基于IEEE1451标准的无线变送器模块的设计

　　④ IEEE1451.3：包括分布式多点系统数字通信与TEDS格式的定义，主要用于点对多点分布式智能传感器系统的同步数据采集与通信。

　　⑤ IEEE1451.4：包含混合模式通信协议与TEDS格式的定义。其主要针对已存在的模拟量变送器通信协议，一方面支持数字接口对TEDS数据的读写，另一方面支持模拟接口对现场仪器的测量。

　　⑥ IEEE1451.5：定义智能传感器的无线通信接口，通过指定的无线通信协议在无线变送器接口模块(WTIM)和NCAP进行通信。目前支持WiFi、蓝牙、ZigBee协议。IEEE1451.5也定义与无线通信协议相关的TEDS。

　　2 无线通信协议

　　IEEE1451.5标准为使用不同通信协议的无线传感器提供一个统一的接口，不是开发一种新的无线通信技术，而是采用已经成熟的无线通信技术作为接口标准。IEEE 1451.1标准提议了3种无线通信方式：WiFi、蓝牙和ZigBee。本论文中采用的是ZigBee协议，其主要包括IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层，以及ZigBee的NWK层和APS层。

　　2.1 IEEE 802.15.4的PHY层

　　PHY层采用DSSS技术，不同的载波行道提供不同的传输速率，2.4 GHz提供250 kbps传输速率。PHY层用来在两个设备之间提供透明的比特流传输。其主要功能包括：信道选择和信道能量检测、空闲信道*估、无线信道数据收发、接收包链路质量。

　　2.2 IEEE 802.15.4的 MAC层

　　MAC层负责将NWK层发送来的数据包进行封装，并向下发送给PHY层，并对PHY层发送上来的帧进行分解，将分解后的数据包向上发送给NWK层。

　　MAC层提供了信标和非信标两种传输模式。其中，信标传输模式通过网络协调器以一定的时间间隔向网络广播信标帧，网络内的所有节点以该信标帧作为同步信号，实现整个网络的同步。非信标传输模式采用CSMA/CA机制避免传输碰撞。

　　MAC层的主要功能为MPDU数据处理。其帧格式包括帧头、MAC净荷和帧尾3个部分。 帧头中的帧控制域提供了帧类型、安全使能、目标地址模式、源地址模式等相关控制信息。MAC净荷域为MAC层的有效数据，即NWK数据包。帧尾为帧头和MAC帧净荷域的16位CRC校验序列。

　　2.3 ZigBee协议的NWK层

图2 NWK帧格式

　　ZigBee联盟在IEEE 802.15.4标准的PHY层基础上制定了NWK层协议。其主要功能包括：网络层协议数据单元处理、组网管理和路由功能。NWK帧格式如图2所示。