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傳感器無線互聯標準及實現
摘要：介紹了IEEE802.15.4標準的概念、產生背景、特點、構件及體系結構、發展前景，并探討了基于IEEE802.15.4標準傳感器的實現，對其實現的問題給出了解決方案。為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設備無線聯網的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802．15．4工作組，致力于定義一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。802．15．4無線發射
／接收機及網絡被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司極力推崇。同時，也吸引了其他標準化組織的注意。IEEEl451工作組已考慮在IEEE802．15．4標準基礎上實現傳感器網絡(Sensor Networks)。
產品的方便靈活、易于連接、實用可靠及可升級換代是市場的驅動力。802．15．4主要應用于工業控制、遠程監控和樓宇自動化領域。傳感器網絡是其主要市場對象。將傳感器與802．15．4設備組合，進行數據收集、處理和分析，就可以決定是否需要或何時需要用戶操作。其應用實例包括惡劣。環境下的檢測，諸如涉及危險的火和化學物質的現場、監測以及維護正在旋轉的機器等。在這些應用上，一個802．15．4網絡可以極大地降低新傳感器網絡的安裝成本，簡化對現有網絡的擴充。
1 802．15．4協議架構及其技術特點
IEEE802．15．4滿足國際標準組織(ISO)開放系統互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層(如圖1所示)，表1中概括了802．15．4的一些特點。Zigbee聯盟制定了MAC層以上協議，其協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。
表1 IEEE802.15.4標準的主要技術特征
925MHz:40kbps 10
2.4GHz:250kbps 16MAC的控制方式星型網絡對等網絡每個網絡支持節點數65536尋址方式64bit IEEE地址
8bit 網絡地址連接層結構開放式溫度-40℃～-85℃傳輸范圍室內：10m速率
250kbps; 0dBm TX室外：30m-75m速率40kbps，300m速率20kbps應用傳感器、玩具、控制領域……
物理層：IEEE802．15．4定義了2．4GHz物理層和868／915MHz物理層兩個物理層標準，它們都采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)。
2．4GHz波段為全球統一的無需申請的ISM頻段，有助于設備的推廣和生產成本的降低。2．4GHz物理層通過采用高階調制技術能夠提供250kbps的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。
868／915MHz物理層使用簡單的DSSS方法，即二進制相移鍵控(BPSK)方式。868MHz的傳輸速率為20kbps，916MHz的傳輸速率為40kbps。這兩個頻段的引入避免了2．4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾，且這兩個頻段上的無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域。
MAC層：IEEE802系列標準把數據鏈路層分成LLC(Logical Link Control，邏輯鏈路控制)和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)兩個子層。LLC子層在IEEE802．6標準中定義，為802標準系列共用；而MAC子層協議則依賴于各自的物理層。IEEE802．15．4的MAC層支持多種LLC標準，通過SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer，業務相關的會聚子層)協議承載IEEE802．2類型的LLC標準，同時也允許其他LLC標準直接使用IEEE802．15．4的MAC層的服務。
IEEE802．15．4的MAC協議包括以下功能：
設備間無線鏈路的建立、維護和結束；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；預留時隙管理；廣播信息管理。MAC子層提供兩個服務與高層聯系，即通過兩個服務訪問點(SAP)訪問高層。通過MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪問MAC數據服務，用MAC層管理實體SAP(MLME-SAP)訪問MAC管理服務。這兩個服務為網絡層和物理層提供了一個接口。靈活的MAC幀結構適應了不同的應用及網絡拓撲的需要，同時也保證了協議的簡潔。MAC幀的通用格式如圖2所示。
802．15．4標準上層協議由完整的Zigbee協議套件構成。網絡層主要采用了基于Ad-hoe技術的網絡協議，包含以下功能：通用的網絡層功能；拓撲結構的搭建和維護，命名和關聯業務，包含了尋址、路由和安全；與IEEE802．15．4標準一樣，非常省電；有自組織、自維護功能，最大程度地減少消費者的開支和維護成本。應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到Zigbee網絡上，具體包括：安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現、業務發現。
因此，IEEE802．15．4標準具有以下一些非常適用于無線傳感器的特點：
功耗低：由于工作周期較短、收發信息功耗較低且采用了休眠模式，可以確保兩節五號電池支持長達六個月到兩年左右的使用時間。當然不同的應用
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