引言
隨著計算機技術和通信技術的發展，基于各種現場標準的分布式測量和控制系統得到廣泛應用。這些系統采用了多種控制總線，如CAN、LONWORKS、FROFIBUS、HATR、FF等。這些不同的總線標準都有自己的協議格式，相互之間不兼容，給系統的擴展帶來很多不便。
鑒于此，國際電子電氣工程師協會（IEEE）和美國國家標準技術研究院（NIST）聯合推出IEEE1451標準，解決了各種不同標準的總線接口兼容性問題，提高了各個不同廠家產品的互換性和互操作性。
1 IEEE1451協議
IEEE和NIST推出的IEEE1451標準，通過定義一整套通用的通信接口來解決不同網之間的兼容性問題，并最終實現各個廠家的產品的互換和互操作。其協議簇體系結構和關系如圖1所示。根據IEEE1451標準，網絡智能傳感器分成兩大模塊。
圖1 IEEE1451協議整體架構
(1) NCAP（網絡應用處理器）模塊
該模塊主要執行網絡通信、TIM通信、數據轉換等功能。IEEE1451.1標準定義了它的實體模型。NCAP是標準變送器總線與專用網絡總線之間的接口。這一部分與微處理器集成在一起，在網絡化傳感器中起“大腦”的作用。NCAP還支持熱插拔功能。
（2） TIM（智能變送器）模塊
根據和NCAP之間連接的方式，可以有多種不同功能的TIM。一個TIM可以支持單個或多個不同的通道，它既可以與傳感器連接，也可以與執行器連接。
① IEEE1451.0：該層標準包括通用功能、通信協議以及電子數據表格(TEDS FORMATS)。IEEE1451.0通過定義基本命令設置和通信協議接口，為不同的物理層提供通用、簡單的標準，從而加強這些標準之間的互操作性。
② IEEE1451.1：針對現有的各種網絡技術，定義了從智能變送器到網絡的標準連接的方法，使用面向對象的思想為網絡化的智能變送器定義了一個標準的對象模型，并且為該模型的每一個類定義了軟件接口。
③ IEEE1451.2：定義了傳感器和微處理器之間的連接的數字接口TII。其定義了電子數據表格以及數據格式，還定義了一系列的讀寫命令，包括讀寫電子數據表格、讀取傳感器數據和設置執行器數據等。
④ IEEE1451.3：包括分布式多點系統數字通信與TEDS格式的定義，主要用于點對多點分布式智能傳感器系統的同步數據采集與通信。
⑤ IEEE1451.4：包含混合模式通信協議與TEDS格式的定義。其主要針對已存在的模擬量變送器通信協議，一方面支持數字接口對TEDS數據的讀寫，另一方面支持模擬接口對現場儀器的測量。
⑥ 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議在無線變送器接口模塊(WTIM)和NCAP進行通信。目前支持WiFi、藍牙、ZigBee協議。IEEE1451.5也定義與無線通信協議相關的TEDS。
2 無線通信協議
IEEE1451.5標準為使用不同通信協議的無線傳感器提供一個統一的接口，不是開發一種新的無線通信技術，而是采用已經成熟的無線通信技術作為接口標準。IEEE 1451.1標準提議了3種無線通信方式：WiFi、藍牙和ZigBee。本論文中采用的是ZigBee協議，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，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、無線信道數據收發、接收包鏈路質量。
2.2 IEEE 802.15.4的 MAC層
MAC層負責將NWK層發送來的數據包進行封裝，并向下發送給PHY層，并對PHY層發送上來的幀進行分解，將分解后的數據包向上發送給NWK層。
MAC層提供了信標和非信標兩種傳輸模式。其中，信標傳輸模式通過網絡協調器以一定的時間間隔向網絡廣播信標幀，網絡內的所有節點以該信標幀作為同步信號，實現整個網絡的同步。非信標傳輸模式采用CSMA/CA機制避免傳輸碰撞。
MAC層的主要功能為MPDU數據處理。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、目標地址模式、源地址模式等相關控制信息。MAC凈荷域為MAC層的有效數據，即NWK數據包。幀尾為幀頭和MAC幀凈荷域的16位CRC校驗序列。
2.3 ZigBee協議的NWK層
圖2 NWK幀格式
ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4標準的PHY層基礎上制定了NWK層協議。其主要功能包括：網絡層協議數據單元處理、組網管理和路由功能。NWK幀格式如圖2所示。
2.4 ZigBee協議的APS層
應用層包括應用支持層(APS)、應用框架(AF)和ZigBee設備對象。
支持層(APS)：主要包括APS層協議數據單元APDU的處理、APS數據傳輸機制和節點間的應用對象綁定。
應用框架(AF)：為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間，為每個應用對象提供了鍵值對服務和報文服務供數據傳輸使用。
ZigBee設備對象：主要包括設備服務發現。
3 系統設計
本文設計了WTIM模塊。該模塊用于采集和處理數據，并通過SPZB260模塊將數據發送給NCAP，同時實現了TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）、IEEE1451.5標準。SPZB260是專門用于嵌入式開發的低功耗ZigBee模塊。
3.1 WTIM模塊
WTIM模塊主要包括STM32F103C微控制器、SPZB260模塊、信號調理器和傳感器。其架構圖如圖3所示。其中，SPZB260模塊是與NCAP通信的模塊。
圖3 WTIM模塊架構圖
ADC在數據采樣中，使用了一階濾波算法：Y(n)=αX(n) (1-α)+Y(n-1)。式中：α為濾波系數；X(n)為本次采樣值；Y(n-1)為上次濾波輸出值；Y(n)為本次濾波輸出值。
3.2 TEDS
IEEE1451每一層中都有與之對應的TEDS。本文實現了PHYTEDS、MetaTEDS和TransducerChannel TEDS。其通用格式為：
structXXX_TEDS {
UInt32 TEDSlength;
TLV;
……
TLV;
UInt16 Checksum;
}
TEDSlength：XXX_TEDS結構體中除了TEDSlength之外所有字段的長度和。
TLV：一種包含類型(Type)、長度(Length)、值(Value)三個字段的結構體。
Type：XXX_TEDS各個TLV的ID。對于不同的TEDS，即使TLV的ID相同，代表的實際意義也不同。
Length：表示TLV結構體中Value字段的長度。
Value：該字段填充的是具體的TEDS信息。
Checkum：提供了對XXX_TEDS中之前字段（包括TEDSlength和所有TLV字段）的校驗和。
校驗和計算公式如下：Checksum=0xFFFF-∑TEDSlength+2i=1TEDSOctet(i)
3.3 IEEE1451.5標準的實現
IEEE1451支持3類無線通信協議，本文中實現的是ZigBee協議。IEEE1451.5標準中的ZigBee協議定義了模塊功能、接口函數，以及NCAP和WTIM之間的無線通信協議。其定義的協議棧如圖4所示。
圖4 IEEE1451.5標準的協議棧
PHY層、MAC層、NWK層由SPZB260提供。本文中需要實現APS層和IEEE1451.5會聚層。
APS層采用的是EZSP協議，可通過SPI接口實現。在WTIM模塊中，STM32F103C與SPZB260之間通過SPI進行通信，其中STM32F103C配置為SPI主設備，SPZB260配置為從設備。EZSP作為IEEE14515會聚層的應用支持層（APS），以NCAP為協調器的星型網絡結構實現，如圖5所示。
圖5 IEEE1451.5的網絡拓撲結構
IEEE14515會聚層定義了IEEE14515和IEEE14510之間的模塊通信接口。其中，一部分接口由IEEE1451.5系統提供，被IEEE1451.0調用；另一部分由IEEE1451.0提供。
4 測試與結論
在測試中，針對的是溫度傳感器和濕度傳感器。測試WTIM節點分為兩個，每個節點上都有一個溫度傳感器和濕度傳感器。其中，WTIM1放在正常環境下，另一個節點WTIM2放置于一個裝滿水的容器上方。NCAP通過ZigBee與兩個節點進行通信，并可以通過主機監控。測試時以10 Hz的頻率進行采樣，其結果如圖6所示。
圖6 WTIM1的溫濕度數據
測試結果表明，WTIM節點能正常獲取數據，并發送給NCAP，使得NCAP能夠正確地獲得各節點與響應通道的信息，實現了無線變送器的功能。