CN102196041A

CN102196041A - 一种无线智能传感器及该传感器即插即用的实现方法

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Publication number: CN102196041A
Application number: CN2011101083987A
Authority: CN
Inventors: 刘桂雄; 周岳斌; 陈耿新; 叶季衡; 洪晓斌
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: CN102196041B

Abstract

本发明公开了一种无线智能传感器及该传感器即插即用的实现方法，所述智能传感器符合IEEE 1451.5标准的无线智能传感器，包括网络适配应用处理器NCAP和无线智能传感器接口模块WTIM。所述传感器即插即用的实现方法包括：NCAP设置网络号，选择无线传输频率通道，启动无线网络；WTIM申请加入网络，NCAP分配网络号和网络短地址；NCAP和WTIM启动网络参数保存和定时握手机制；NCAP加载TEDS，获取WTIM的传感器信息，配置传感器通道；NCAP启动传感器通道，WTIM发送传感器测量数据。该方法通过定义通信消息帧格式，设置TEDS数据，启动协议栈事件处理进程监测网络结构变化，采用片外数据存储器实时更新、保存网络参数，借助消息帧的网络短地址字段，采用定时握手机制，在不影响正常数据传输的情况下，使NCAP能及时、准确地识别WTIM接入、断开网络，实现即插即用。

Description

一种无线智能传感器及该传感器即插即用的实现方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种无线智能传感器及该传感器即插即用的实现方法。

背景技术

无线传感器网络是本世纪最具影响力的21项技术之一，综合了传感技术、计算机处理技术以及通信技术的新技术领域，在工业控制、智能家居、医疗保健、环境检测、军事监控等领域中都得到广泛应用。无线传感器网络是由大量智能传感器节点组成，通过无线通信方式构成具有自组织能力网络系统。无线智能传感器作为无线传感器网络的关键部件，其可靠性和灵活性就决定了传感器网络的性能优劣。

无线智能传感器的加入、失效、损坏等会导致无线传感器网络结构的改变，无线传感器网络需要及时调整、组织，以适应网络结构的变化情况，这就要求无线传感器网络具备能对智能传感节点的自识别能力。当添加新的无线智能传感器时无需重新配置、设定，这就要求无线智能传感器具有可扩展性和标准化的外部接口，还要具有即插即用能力，在使用范围内能够满足各种网络结构变化的需要。因此，如何保证无线智能传感器的即插即用是无线传感器网络需要解决的关键技术之一。

目前的无线传感器网络通常采用不同的频率通道或是不同物理地址，来区分和识别不同传感器，但有限的可用地址范围或频率通道范围使网络的可扩展性受到限制。IEEE 1451.5标准规范了无线智能传感器体系结构，实现无线智能传感器在不同现场网络中的互换性、互操作性，为无线智能传感器的标准化和扩展性问题提供了一种有效的解决途径。符合IEEE 1451.5标准的无线智能传感器主要由无线智能传感器接口模块(Wireless Transducer Interface Module，WTIM)和网络适配应用处理器(Network Capable Application Processor，NCAP)构成，通过标准无线接口连接。WTIM采用传感器电子数据表格(Transducers Electronic Data Sheet，TEDS)保存传感器信息，NCAP通过设置和读取TEDS，可获取传感器的各种描述信息。IEEE 1451.5标准定义了无线智能传感器WTIM和NCAP的软、硬件结构，也给出了TEDS的格式和定义，但并未说明WTIM和NCAP实现即插即用的具体方法。本发明所涉及的无线智能传感器即插即用实现方法就是基于IEEE 1451.5标准实现WTIM和NCAP之间的即插即用。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种无线智能传感器。所述技术方案如下：

一种无线智能传感器，包括：

该无线传感器符合IEEE 1451.5标准的无线智能传感器，所述无线传感器包括网络适配应用处理器NCAP和无线智能传感器接口模块WTIM，其中，

网络适配应用处理器NCAP，设置网络号，选择无线传输频率通道；获取无线智能传感器接口模块WTIM的传感信息，配置传感器通道，并启动传感器通道；

无线智能传感器接口模块WTIM，申请加入网络，并获取网络适配应用处理器NCAP分配的网络号和网络短地址；且该无线智能传感器接口模块WTIM还通过网络适配应用处理器NCAP启动的传感器通道发送传感器测量数据。

一种无线智能传感器即插即用的实现方法，包括

NCAP设置网络号，选择无线传输频率通道，启动无线网络；

B、WTIM申请加入网络，NCAP分配网络号和网络短地址；

C、NCAP和WTIM启动网络参数保存和定时握手机制；

D、NCAP加载TEDS，获取WTIM的传感器信息，配置传感器通道；

E、NCAP启动传感器通道，WTIM发送传感器测量数据。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、基于IEEE 1451.5标准，实现普通传感器的无线传输、接口标准化和可扩展性，通过定义通信消息帧格式，设置TEDS数据，实现WTIM的即插即用；

2、启动协议栈事件处理进程监测网络结构变化，采用片外数据存储器实时更新、保存网络参数，系统重启时能迅速恢复网络设置，避免重建网络、搜索网络、加入网络的过程耗时过长；

3、借助消息帧的网络短地址字段，采用定时握手机制，在不影响正常数据传输的情况下，使NCAP能及时、准确地识别WTIM接入、断开网络，及时调整网络结构。

附图说明

图1是基于IEEE 1451.5的即插即用无线智能传感器结构图；

图2是无线智能传感器即插即用实现方法流程图；

图3是无线智能传感器数据帧格式图；

图4是无线智能传感器命令帧格式图；

图5是无线智能传感器确认帧格式图；

图6是传送TEDS数据和配置传感器的操作时序图；

图7是WTIM工作流程图；

图8是NCAP工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：

本实施例提供了一种即插即用无线智能传感器，该传感器是基于IEEE1451.5的即插即用无线智能传感器，其结构如图1所示，无线传感器包括网络适配应用处理器NCAP和无线智能传感器接口模块WTIM，其中，网络适配应用处理器NCAP，设置网络号，选择无线传输频率通道；获取无线智能传感器接口模块WTIM的传感信息，配置传感器通道，并启动传感器通道；无线智能传感器接口模块WTIM，申请加入网络，并获取网络适配应用处理器NCAP分配的网络号和网络短地址；且该无线智能传感器接口模块WTIM还通过网络适配应用处理器NCAP启动的传感器通道发送传感器测量数据。

所述网络适配应用处理器NCAP包括无线微控制器模块JN5139、数据存储、校正引擎与PC机；且该网络适配应用处理器NCAP通过ZigBee标准无线接口与多个无线智能传感器接口模块WTIM连接；所述无线智能传感器接口模块WTIM包括：压力传感器、距离传感器、倾角传感器、温度传感器、信号转换与调理模块、TEDS以及无线微控制器JN5139模块，且该无线智能传感器接口模块WTIM为每个传感器分配不同的传感器通道号。无线微控制器模块选用Jennic公司的芯片JN5139，JN5139兼容了2.4GHz的IEEE 802.15.4与ZigBee通信标准，带有4路12bit的ADC接口ADC1～4，压力传感器输出的模拟信号经信号转换与调理模块转换为合适的电压信号后可直接送入ADC接口测量。JN5139同时提供了SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)接口及21个GPIO(General Purpose Input/Output)引脚，可与距离传感器、倾角传感器、温度传感器三种不同输出形式的数字传感器相连。TEDS包括了传感器的描述信息，包括传感器的物理特征：偏移、灵敏度、限值、校准参数、数字代码、序列号，甚至传感器的厂家信息等，存储在非易失性的数据存储器中。NCAP的JN5139收到WTIM上传的传感数据后，由校正引擎对传感数据进行数据处理，本地PC机通过RS232接口与JN5139连接，可实现传感数据显示和对WTIM中传感器的集中管理。NCAP处理收到的数据之后，将其保存到数据存储中，并借助PC机提供的网络接口，通过网络发布，供远程监控。一个NCAP可以连接若干个WTIM，NCAP需要及时识别不同WTIM的连接和断开，获取WTIM中不同传感器的信息。

本实施例还提供了一种无线智能传感器即插即用的实现方法，参见图2该方法包括以下步骤：

步骤10NCAP设置网络号，选择无线传输频率通道，启动无线网络。

步骤20WTIM申请加入网络，NCAP分配网络号和网络短地址。

步骤30NCAP、WTIM启动网络参数保存和定时握手机制。

步骤40NCAP加载TEDS，获取WTIM的传感器信息，配置传感器通道。

步骤50NCAP启动传感器通道，WTIM发送传感器测量数据。

上述步骤10具体包括：

NCAP启动无线通信协议栈，对PHY和MAC层进行初始化，选定一个网络号作为网络标识，通过能量扫描选择一个无线传输频率通道，NCAP以协调器的模式启动无线网络，开放对WTIM加入网络的请求。

上述步骤20具体包括：

WTIM启动无线通信协议栈，对PHY和MAC层进行初始化，进行频率扫描，向NCAP发送信标请求；NCAP回应相应的网络号向WTIM标识自己，WTIM检测到网络号后，将向NCAP发出加入网络申请；NCAP如果接受WTIM的加入，将分配一个16位的短地址给WTIM，作为WTIM在网络中的标识。

WTIM和NCAP之间的通信利用消息帧格式来组织，包括数据帧、命令帧、确认帧三种类型，它们的帧格式分别如图3、图4、图5所示，消息帧的传输过程为先传高字节再传低字节。帧头和帧尾字段作为消息帧的分界符，用来标识消息帧的开始和结束，各占1个字节，具体的定义和说明见表1；帧长度字段占2字节，是指除了帧头和帧尾外，消息帧其它字段内容的字节数；数据帧的长度值因发送的有效数据载荷不同而可变，命令帧和确认帧的长度值都是9个字节；短地址字段是NCAP给WTIM分配的16位网络短地址，占2字节，NCAP使用0x0000作为网络短地址；通道字段表示消息帧的目的或来源是WTIM的哪个传感器通道，占1字节；校验码字段占2字节，是对除了帧头和帧尾外其它消息帧内容的CRC校验结果；命令类型字段表示NCAP请求执行哪种操作命令，确认类型字段表示WTIM响应哪种操作命令，各占2字节，具体的定义和说明见表2。

表1

表2

上述步骤30具体包括：

NCAP、WTIM启动协议栈事件处理进程，在网络结构变化时保存网络参数(包括网络号、网络短地址、频率通道等)，WTIM向NCAP定时发送握手确认帧。

WTIM的加入、失效、损坏、断电等会导致网络结构的改变，NCAP、WTIM需要及时调整网络参数，采用网络参数保存和定时握手机制使NCAP具备对WTIM的识别能力。WTIM、NCAP分别在各自JN5139芯片的片外数据存储器中保存当前网络参数，一旦协议栈事件处理进程检测到网络结构变化事件发生，立即更新数据存储器中的网络参数，确保JN5139在下一次重启时，能迅速恢复上一次的网络参数，避免重新建立网络、搜索网络、加入网络的过程耗时过长。

NCAP、WTIM定时握手机制实现方法如下：NCAP和WTIM通信忙时，传送的数据帧、命令帧、确认帧三种消息帧的帧格式中包含了16位网络短地址，NCAP可据此判断与该WTIM通信正常；空闲情况下，NCAP和WTIM之间无消息帧传送时，WTIM每隔1秒主动向NCAP发送1个定时握手确认帧，NCAP获得握手确认帧中的网络短地址可判断与该WTIM的通信正常；若连续5秒NCAP未收到包含WTIM网络短地址的消息帧，NCAP主动向WTIM发出定时握手命令帧，若3秒内仍未收到WTIM定时握手确认帧，则判断该WTIM与网络断开。

上述步骤40具体包括：

当网络中出现至少一个WTIM后，NCAP就可以与WTIM进行数据传输了。NCAP向WTIM发送加载TEDS命令，获取WTIM的传感器信息，然后向WTIM发送配置传感器通道命令，使WTIM中的传感器通道以合适的工作进行测量。

NCAP通过加载TEDS，可获得传感器器的各种物理特征和信息，能够迅速配置传感器开始测量，实现即插即用。TEDS数据存储在WTIM的非易失性数据存储器中。IEEE1451.5把TEDS分为8种，本发明实现了其中4种必须具备的TEDS，分别为Meta_TEDS(总体TEDS)、Channel_TEDS(通道TEDS)、Name_TEDS(名称TEDS)、PHY_TEDS(物理TEDS)。

WTIM、NCAP之间传送TEDS数据和配置传感器的操作时序如图6所示。WTIM和NCAP之间采用直接数据传输方式，任一方收到数据帧后必须给对方返回一个表明数据已成功接收的确认帧。

上述步骤50具体包括：

NCAP发送启动传感通道命令，使WTIM中的传感器通道开始测量，测量数据由WTIM的无线微控制器JN5139进行输出，打包成预定的数据帧格式，发送到NCAP的JN5139，由其完成数据校正和保存，实现传感数据显示和网络发布。

WTIM的工作流程如图7所示。WTIM上电复位后，首先进行初始化，如果JN5139芯片的片外数据存储器中已保存网络参数，则自动恢复网络参数，否则搜索当前已有网络，申请加入网络；如果加入网络失败，则重新搜索、申请加入网络；成功加入网络后，查询是否收到NCAP的命令帧或确认帧，有则执行相应的子程序，否则接着查询是否有数据等待发送，有则发送数据帧，无则发送握手确认帧，向NCAP表明WTIM网络连接正常；如果没有收到NCAP的命令帧和确认帧，也无数据需要发送，则继续下一次循环。同时运行的协议栈运行事件处理进程，随时检测是否有加入网络成功、网络参数恢复、消息帧无应答事件发生，并相应采取保存网络参数、添加设备描述、网络连接失败通知的事件处理。

NCAP的工作流程如图8所示。NCAP上电复位后，首先进行初始化，如果JN5139芯片的片外数据存储器中已保存网络参数，则自动恢复网络参数，否则重新建立网络；随后进入无线监控状态，如果有WTIM申请加入网络，则给WTIM分配网络短地址；否则查询是否收到WTIM的数据帧或确认帧，有则执行相应的子程序，否则查询是否有命令发送，有则发送命令帧，无则继续下一次循环。同时运行的协议栈运行事件处理进程，随时检测是否有网络启动、网络参数恢复、网络结构改变事件发生，并相应采取保存网络参数、添加设备描述的事件处理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种无线智能传感器，该无线传感器符合IEEE 1451.5标准的无线智能传感器，其特征在于，所述无线传感器包括网络适配应用处理器NCAP和无线智能传感器接口模块WTIM，其中，

2.根据权利要求1所述的无线智能传感器，其特征在于，所述网络适配应用处理器NCAP和无线智能传感器接口模块WTIM启动网络参数保存和定时握手机制。

3.根据权利要求1所述的无线智能传感器，其特征在于，所述网络适配应用处理器NCAP包括无线微控制器模块JN5139、数据存储、校正引擎与PC机；且该网络适配应用处理器NCAP通过ZigBee标准无线接口与多个无线智能传感器接口模块WTIM连接；所述无线智能传感器接口模块WTIM包括：压力传感器、距离传感器、倾角传感器、温度传感器、信号转换与调理模块、TEDS以及无线微控制器JN5139模块，且该无线智能传感器接口模块WTIM为每个传感器分配不同的传感器通道号。

4.一种无线智能传感器即插即用的实现方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A、NCAP设置网络号，选择无线传输频率通道，启动无线网络；

B、WTIM申请加入网络，NCAP分配网络号和网络短地址；

C、NCAP和WTIM启动网络参数保存和定时握手机制；

D、NCAP加载TEDS，获取WTIM的传感器信息，配置传感器通道；

E、NCAP启动传感器通道，WTIM发送传感器测量数据。

5.根据权利要求4所述的无线智能传感器即插即用的实现方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：所述NCAP通过启动无线通信协议栈对PHY和MAC层进行初始化，选定一个网络号作为网络标识，通过能量扫描选择一个无线传输频率通道，且NCAP以协调器的模式启动无线网络。

6.根据权利要求4所述的无线智能传感器即插即用的实现方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

WTIM启动无线通信协议栈，对PHY和MAC层进行初始化，进行频率扫描，并向NCAP发送信标请求；

NCAP回应相应的网络号向WTIM标识自己，WTIM检测到网络号后，将向NCAP发出加入网络申请；

NCAP如果接受WTIM的加入，将分配一个16位的短地址给WTIM，作为WTIM在网络中的标识。

7.根据权利要求4所述的无线智能传感器即插即用的实现方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：NCAP和WTIM启动协议栈事件处理进程，在网络结构变化时保存网络参数，并且WTIM向NCAP定时发送握手确认帧；其中网络参数包括网络号、网络短地址及频率通道。

8.根据权利要求4所述的无线智能传感器即插即用的实现方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：NCAP向WTIM发送加载TEDS命令，获取WTIM的传感器信息，然后向WTIM发送配置传感器通道命令。

9.根据权利要求4所述的无线智能传感器即插即用的实现方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：NCAP发送启动传感通道命令，使WTIM中的传感器通道开始测量，测量数据由WTIM的无线微控制器进行输出，打包成预定的数据帧格式，发送到NCAP的无线微控制器，由无线微控制器完成数据校正和保存，实现传感数据显示和网络发布。

10.根据权利要求4-9任意一项所述的无线智能传感器即插即用的实现方法，其特征在于，所述WTIM和NCAP之间通信按照指定的消息帧格式来组织，消息帧有数据帧、命令帧、确认帧三种类型，消息帧的传输过程为先传高字节再传低字节；

所述消息帧格式中帧头和帧尾字段作为消息帧的分界符，标识消息帧的开始和结束，各占一个字节。