為了給傳感器配備一個通用的軟硬件接口，使其方便地接入各種現場總線以及Internet和Intranet，從1993年開始，美國國家標準技術研究所和IEEE儀器與測量協會的傳感技術委員會聯合制定了智能傳感器通用通信接口標準，即IEEE1451的智能變送器標準接口。針對變送器工業(yè)各個領域的要求，多個工作組先后建立并開發(fā)了接口標準的不同部分。

1 IEEE1451標準族介紹

IEEE1451是一個智能傳感器接口的標準族，它定義了一系列為使智能傳感器連接到微處理器、儀表系統(tǒng)和現場控制網絡的開放、通用、獨立于網絡的標準[1]，提供了一系列基于監(jiān)測和控制應用的有線或無線的協議。IEEE1451接口標準結構如圖1所示[2]。

在IEEE1451標準族中，IEEE1451.0標準定義了傳感器和執(zhí)行器多種通用配置命令集，如點對點、分布多點和無線的配置，以適應各種應用的需要。而且還規(guī)定了通用變送器電子表(TEDS)的格式，目的在于提高IEEE1451系列標準之間的互操作性，簡化針對網絡適配器（NCAP）和智能變送器接口模塊（STIM）使用不同物理層傳輸介質連接相關標準制定的工作難度和工作量。

IEEE1451.1：主要定義了NCAP的信息模型，這一標準為NCAP規(guī)定了一個公共的上層對象模型，網絡結構和變送器模塊類型不同，其對象模型就有不同的版本。一個簡單的編程模型封裝了傳感器硬件實現的細節(jié)，規(guī)定了不同NCAP與STIM物理層版本在具體實現時的軟件接口規(guī)范。
IEEE1451.4：主要針對于傳感器和變送器的混合模式通信協議及傳感器電子數據表格式?；旌夏Ｊ浇涌诘闹悄苄蛡鞲衅鞫x了一種為傳統(tǒng)模擬模式的傳感器和變送器增加自我識別技術的機制。
IEEE1451.5：定義了無線傳感器通信以及TEDS格式，定義了無線變送器模塊WTIM(Wireless Transducer Interface Module)與NCAP之間通過無線方法建立連接的有關事項。

2 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的設計背景為遠程環(huán)境檢測?？紤]到設備主要應用在野外，地形比較復雜， IEEE1451.2-4標準都是基于有線連接的，連線困難。而IEEE1451.5標準是基于無線傳輸技術的，也就是NCAP和WTIM之間的通信是基于無線傳輸技術，可以節(jié)省成本，而且還方便今后對系統(tǒng)的升級改造。但本系統(tǒng)的TIM部分和WTIM部分采用的是IEEE1451.4標準的MMI接口。因為MMI允許TEDS的數字信號和傳感器的模擬信號隔離傳輸，可以很方便地將傳統(tǒng)傳感器改造為符合標準的智能傳感器。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)包括三個部分：(1)變送器接口模塊（TIM）。該部分的主要功能是采集傳感器的模擬信號，并與TEDS的數字信號通過IEEE1451.4的標準MMI接口傳送到控制器；(2)無線變送器接口模塊(WTIM)。該部分包含一個控制器、一個無線收發(fā)器和MMI（Mixed-Mode Interface）接口。MMI接口接收TIM傳來的信息并對其進行處理，將處理完的信息傳給無線發(fā)送設備，由后者發(fā)送出去；(3)網絡適配器NCAP。該部分主要由無線收發(fā)設備、控制器和DTU設備組成。無線收發(fā)設備收到WTIM發(fā)送的信息后傳送給處理器，處理器做相應處理后通過相應的網絡協議將數據發(fā)送到遠程終端。

2.1 硬件設計

本設計選用STM32系列單片機作為各部分的主控制器。STM32 是意法半導體基于ARM CortexTM-M3 的32 bit嵌入式處理器，具有運算速度快、外設資源豐富等特點，而且其價格僅與8 bit單片機相當，性價比極高。因此本設計選用該芯片。

IEEE1451.5標準的目標是為使用不同通信技術的無線傳感器提供一個統(tǒng)一的接口，采用已經成熟的無線通信技術作為接口標準，并不是開發(fā)一種新的無線通信技術，而是基于該標準的無線傳感網絡接口在WTIM和 NCAP之間定義了多種無線通信方式。目前，其主要的通信協議有三種：IEEE 802.11協議、Bluetooth協議和ZigBee協議。從三者的開發(fā)成本、傳輸距離、速度等各個方面比較，本系統(tǒng)選用了由ZigBee技術來構建無線傳感器網絡[3-4]。

本設計選用TI公司生產的符合ZigBee技術的CC2530射頻模塊。該芯片是一款真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS 解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz IAM波段應用對低成本、低功耗的要求。

2.2 操作系統(tǒng)

由于本系統(tǒng)的各部分任務比較多，所以軟件需要使用嵌入式操作系統(tǒng)。應用比較廣泛的有以VxWorks、?滋C/OS等為代表的國外開發(fā)的操作系統(tǒng)，也有以RT-Thread為代表的國內開發(fā)的操作系統(tǒng)。國外的操作系統(tǒng)雖然應用比較廣泛，但費用也比較高，使成本加大。

而國內開發(fā)的RT-Thread是一個開放源代碼的實時操作系統(tǒng)，并且商業(yè)許可證是非常寬松的實時操作系統(tǒng)。采用面向對象風格的設計是RT-Thread一個很大的特點，但它又不像eCOS操作系統(tǒng)那樣純粹使用C++來實現，而是采用了一種C編碼的面向對象編程。面向對象設計更適合于人類思考問題的特點(例如繼承)，可以讓具備相同父類的子類共享使用父類的方法，這樣可以很方便地創(chuàng)造更多的函數。對象的好處在于封裝，因為當一個對象封裝好了并測試完成后，基本上就代表這個類是健全的，從這個類派生的子類不需要過多考慮父類的不穩(wěn)定性[5]。

3 TIM設計

IEEE1451.4標準的核心是TEDS，TEDS包含了傳感器的相關信息，其信息有：廠商信息、模塊編號、版本信息、產品序列號、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據等[6-7]。TEDS被存儲在EEPROM中，系統(tǒng)一旦上電或接受了請求，TEDS 就上載到系統(tǒng)。TEDS簡化了傳感器的安裝，一個被損壞的傳感器可以直接被替換而不需要更改任何設置。
TEDS包含一個64 bit的信息，稱為“Basic TEDS”，每一個傳感器必須包含一個Basic TEDS。表1為Basic TEDS包含的內容。

由于TEDS存儲器大小的限制，Basic TEDS的信息應該被壓縮到符合存儲器的要求。典型的系統(tǒng)存儲器存儲信息的單位為8 bit或者16 bit。但是TEDS可以做到按1 bit來存儲有效信息。這就要求謹慎小心地解析數據來獲得所需要的信息，給編程提出了更高的要求。此外，還可以根據不同的傳感器類型，選擇不同的模板來設計標準模板TEDS。最后可以根據用戶需要添加一些用戶自定義信息。本系統(tǒng)所使用的溫度傳感器的TEDS如表2所示。
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4 WTIM 設計

WTIM 部分可以通過MMI 接口將傳感器的TEDS 讀出， 并將其通過無線設備發(fā)送給NCAP， 并且通過IEEE1451.0 標準定義的通用API 函數來控制可讀取傳感器和執(zhí)行器的運行狀態(tài)。WTIM 狀態(tài)圖如圖3 所示。

在WTIM一上電時即進入初始化狀態(tài)，隨后馬上進入PREREG狀態(tài)。在PREREG狀態(tài)中TIM要通過完成向NCAPREG的任務，之后進入NCAPREG狀態(tài)。進入NCAPREG狀態(tài)意味著WTIM已經與一個NCAP進行了連接，但是并沒有被設置與TIM完成數據交互。當NCAP設置WTIM與TIM進行數據交互時，它就會發(fā)送一個開放命令和一個或多個寫命令，然后WTIM進入OPEN狀態(tài)。在OPEN狀態(tài)中，WTIM就可以和NCAP、TIM進行數據交互了。OPEN狀態(tài)可以被關閉命令終止。如果多次通信失敗,則表明TIM當前沒有通道可用，WTIM將由OPEN狀態(tài)轉為NCAPREG狀態(tài)。如果TIM沒有被注冊，則WTIM狀態(tài)由NCAPREG狀態(tài)轉為PREREG狀態(tài)，進行TIM注冊。

5 NCAP設計

符合IEEE1451.5標準的NCAP支持接入多個同一技術標準的WTIM。當首次上電NCAP進入初始化狀態(tài)時，馬上進入UNREGDOT5狀態(tài)。根據設計要求，NCAP應該包含一個符合ZigBee技術標準的協調器，在UNREGDOT5狀態(tài)意味著協調器并沒有建立一個有效的ZigBee網絡。之后NCAP將進行網絡的注冊和建立，這時NCAP就會進入DOT5REG狀態(tài)。DOT5REG狀態(tài)說明NCAP已經建立了一個網絡，但是并沒有和WTIM建立連接，因此也就不存在與TIM進行數據交互。NCAP網絡注冊狀態(tài)圖如圖4所示。


當一個NCAP 建立的網絡有一個或多個WTIM 注冊時， 它就會進入TIMREG 狀態(tài)。在這一狀態(tài)NCAP 會完成對所有TIM 的注冊。為了完成與TIM 的數據交互，NCAP 會發(fā)送一條開放命令和一條或多條寫命令， 隨后NCAP 進入OPEN 狀態(tài)。在OPEN 狀態(tài)， 即可以和WTIM進行數據交互。OPEN 狀態(tài)可以被關閉命令結束。因為NCAP 維持各個WTIM 相互獨立， 所以NCAP 可以在任
何時刻發(fā)現和連接節(jié)點。NCAP 運行狀態(tài)圖和順序圖分別如圖5、圖6 所示。

在國外對于智能傳感器的研究起步比較早，到目前為止已有相當一部分投入到應用中，如在遠程監(jiān)控和控制、分布測量和控制系統(tǒng)中的應用和在協作式測量和控制中的應用。而國內對于IEEE1451標準族的研究還處于起步狀態(tài)，一些高等院校也在進行針對IEEE1451標準族的研究，但是目前絕大部分的研究工作還是停留在對標準本身的解釋和闡述，并沒有將其應用在實際的工程中。而且主要集中于對IEEE1451協議中較早版本的研究，明顯落后于國外的研究現狀。

本文將IEEE145標準族中的四種標準通過組合使用，設計完成了一套完整的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，這對于IEEE1451標準的推廣有一定的現實意義。