應(yīng)用，這些由各變送器制造商自主實現(xiàn)，以保持各自在性能、質(zhì)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(tǒng)一的接口來發(fā)送接收數(shù)據(jù)，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(guī)定的協(xié)議[4]。圖1表示IEEE1451.2的模塊結(jié)構(gòu)。

圖1 IEEE1451.2的模塊結(jié)構(gòu)圖

　　1.2.2 變送器電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)：TEDS全稱變送器電子數(shù)據(jù)表格，是IEEE1451.2標準的核心。它是STIM內(nèi)部的一個寫有特定電子格式的內(nèi)存區(qū)，用于描述STIM自身以及與之相連接的傳感器或執(zhí)行器，提供對廣大范圍傳感器或執(zhí)行器的支持，并具有自動識別這些傳感器或執(zhí)行器的能力。TEDS完整詳細地描述了它支持的傳感器和執(zhí)行器的類型、操作和屬性。TEDS內(nèi)存被分為8個域，每個域分別描述了STIM的不同方面。TEDS應(yīng)包含的信息有廠商信息、模塊編號、版本信息、產(chǎn)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(shù)據(jù)。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(fā)新的驅(qū)動程序，實現(xiàn)真正意義上的即插即用。

　　1.2.3 數(shù)字接口：NCAP與STIM的連結(jié)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(xié)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(xié)議如下：寫的時候，NCAP不停地向DCLK發(fā)送脈沖，并將數(shù)據(jù)讀到DIN信號線。讀的時候，NCAP不停地向DCLK發(fā)送脈沖，并在DOUT口尋找數(shù)據(jù)。在所有的通信中，NIOE作為片選信號告訴STIM數(shù)據(jù)傳輸功能已經(jīng)激活，NACK被STIM用來確認數(shù)據(jù)位和觸發(fā)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(xiàn)智能變送器接口的標準化，首先對智能變送器的結(jié)構(gòu)進行了劃分，將傳統(tǒng)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(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)通信部分分離開來，方便了研究設(shè)計者分別對各個模塊進行研究和設(shè)計。再通過一個統(tǒng)一的接口（TII）將兩個部分連接起來，為傳感器接口的統(tǒng)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(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為未來智能傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的發(fā)展方向。這樣就給智能變送器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了新的變化。IEEE1451.5定義了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變送器模塊劃分和接口方案，它將WSN中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為NCAP，普通節(jié)點作為STIM。TIM和NCAP之間通過藍牙、Zigbee等無線技術(shù)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境分別定義了節(jié)點級的STIM和NCAP。NCAP和STIM的接口變成了節(jié)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(jié)點，包括節(jié)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(wǎng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)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(shè)計整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，這樣做是不現(xiàn)實的。為了降低成本，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器接口的標準化，我們對WSN節(jié)點的結(jié)構(gòu)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(jié)點通信模塊（Node Communication Module簡稱NCM）（圖3）。在節(jié)點內(nèi)部實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信功能的分離，并定義了一個統(tǒng)一的接口連接這兩個功能模塊。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

　　傳感器是網(wǎng)絡(luò)獲取外界環(huán)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(shù)字接口如RS232、RS485、SPI，再從簡單的數(shù)字接口發(fā)展為現(xiàn)場總線接口，例如CAN，Lon, Profibus，Ethernet，F(xiàn)ieldbus Foundation，HART等等。各個傳感器生產(chǎn)廠商遵循各自的接口標準生產(chǎn)。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(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式輸出數(shù)據(jù)給NCAP。這里我們考慮到實際應(yīng)用中傳感器接口的不同，將STIM模塊具體化，把節(jié)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(xiàn)提供了方便。

　　為了使不同接口的傳感器能以統(tǒng)一的接口形式與節(jié)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(xié)議）的傳感器以統(tǒng)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(yīng)答、傳感器管理任務(wù)的響應(yīng)和在某些情況下對任務(wù)的初始化、響應(yīng)和數(shù)據(jù)管理等功能。為了能正確的識別各種傳感器型號和數(shù)據(jù)，我們以一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表TEDS，將各種傳感器的信息（傳感器操作方式、觸發(fā)方式、校正系數(shù)、功能性等）以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式存儲在SIM中, 方便NCM對傳感器數(shù)據(jù)的識別和處理。

　　節(jié)點通信模塊（NCM）是介于傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信的接口，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)化的關(guān)鍵。傳感器通過SIM連接到NCM，再通過NCM連接到通信網(wǎng)絡(luò)。NCM不僅可以對來自SIM 的傳感器的數(shù)據(jù)進行校正，而且還具有針對特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理和控制功能，最終按照特定的WSN通信協(xié)議（如IEEE802.15.4、ZigBee、私有協(xié)議等）將數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點。

　　SIM與NCM之間的連接，我們采用UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter, 通用異步收發(fā)器)取代TII。UART是節(jié)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(yīng)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(yīng)一種SIM的操作（見表2）。

　　SIM與NCM之間的通信協(xié)議：NCM向SIM發(fā)送一個命令幀（幀格式如圖4所示），命令幀的內(nèi)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(yīng)的通道傳感器和通道命令，觸發(fā)相應(yīng)的傳感器工作，并將傳感器數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送給NCM（幀格式如圖4所示）。

圖4 SIM與NCM之間命令/數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀，傳輸方向為SIM到NCM。

　　3 結(jié)論

　　IEEE1451標準將智能傳感器結(jié)構(gòu)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(shè)計提供了可靠的依據(jù)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，參考IEEE1451的相關(guān)規(guī)定，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的傳感器接口模型，方便了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

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