基于IEEE1451标准的无线变送器模块的设计

由功能。NWK帧格式如图2所示。

2.4 ZigBee协议的APS层

应用层包括应用支持层(APS)、应用框架(AF)和ZigBee设备对象。

支持层(APS)：主要包括APS层协议数据单元APDU的处理、APS数据传输机制和节点间的应用对象绑定。

应用框架(AF)：为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，为每个应用对象提供了键值对服务和报文服务供数据传输使用。

ZigBee设备对象：主要包括设备服务发现。

3 系统设计

本文设计了WTIM模块。该模块用于采集和处理数据，并通过SPZB260模块将数据发送给NCAP，同时实现了TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）、IEEE1451.5标准。SPZB260是专门用于嵌入式开发的低功耗ZigBee模块。

3.1 WTIM模块

WTIM模块主要包括STM32F103C微控制器、SPZB260模块、信号调理器和传感器。其架构图如图3所示。其中，SPZB260模块是与NCAP通信的模块。

图3 WTIM模块架构图

ADC在数据采样中，使用了一阶滤波算法：Y(n)=αX(n) (1-α)+Y(n-1)。式中：α为滤波系数；X(n)为本次采样值；Y(n-1)为上次滤波输出值；Y(n)为本次滤波输出值。

3.2 TEDS

IEEE1451每一层中都有与之对应的TEDS。本文实现了PHYTEDS、MetaTEDS和TransducerChannel TEDS。其通用格式为：

structXXX_TEDS {

UInt32 TEDSlength;

TLV;

……

TLV;

UInt16 Checksum;

}

TEDSlength：XXX_TEDS结构体中除了TEDSlength之外所有字段的长度和。

TLV：一种包含类型(Type)、长度(Length)、值(Value)三个字段的结构体。

Type：XXX_TEDS各个TLV的ID。对于不同的TEDS，即使TLV的ID相同，代表的实际意义也不同。

Length：表示TLV结构体中Value字段的长度。

Value：该字段填充的是具体的TEDS信息。

Checkum：提供了对XXX_TEDS中之前字段（包括TEDSlength和所有TLV字段）的校验和。

校验和计算公式如下：Checksum=0xFFFF-∑TEDSlength+2i=1TEDSOctet(i)

3.3 IEEE1451.5标准的实现

IEEE1451支持3类无线通信协议，本文中实现的是ZigBee协议。IEEE1451.5标准中的ZigBee协议定义了模块功能、接口函数，以及NCAP和WTIM之间的无线通信协议。其定义的协议栈如图4所示。

图4 IEEE1451.5标准的协议栈

PHY层、MAC层、NWK层由SPZB260提供。本文中需要实现APS层和IEEE1451.5会聚层。

APS层采用的是EZSP协议，可通过SPI接口实现。在WTIM模块中，STM32F103C与SPZB260之间通过SPI进行通信，其中STM32F103C配置为SPI主设备，SPZB260配置为从设备。EZSP作为IEEE14515会聚层的应用支持层（APS），以NCAP为协调器的星型网络结构实现，如图5所示。

图5 IEEE1451.5的网络拓扑结构

IEEE14515会聚层定义了IEEE14515和IEEE14510之间的模块通信接口。其中，一部分接口由IEEE1451.5系统提供，被IEEE1451.0调用；另一部分由IEEE1451.0提供。

4 测试与结论

在测试中，针对的是温度传感器和湿度传感器。测试WTIM节点分为两个，每个节点上都有一个温度传感器和湿度传感器。其中，WTIM1放在正常环境下，另一个节点WTIM2放置于一个装满水的容器上方。NCAP通过ZigBee与两个节点进行通信，并可以通过主机监控。测试时以10 Hz的频率进行采样，其结果如图6所示。

图6 WTIM1的温湿度数据

测试结果表明，WTIM节点能正常获取数据，并发送给NCAP，使得NCAP能够正确地获得各节点与响应通道的信息，实现了无线变送器的功能。