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1、精选优质文档-倾情为你奉上嵌入式系统及单片机国际学术交流会论文集一基于IEEE 1451标准和蓝牙协议的无线网络传感器设计童利标。 徐科军oo 梅涛。舍肥工业大学自动化研究所,舍肥.中科院合肥智能机械研究所,合肥,摘要 采用IEEE 1451标准和蓝牙协议研制智能化无线网络传感器,可使传感嚣以即插即用的方式连接 到数字网络上。本文概述IEEE 145l传感器标准和蓝牙技术,给出一种基于IEEE 145l标准和蓝牙协议的无 线网络传感嚣的设计方案,并介绍它的应用前景。关键词IEEE 1451.蓝牙协议。无线网络传感器引 言IEEE和NIST在1997年和1999年颁布了IEEE J451.2和I
2、EEE 1451.1标准,即智能传感器模块标准和 网络适配器标准。这些标准规定了传感器与微处理器相连以及连上网络的硬件和软件接口。根据这些标准可 研制出网络化智能传感器。但是,在有些场合,使用有线电缆传输传感器信息是不方便的,为此,人们提出将 IEEE 1451标准与蓝牙协议结合起来,组成了一个无线网络传感器,以解决原有有线系统的局限。无线网络传 感器将使我们的生活成为真正的信息世界,给人们生活带来了巨大变革。本文简介了IEEE 1451传感器的体 系结构和蓝牙技术,主要阐述了基于IEEE 1451标准和蓝牙协议的无线网络传感器的硬件开发和软件设计方 案及其应用前景。2有关标准和协议简介2.1
3、IEEE 145l标准L1“JIEEE 1451.2标准提供了将传感器和变迭器连接到一个数字系统,尤其是连接到网络的方式。简单地说, IEEE 1451.2标准通过一个电子数据表格TEDS和一个连接传感器到徽处理器的数字接口,使传感器模块具 有即插即用性。图I示出了一个1451传感器的体系结构。它包括网络、STIM、NCAP以及连接STIM和 NCAP的接口T11。传感器本身被看作是STIM的一部分。在正常使用期间,传感器和STIM电路是不可分离 的。图1中还给出了STIM的结构。一个STIM由传感器/执行器(组、信号调理与变换、逻辑接口和TEDS 组成。传感器/执行器(组为物理传感器或执行器
4、。1451.2标准中仅定义了接口逻辑和TEDS的格式,其它 控制/现场网络物理传感器圈11451传毫的体系结构部分由各传感嚣制造商自主实现,以保持各自在性能、质量、特性与价格等方面的竞争力。同时,该标准提供了 一个连接STIM和NCAP的10线的标准接口TII,使传感器制造商可以把一个传感嚣应用到多种网络和应用 中。具体地关于1EEE 1451传感器标准的介绍详见参考文献14。亨飘第一篇 主题报告噩嵌入式系统枝术综述 532.2蓝牙技术所谓蓝牙技术,是一种低功率短距离的无线连接技术标准的代称,是由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和 Toshiba等公司于1998年5月联合主推的
5、一项先进的无线网络技术。其实质是要建立通用的无线空中接口及 其控制软件的公开标准,使通信与计算机进一步结合,使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连 接的情况下.能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。一般来说.它的连接范围为10cm10In。如果增 强传输功率.则其链接范围可扩展到100m。蓝牙技术的设计传输速率为1MHz,以分时方式进行全双工通 信,其基带协议是电路交换和分组交换的组合。蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备(如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、数码相机、移动电 话和高品质耳机等,通过无线方式将它们连成个微微网(Piconet.多个微微网之间也可以互连形成分布式
6、 网络(Scatternet,从而方便、快速地实现各类设备之闷的通信。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范, 是一种低成本、短距离的无线连接技术。蓝牙技术实现了设备的无连接工作,提供了接人数据网的功能,并且 具有外围设备接口,可以组成一个特定的小网。蓝牙技术的最大优点是使众多电信和电脑设备无幂电缆就能联网.同时还具有其它的优点,如工作频段全 球通用.使用方便,安全加密和抗干扰能力强,兼容性好,尺寸小,功耗低以及多路多方向链接。3无线网络传感器的设计“83.1无线网络传感器系统无线集成网络传感器系统由STIM、Bluetooth模块和NCAP三部分组成,如图2所示。在STIM和蓝牙横 块之间是
7、1EEEl451.2标准定义的10线的TII接口。通过Internet及蓝牙模块和NCAP,就可对传感器进行 数据采集及远程监控。圈2基千IEEEl4￥1和蓝牙协议的无鼓网络传毫器系统设计方案蓝牙模块通过Tu接口与STIM相连,通过NCAP与Internet相连,承担了传感器信息和远程控制命令的 发送和接收任务。NCAP通过分配的IP地址和嵌入式的网页服务器与Internet相连。这样利用IEEE 1451标准和蓝牙协议,通过STIM、蓝牙模块、网络适配器,就可实现传感器信息与远程控 制命令的无线传输功能,构成一个无线网络传感器系统,也可以说是一个基本的无线网络数据采集系统。 3.2硬件设计我
8、们的目标是建立一个通过蓝牙技术将IEEE 1451.2标准的一些特点加以运用的、实际的点对点传感器 的模型。无线传感器系统面临的一些问题可通过蓝牙技术应用于传感器得以解决,主要有以下几个方面:链接提供强大的发射颇谱通信使用高速率传递原始数据,低速率传递标准数据;拥有很高的保密性和密码算法;支持对传感器网络的调整和重新改装计算机和移动电话的低成本成为市场的推动力;拥有电子数据表格系统从而没有复杂的细节部署;电源的长使用寿命有利干传输规划和分散运算嵌入式系统及单片机国际学术史流套论文集 一一一 标准扩充了凋制恢复比率,使时间同步效果更好。蓝牙数字智能传感器系统融以上特征为一体,并将低成本和易-t:
9、爨.41tm户使用为主要目标。利用IEEE 1451.2来实现蓝牙数字智能传感器,但蓝牙电路必须被重新设计一个类似于TII的接口。标准的蓝牙电路使 用RS232或USB接口,而TII是一个控制链接到它的STIM的串行接口。这意味着必须另构造一个专门的处 理器来完成控制STIM和转换数据到HCI(Host Conlrol Interface的功能。Emsson公司提供了一种解决方 案在它的蓝牙模块中使用了一个ARM处理器,去操作运行在Enea实时操作系统中的逻辑管理协议(I,MP。 STIM通过蓝牙模块及NCAP能够很容易地直接或通过网络相互联接。有四件工作需要去完成.即在一个微微网中,使用同步
10、节点时钟频率调制的蓝牙电路将大大改善传感器性能。建立一个蓝牙协议.使传感器能够像PC和移动电话一样以同样的方式被识别。建立一个IEEE 1451.2T11接口,使蓝牙技术适用于所有的STIM单元。选择一个合适的NCAP。为此+可采用的硬件实现由三部分组成:NCAP或PC机、AD公司的快速开发系统QSDK(Quick Slarl Developmeni Kit以及爱立信蓝牙开发系统EBDK(Ericsson Bluetooth Development Kits。如图2所示为基于 IEEEl45l和蓝牙协议的无线网络传感器系统的设计方案。1STIM的设计AD公司的快速开发系统QSDK能使开发者快速
11、地实现1451.2兼容的STIM。开发系统中的微控制器 AdvC812内有8051兼容的徽处理器,集成了在片温度传感器、8KB的程序存储嚣FLASH/EE、640字节的数 据存储器FLASH/EE、256字节的RAM、多达32根可编程的输入/输出线、一个SPI串行输人/输出口、两个 DAC和一个8通道的真正12位的ADC。在片的SPI口是工业标准的四线同步串行通讯接口,它可以设置为 主或从操作。在开发板上有全双工的RS232通讯口,可扩展的RAM或EPROM、EEPROM接口和8通道的 多路开关。详细细节参见文献5,6。2蓝牙模块的设计国外有不少公司都推出了基于蓝牙协议的开发系统。可选用爱立信
12、的蓝牙开发系统EBDK来实现,它可 用作蓝牙技术的硬件和软件的开发平台。它的硬件包括一块母板及可安装在其上的两块附板。母板上集成了 三个实现HCl的接口:usB、RS282和声音。详细细节参见文献8。利用这个开发系统可方便、快速地开发 出基于蓝牙协议的无线发送和接收的模块。3NCAP的设计作为当今市场上使用最为广泛的一种接口,无论是通过Internet还是直接和嵌人式设备连接,网络浏览器 都是一种很白然的用来控棚嵌入式设备的途径。目前,国内外关于嵌人式网页服务器,也称为嵌人式Internet 的研究已成为热点,一些大公司已成立了世界性的嵌人式Internet联盟。很多生产单片机和半导体芯片或从
13、 事嵌入式软件开发的厂家、公司都有成燕的嵌入式Internet产品.如SCENlX公司、SENA公司、iReady公司、 Seiko公司和Rabbit半导体公司等,都有集成的TCP/IP开发工具,可用作IEEE 1451.2NCAP的开发。根据 不同的资源需要情况与应用对象,可灵活选择不同的开发工具。3.3软件设计系统的应用软件由三部分组成:JAVA或其它应用程序运行于Pc机或嵌入式网页服务器(分配有一定的 IP地址,嵌入式的C程序运行于AD公司的Ad/tC812QSDK和HCI固件在EBDK中。JAVA或其它应用程 序甩千NCAP中,构造了匿形化的用户界面,以实现传感器数据的采集、控制与显示
14、。嵌入式的c程序可采用 KElLC开发,程序代码可存储在Ad/-C812的闳存中或扩展的EPROM中。HcI固件在EBDK中,主要是完 成通讯功能,内置HCI协议。STIM与NCAP之间通过蓝牙模块(HCl协议与EBDK进行通讯4无线网络传感器的发展前景随着蓝牙技术的应用和推广以及1EEE 1451标准的执行,无线网络传感器产品将更加丰富。在应用中,无 线网络除能传输语音信息外,还能顺利地进行图像、视频等多种媒体的传输。这也将促使无线网络传感器技术 进一步向前发展。无线网络传感器不仅仅可以应用于Imernet接人、Intranet互莲等,还可以适用于有线接入第一篇 主题报告及嵌入式系统技术综述
15、方式所不能胜任的场合.并能够提供优质的数据传输服务.例如:公安系统、公交系统、铁路系统、高速公路、银 行证券、抗灾急救提供应急通信等等。美国最大规模的高技术博览会2000年计算机博览会(Comdex2000 上最引人注目的就是蓝牙技术。可以相信,随着蓝牙技术在网络化智能传感器中的应用,无线网络传感器将使 我们的生活变得更精彩,更富有活力和生命力。参考文献1Institute of Electrical and Electronics Engineers,lnc.1EEE l 451.21997IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for
16、Sensors and ActuatorsTransdueer to Mieroprocessor Communication Protocols and Transducer Electronie Data Sheets fTEDSFortnsls.Piscataway,New Jerse08855,September 26,1997 2Stan Woods.IEEEP1451Transducer to Microprocessor Interface.Proceedings of Sensors Conference Ana helm,Helmers Publishing,April,19
17、96.9143Start Woods,et a1.IEEE-P1451,2Smart Transducer Interface Module.Proceedings of Sensors Coaference Philadelphia,Helmers Publishing.Oct,1996.25384Institute of Electrical and E|ectronics Engineers,Inc.IEEE Std 1451.11999.Standard for a Smart Trans, ducer Interface for Sensors and ActuatorsNetwor
18、k Capable Application Processor(NCAPInformation Model.Piscataway,New Jersey 08855,September,19995武汉力源电子股份有限公司.ADpC812带有嵌入式闪遣MCU的多通道12位AD转换器数据手册.1999 6Analog Devices Inc.The ADpC812MicroConverter as an IEEE 1451.2Compatible Smart Transducer Interface.httpl/7P.802.11.1EEE Draft Standard for Wireless L
19、AN.Mediun Access Control(MACand PhysicaI Layer PHYSpecifications D.Z.O.,1995,78Petter Olofsson Karl-O/of 0stling.Bluetooth for Sensors.Oceana Sensor Technologies,Master Thesis MEE一99一lODesign ofWireless Networked Sensors Based onStandard Of IEEE 1451and Bluetooth ProtocolTong Libiao*Xu K曲u水l,o Mei T
20、ao口Institute of Automation,Hefei University of Technology。Hefei,P.R.Chinalnstitute of Intelligent Machines,Chinese Academy Sciences,Hefei,P.R.ChinaAbstract Wireless Integrated Network Sensors(WINSare developed using Standard of IEEE 1451and Bluetooth protocol,and the serxsors can be connected to the
21、 internet by plugandplay.In this paper,the stand ard of IEEE 1451and Bluetooth technology are described,a design plan of the WINS based on the standard of IEEE 1451and Bluetooth protocol is presented and its extensively foreground of application is introduced.Key Words IEEE 1451,BIuetooth protocol,wireless integration networked sensor(WINS专心-专注-专业