无线传感器网络的传感器接口研究

　　引言

　　计算机技术、通信技术和传感器技术是未来最具发展潜力的三大技术。计算机技术与通信技术的结合诞生了互联网，已成为目前人们工作学习必不可少的工具。计算机和传感器技术的结合产生了智能传感器，使传统的传感器具有了“思考”的能力，极大地提高了传感器的性能。而计算机、网络、传感器三者的结合让智能传感器具备了网络通信的能力，从而使传感器技术的应用领域变得更加广泛。

　　随着传感器技术的发展，传感器的制作工艺越来越高，种类越来越多，再加上目前的总线接口多样，各种总线对应各自不同的应用，因此就出现了各个传感器制造厂商只生产特定总线接口的传感器，造成了传感器接口过多，对网络的依赖性过大等问题。往往一种接口的传感器只能适用于特定的一种网络，换到另一个网络环境中就不能正常使用。目前传感器的网络接口问题已成为了制约传感器广泛应用的瓶颈。为了解决这一问题，NIST（美国国家标准技术组织）联合IEEE（电气与电子工程师协会）提出了解决传感器接口问题的规范标准——IEEE1451 标准。本文在研究IEEE1451 标准的基础上，对IEEE1451 标准重要概念和模型进行分析和总结。并提出了针对无线传感器网络的传感器接口模型。

　　1 IEEE1451 标准

　　IEEE 1451 标准的目的是开发一种软硬件的连接方案，将智能变送器（传感器和执行器的统称）连接到网络用以支持现有的各种网络技术， 包括各种现场总线及Internet/Intranet等。通过定义一整套通用的通信接口，使变送器在现场级采用有线或无线的方式实现网络连接，大大简化了由变送器构成的各种网络控制系统，解决了不同网络之间的兼容性问题，并为最终实现各个变送器厂家产品的互换性与互操作性提供了参考方案。IEEE1451标准是一系列标准的统称，目前包括从1451.0到1451.7共八个标准。其中1451.1与1451.2是最早提出的两个标准，也是IEEE1451标准系列中最重要的两个标准。它们共同构成了IEEE1451标准的框架结构，为后续标准的提出奠定了理论基础。

　　1.1 IEEE1451.1标准

　　IEEE1451.1主要定义了网络适配器（Network CapableApplication Processor 简称NCAP[1]）模块及其信息模型。网络适配器模块负责变送器与外界网络的连接，将变送器传输来的数据，按照一定的网络协议发送出去。它的主要目的是屏蔽不同变送器数据对网络的差异，使得变送器与网络相对独立。NCAP在硬件上包括微处理器及其辅助电路，网络物理层接口和变送器接口。NCAP在逻辑上又可分为应用组件，支持组件（操作系统和协议栈）以及网络和变送器模块的抽象接口。

　　IEEE1451.1的信息模型针对NCAP抽象模型而设计，它定义了一系列类和方法用以描述NCAP与变送器和网络环境的通信。主要分为模块类和基类。它的结构类似于一个电脑机箱。各种不同的模块类代表不同的功能，如同机箱主板上的插卡可以根据需要增加或减少。该模型主要包括下面几种模块类[2]：

　　物理模块类定义了NCAP模块中的所有的软硬件资源信息，包括制造厂商的商标，产品的标示，厂商所定义的数据结构等。它就是一个基本的类库。其它类的定义都是在它的基础上进行。

　　变送器模块类抽象了与NCAP连接的所有变送器的功能。在系统配置阶段，物理模块类使用变送器资源信息创建变送器模块类。
　　功能模块类规定了变送器模块中存放特定应用代码的一个框架区。它包含一系列参数表，用以支持对内部数据的远程网络访问。
　　网络模块类抽象了模块类和基类对网络的访问。访问机制采用客户/服务器和发布/订阅两种远程过程调用方式。
　　模块间的访问必须预先定义和绑定端口。访问机制类似于TCP/IP应用级接口socket。

　　1.2 IEEE1451.2

　　IEEE1451.2 标准，即变送器与微处理器通信协议和变送器电子数据表格。该标准具体定义了变送器电子数据表格TEDS，一个10 线数字接口TII 以及智能变送器接口模块STIM 与NCAP 间的通信协议，使智能传感器/执行器模块具有了即插即用能力。这个标准没有指定信号调理、信号转换和TEDS 如何应用，这些由各变送器制造商自主实现，以保持各自在性能、质量、特性与价格等方面的竞争力。

　　1.2.1 STIM模块：IEEE1451.2 定义了一个智能变送器接口模型STIM(Smart Transducer Interface Model)，它允许任何一个变送器或一组变送器通过一个通用统一的接口来发送接收数据，任何变送器都可以通过这个智能变送器接口模型STIM来适配1451.2规定的协议[4]。图1表示IEEE1451.2的模块结构。

图1 IEEE1451.2的模块结构图

　　1.2.2 变送器电子数据表格(TEDS)：TEDS全称变送器电子数据表格，是IEEE1451.2标准的核心。它是STIM内部的一个写有特定电子格式的内存区，用于描述STIM自身以及与之相连接的传感器或执行器，提供对广大范围传感器或执行器的支持，并具有自动识别这些传感器或执行器的能力。TEDS完整详细地描述了它支持的传感器和执行器的类型、操作和属性。TEDS内存被分为8个域，每个域分别描述了STIM的不同方面。TEDS应包含的信息有厂商信息、模块编号、版本信息、产品序列号、灵敏度、测量范围、物理单位、传输功能、输出范围、校准信息以及用户数据。有了这些信息，每当有新的变送器接入时，STIM就会利用TEDS中存储的这些信息对它们进行自动识别，不用再为它们开发新的驱动程序，实现真正意义上的即插即用。

　　1.2.3 数字接口：NCAP与STIM的连结是通过10条信号线的变送器独立接口(TII，transducer independent interface) [3]进行的，TII是基于SPI(serial peripheral interface)协议的点对点、带同步时钟的串口通信接口, 其硬线连接信号线主要功能可参考表1。NCAP与STIM之间的基本通信协议如下：写的时候，NCAP不停地向DCLK发送脉冲，并将数据读到DIN信号线。读的时候，NCAP不停地向DCLK发送脉冲，并在DOUT口寻找数据。在所有的通信中，NIOE作为片选信号告诉STIM数据传输功能已经激活，NACK被STIM用来确认数据位和触发信号。

　　2 WSN 的传感器接口

　　从本文前面的介绍可知，IEEE1451标准为了实现智能变送器接口的标准化，首先对智能变送器的结构进行了划分，将传统的变送器分为STIM和NCAP两大模块。这样划分的好处是将变送器数据采集部分和数据信息的网络通信部分分离开来，方便了研究设计者分别对各个模块进行研究和设计。再通过一个统一的接口（TII）将两个部分连接起来，为传感器接口的统一和标准化工作提供了一种重要参考方案。

　　但是，STIM和NCAP的模块划分是针对广义智能传感器而言。随着无线射频技术、嵌入式计算机技术、无线通信网络技术的发展，无线传感器网络将成为未来智能传感器网络主要的发展方向。这样就给智能变送器模块的结构设计带来了新的变化。IEEE1451.5定义了一种无线传感器网络的变送器模块划分和接口方案，它将WSN中的网关节点作为NCAP，普通节点作为STIM。TIM和NCAP之间通过蓝牙、Zigbee等无线技术连接。（如图2）

图2 IEEE1451.5中NCAP与TIM模块划分

　　IEEE1451.5标准针对WSN的网络环境分别定义了节点级的STIM和NCAP。NCAP和STIM的接口变成了节点间无线通信的接口。这也就意味着更换一个STIM，就必须更换整个节点，包括节点的通信部分。显然这样做带来的成本开销是巨大的，尤其是在无线传感网的产业发展初期，要连接既有接口的各种传感器，如果针对一种传感器就要重新设计整个无线传感器网络的节点，这样做是不现实的。为了降低成本，实现无线传感器网络中传感器接口的标准化，我们对WSN节点的结构进行了划分，定义了传感器，传感器接口模块（Sensor Interface Module简称SIM）和节点通信模块（Node Communication Module简称NCM）（图3）。在节点内部实现了传感器数据采集和网络通信功能的分离，并定义了一个统一的接口连接这两个功能模块。

图3 无线传感器网络节点结构图

　　传感器是网络获取外界环境信息的桥梁。它的接口形式多种多样，从早期的模拟接口（比如4-20mA或0-5V或PWM输出）到数字接口如RS232、RS485、SPI，再从简单的数字接口发展为现场总线接口，例如CAN，Lon, Profibus，Ethernet，Fieldbus Foundation，HART等等。各个传感器生产厂商遵循各自的接口标准生产。在IEEE1451标准中传感器属于STIM模块，各种不同种类的传感器通过连接到STIM模块以统一的数据格式输出数据给NCAP。这里我们考虑到实际应用中传感器接口的不同，将STIM模块具体化，把节点中的传感器作为一个独立模块考虑，为传感器即插即用功能的实现提供了方便。

　　为了使不同接口的传感器能以统一的接口形式与节点通信模块（NCM）连接，我们在传感器和通信模块之间定义了传感器接口模块SIM（Sensor Interface Module）。它将不同接口形式（包括物理接口和协议）的传感器以统一的接口形式与NCM连接，同时还具有传感器的探测识别、访问应答、传感器管理任务的响应和在某些情况下对任务的初始化、响应和数据管理等功能。为了能正确的识别各种传感器型号和数据，我们以一个统一的数据表TEDS，将各种传感器的信息（传感器操作方式、触发方式、校正系数、功能性等）以统一的数据格式存储在SIM中, 方便NCM对传感器数据的识别和处理。

　　节点通信模块（NCM）是介于传感器和通信网络之间的微处理器和射频模块的组合，具有局部智能化功能，是网络通信的接口，也是传感器网络化的关键。传感器通过SIM连接到NCM，再通过NCM连接到通信网络。NCM不仅可以对来自SIM 的传感器的数据进行校正，而且还具有针对特定应用的数据处理和控制功能，最终按照特定的WSN通信协议（如IEEE802.15.4、ZigBee、私有协议等）将数据发送给主节点。

　　SIM与NCM之间的连接，我们采用UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter, 通用异步收发器)取代TII。UART是节点MCU的标准配置,它的硬件简单，通信开销小，可以直接使用而不必像GPIO一样要另行定义。在NCM与SIM通信时，NCM将SIM看作一个外部存储单位，每次对SIM的访问都是通过地址访问进行的。因此，这就需要在SIM中建立一张地址表，里面的地址共分为两类。一类是通道地址，与SIM相连的一个传感器就对应一个通道地址。SIM最多支持255个通道地址，并且可扩展。另一类是功能地址，每个地址对应一种SIM的操作（见表2）。

　　SIM与NCM之间的通信协议：NCM向SIM发送一个命令帧（帧格式如图4所示），命令帧的内容主要包括通道地址和功能地址。SIM收到命令帧，读取其中的通道地址和功能地址，并对照地址表找到对应的通道传感器和通道命令，触发相应的传感器工作，并将传感器数据以数据帧的格式发送给NCM（帧格式如图4所示）。

图4 SIM与NCM之间命令/数据帧格式

　　备注：
　　功能标识为1表示帧类型为命令帧，传输方向为NCM到SIM。
　　功能标识为0表示帧类型为数据帧，传输方向为SIM到NCM。

　　3 结论

　　IEEE1451标准将智能传感器结构分成了NCAP和STIM两个部分，并且分别定义了每个模块的功能和接口，为智能传感器的模块化设计提供了可靠的依据。随着无线传感器网络的发展，本文结合无线传感器网络的特点，参考IEEE1451的相关规定，对无线传感器网络的传感器接口提出了自己的认识和理解，提出了一种适合于无线传感器网络的传感器接口模型，方便了无线传感器网络节点的设计和产业应用。

　　作者简介：张凌峰，上海大学通信与信息工程学院电子信息工程系，硕士研究生，上海 200072
　　武文权，杭州家和智能控制有限公司上海研发中心，博士，上海 200001