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第6章WSN协议技术标准•学习目标•掌握IEEE1451系列标准•了解IEEE802.15.4标准•了解物理层•了解MAC子层•了解符合lEEE802.15.4标准的传感器网络实例•了解ZigBee协议栈原理•了解蓝牙(Bluetooth)•了解WIFI技术•了解UWB容•了解红外线数据传输技术（IrDA）•了解各种短距离无线通信技术特点6.1技术标准的意义在传感器网络标准方面，目前国际上已有的标准主要是ZigBee、802.15.4、超宽带(UltraWideband，UWB)，这些标准的频段各不相同，且都是针对某些行业、某些领域的作用范围较小的标准。6.2IEEE1451系列标准1．IEEE1451标准的诞生目前市场上在通信方面所遵循的标准主要包括IEEE803.2(以太网)、IEEE802.4(令牌总线)、IEEEFDDI(光纤布式数据界面)、TCP/IP(传输控制协议/互联协议)等，以此来连接各种变送器(包括传感器和执行器)，要求所选的传感器/执行器必须符合上述标准总线的有关规定。一般说来，这类测控系统的构成都可以采用如图1所示的结构来描述。一种分布式测控系统结构的示例1．IEEE1451标准的诞生图1简单地表示了一种分布式测量和控制系统的典型应用事例，是目前市场上比较常见的现场总线系统结构图。对传感器/执行器的生产厂家来说，希望自己的产品得到更大的市场份额；对于系统集成开发商来说，必须充分了解各种总线标准的优缺点；对于用户来说，经常根据需要来扩展系统的功能；对于智能网络化传感器接口内部标准和软硬件结构，IEEE1451标准中都作出了详细的规定。IEEE1451标准将传感器分成两层模块结构：第一层模块结构用来运行网络协议和应用硬件，称为“网络适配器”(NetworkCapableAppllcationProcessor，NCAP)；第二层模块为“智能变送器接口模块”(SmartTransducerInterfaceModule，STIM)，其中包括变送器和电子数据表格TEDS。2．IEEE1451标准的发展历程在1994年3月，美国国家标准技术协会和IEEE共同组织一次关于制定智能传感器接口和智能传感器连接网络通用标准的研讨会。在1995年4月，成立了两个专门的技术委员会，即P1451.1工作组和P1451.2工作组。IEEE1451.1标准在1999年6月通过IEEE的审核批准。IEEE1451.2标准在1997年9月通过IEEE的审核批准。IEEE1451.3标准称为分布式多点系统数字通信和变送器电子数据表格式，在2003年9月被IEEE核准。IEEE1451.4标准称为混合模式通信协议和变送器电子数据表格式，在2004年3月通过了IEEE的认可。3．IEEE1451标准的发展动向IEEE1451.5提议标准主要是为智能传感器的连接提供无线解决方案，尽量减少有线传输介质的使用。需要指出的是，IEEE1451.5提议标准描述的是智能传感器与NCAP模块之间的无线连接，并不是指NCAP模块与网络之间无线连接。IEEE1451.5提议标准的工作重点在于制定无线数据通信过程中的通信数据模型和通信控制模型。它主要包括两个内容：一是为变送器通信定义一个通用的服务质量(QualityofService，QoS)机制，能够对任何无线电技术进行映射服务；另外是对于每种无线发送技术都有一个映射层，用来把无线发送具体配置参数映射到QoS机制。6.3IEEE802.15.4标准6.3.1IEEE802.15.4标准概述IEEE802.15.4标准为低速无线个域网制定了物理层和MAC子层协议。IEEE802.15.4标准定义的无线个域网具有如下特点：(1)在不同的载波频率下实现20kb/s、40kb/s和250kb/s三种不同的传输速率；(2)支持星型和点对点两种网络拓扑结构；(3)有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球唯一的扩展地址；(4)支持冲突避免的载波多路侦听技术(carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA-CA)；(5)支持确认机制，保证传输可靠性。IEEE802.15.4标准主要包括物理层和MAC层的标准。6.3.2物理层IEEE802.15.4标准规定物理层负责如下任务：①激活和取消无线收发器；②当前信道的能量检测；③发送链路质量指示；④CSMA/CA的空闲信道评估；⑤信道频率的选择；⑥数据发送与接收。IEEE802.15.4标准定义了27个信道，编号为0～26；跨越3个频段，具体包括2.4GHz频段的16个信道、915MHz频段的10个信道、868MHz频段的1个信道。1．物理层服务规范物理层提供两种服务：通过物理层数据服务接入点(PHYDataServiceAccessPoint，PD-SAP)提供物理层的数据服务；通过PLME的服务接入点(PLMEServiceAccessPoint，PLME-SAP)提供物理层的管理服务。物理层数据服务接入点实现对等MAC子层实体间的介质访问控制协议数据单元(MACProtocolDataUnit，MPDU)传输，它支持表1所列的三种原语。所谓原语是指由若干条机器指令构成的一段程序，用以完成特定功能，它在执行期间是不可分割的，即原语一旦开始执行直到完毕之前不允许中断。表1物理层数据服务接入点的原语PD-SAP原语requestconfirmIndicationPD-DATAPD-DATA.requestPD-DATA.confirmPD-DATA.indication表2物理层管理实体服务访问点的原语PLME-SAP原语requestconfirmPLME-CCAPLME-CCA.requestPLME-CCA.confirmPLME-EDPLME-ED.requestPLME-ED.confirmPLME-GETPLME-GET.requestPLME-GET.confirmPLME-SET-TRX-STATEPLME-SET-TRX-STATE.requestPLME-SET-TRX-STATE.confirmPLME-SETPLME-SET.requestPLME-SET.confirm2．物理层帧结构IEEE802.15.4物理层的帧结构如表3所示。6.3.3MAC子层MAC层用来处理所有对物理层的访问，并负责完成以下任务：(1)如果设备是协调器，那么就需要产生网络信标；(2)信标的同步；(3)支持个域网络的关联和去关联；(4)支持设备安全规范；(5)执行信道接入的CSMA-CA机制；(6)处理和维护GTS机制；(7)提供等MAC实体间的可靠连接。1．MAC层服务规范MAC层为业务相关的汇聚子层(ServiceSpecificConvergenceSublayer，SSCS)和物理层提供接口。MAC层提供两种服务，分别通过两个服务接入点进行访问：(1)MAC数据服务，它是通过MAC公用部分子层(MCPS)数据服务接入点(MCPS-SAP)进行访问。(2)MAC管理服务，通过介质访问控制层管理实体一数据服务接入点(MLME-SAP)进行访问。6.3.3MAC子层图5IEEE802.15.4标准的MAC层组件接口1．MAC层服务规范MAC层的每一个帧包含以下基本组成部分：①帧头(MHR)，包含帧控制、序列号、地址信息；②可变长的MAC负载，包括对应帧类型的信息，确认帧不包含负载；③帧尾(MFR)，包括帧检验序列(FCS)。(1)MAC层的通用帧结构MAC层的通用帧结构由帧头、MAC负载和帧尾构成。帧头的域都以固定的顺序出现，不过寻址域不一定要在所有帧都出现，一般的MAC帧结构如表。2．MAC层的帧结构表4IEEE802.15.4MAC层的通用帧结构16位，字节:210/20/2/80/20/2/8变长2帧控制序列号目标PAN标识目标地址源PAN标识源地址帧负载FCS地址域MHRMAC负载MFR(2)不同类型的MAC帧表6-5、表6-6、表6-7和表6-8分别是四种类型帧的结构，即信标、数据、确认和MAC命令帧的结构。表6-5MAC层的信标帧结构16位，字节：214/102变长变长变长2帧控制序列号寻址域超帧规范GTS域地址域信标超载FCSMHRMAC负载MHR表6-6MAC层的数据帧结构16位，字节：214/10变长2帧控制序列号寻址域数据负载FCSMHRMAC负载MHR(2)不同类型的MAC帧表7MAC层的确认帧结构16位，字节：212帧控制序列号FCSMHRMHR表8MAC层的命令帧结构16位，字节：214/101变长2帧控制序列号寻址域命令帧标识命令负载FCSMHRMAC负载MHR表6-9列出了MAC层定义的命令帧内容。全功能设备(FFD)必须能够传输和接收所有的命令帧，而精简功能设备(RFD)则不用。表中说明了哪些命令是RFD必须支持的。注意MAC命令传输只发生在信标网络的CAP中，或者非信标网络中。3．MAC层的功能描述6.3.4符合IEEE802.15.4标准的传感器网络实例1．数据传输流程(1)命令帧的发送流程因为查询命令帧采取轮询发送机制，所以丢失若干个查询命令帧对数据的采集影响并不大。如果采取出错重发机制，则容易造成不同结点的查询命令之间的互相干扰。图6命令帧的发送流程(2)关键帧的发送流程关键帧包括阈值帧、关键重启命令帧等，它采用了出错重发机制。图7关键帧的发送流程2．数据传输的帧格式IEEE802.15.4标准定义了一套新的安全协议和数据传输协议，这里采用的无线模块根据IEEE802.15.4标准，定义一套帧格式来传输各种数据。6.4ZigBee协议栈原理6.4.1概述2007年4月，德州仪器推出业界领先的ZigBee协议栈（Z-Stack）。Z-Stack符合ZigBee2006规范，支持多种平台，包括基于CC2420收发器以及TIMSP430超低功耗单片机的平台、CC2530平台等。Z-Stack包含了网状网络拓扑的几近于全功能的协议栈，在竞争激烈的ZigBee领域占有很重要地位。1.基本特点（1）功耗:（2）成本低，（3）时延短，（4）网络容量大，（5）可靠，（6）安全，2.设备类型在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备)。ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End_Device组成。如6-8图是一个简单的ZigBee网络示意图。其中黑色节点为Coordinator，红色节点为Router，白色节点为End-Device。（1）Coordinator(协调器)（2）Router(路由器)（3）End-Device(终端设备)2.栈配置（StackProfile）栈参数的集合需要被配置为一定的值，连同这些值在一起被称之为栈配置。ZigBee联盟定义了这些由栈配置组成的栈参数。网络中的所有设备必须遵循同样的栈配置。为了促进互用性这个目标，ZigBee联盟为ZigBee2006规范定义了栈配置。所有遵循此栈配置的设备可以在其它开发商开发的遵循同样栈配置的网络中使用。6.4.2寻址（Addressing）1.地址类型（Addresstypes）ZigBee设备有两种类型的地址。一种是64位IEEE地址，即MAC地址，另一种是16位网络地址。64位地址是全球唯一的地址，设备将在它的生命周期中一直拥有它。2.网络地址分配（Networkaddressassignment）ZigBee使用分布式寻址方案来分配网络地址。这个方案保证在整个网络中所有分配的地址是唯一的。在每个路由加入网络之前，寻址方案需要知道和配置一些参数。ZigBee2006协议栈已经规定了这些参数的值：MAX_DEPTH=5，MAX_ROUTERS=6和MAX_CHILDREN=20。如果开发人员想改变这些值，则需要完成以下两个步骤：（1）首先，你