读标准02-IEEE1451.5-智能无线传感器标准介绍

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这里介绍 1451.5 标准中对于 1451.0 参考标准的一些新/兼容部分的介绍 1451.5 标准源文。图片侵删。对于个人来说，如果他们想在业余时间玩使用这个标准来实现和体验每个组件的神奇自我识别、自我组织网络和即插即用，主要是实现 【阅读标准01】文章介绍的 1451.0 标准定义的 消息（message）和电子数据表（TEDS）这两个功能不需要实现标准所描述的一切，实现你认为关键/不可或缺的一部分。

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目录

1451.5 的基本拓扑

一个实例

即插即用性能测试

1451.5 例如标准的变化

连接拓扑

状态图

定义服务质量

定义错误代号

命令集

PHY TEDS

NCAP 和 WTIM 流程图

一些注意事项

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1451.5 的基本拓扑

图源：论文《基于》IEEE_1451.5标准物联网系统结构设计_陶星珍》

网关所示 5 所示。传感器节点上电时，自动向网关广播消息，然后等待网关响应；网关收到传感器节点的消息后，分析命令的类号和功能号，然后回应，如读取传感器数据和传感器 TEDS 或者写传感器 TEDS等等；当床啊七年节点收到后，将根据 1451.0 格式生成响应信息并发回网关。

1451.5 拓扑 如下图所示，协议栈。

一个实例

1451.5 如下图所示，智能称重传感器系统架构。图源：论文基于IEEE_1451.5高精度智能称重传感器系统_陈耿新》

在上述实例中，1451.5 传感器自识别过程如下图所示。

WTIM 在成功接入 ZigBee 网络后，向 NCAP 自识别操作发送自识别中断请求； WTIM、NCAP 收到对方消息帧后，任何一方应返回确认答复 帧，如果发送方在规定时间内未收到对方确认的响应帧，则重新发送数据，直到发送成功或发送次数达到最大值。

TEDS 配置是 IEEE 1451 智能传感器自识别的关键环节。TEDS 配置流程包括： NCAP 接收到各TEDS 之后，通过验证和字段验证其完整性和正确性；验证 TEDS 分析、翻译、获取WTIM 及其通道相关信息、 参数， 然后根据这些信息和参数配置相关资源，如 NCAP 配置校正引擎相关参数，实现数据解耦和校正。

即插即用性能测试

引用:论文《基础》IEEE_1451.5高精度智能称重传感器系统_陈耿新》

平均第一次入网时间 tf、平均重新入网时间 tr、平均断网识别时间 tc作为评价指标。

• 第一次入网的平均时间 tf 定义为从 WTIM 首次向 NCAP 发送入网请求直至收到 NCAP 入网确认所需平均时间；

• 平均重新入网时间 tr 定义为加入网络 WTIM 断开连接后，断开连接， 从WTIM 再次发送入网请求， 直至其收到 NCAP 入网确认所需平均时间；

• 平均断网识别时间 tc 定义为从WTIM 故障或断电开始，到 NCAP 识别 WTIM 平均断网时间。

tf， tr， tc 智能称重传感器越小，越小 ZigBee 即插即用性能越好。

智能传感器系统 ZigBee 即插即用测试结果如下表所示。

1451.5 例如标准的变化

1451.5 标准参考模型，物理层 TEDS（PHY TEDS） 和命令遵循 1451.0 标准。但变化的例子如下。

• TIM 与 NCAP 连接拓扑关系有新的定义(5).1、5.2 小节）；

• NCAP 和 TIM 状态图新定义(5).4、5.5 小节）；

• 服务质量定义(5).6 小节）；

• 定义错误代码(5).7 小节）；

• 命令集；

• TEDS 除了 PHY TEDS，其他一样（5.3 小节）；

• WLAN 一些章节的特殊定义(第 9 章）。

以下 TIM 都叫做 WTIM（Wireless Transducer Interface Module）。

连接拓扑

NCAP 和 WTIM 连接拓扑基本和 1451.0 中定义的 NCAP 和 TIM 一致，但 NCAP 与 WTIM 的通讯按照 1451.5 标准来。

以下是 1451.5 定义的 NCAP 与 WTIM 角色关系。

• An NCAP may route commands and data from an external network to/from a transducer connected to a WTIM.

• An NCAP may register multiple WTIMs.

• A WTIM shall only be registered with a single NCAP.

• A WTIM may interface to multiple transducers.

• WTIM-to-WTIM communication is allowed.

状态图

对于 NCAP 上电后只有两种状态，一种是未连接 WTIM ，一是连接，对 WTIM 有三种状态，前两种相同，连接后，WTIM 给 NCAP 发送自己的 TEDS，告诉自己是开放的（Open）状态传感器通道，切割 开放状态，若 NCAP 回应切回连接状态，开始正常工作。 参 1451.5 标准源文 5.4、5.5 小节。

服务质量定义

服务质量（Quality of service，QoS）用于描述 NCAP 的服务质量，主要表现在 WTIM 对 NCAP 的请求或者传输命令/信息时候 NCAP 的回应延迟时间，举例来说，若前者时间超过 2 秒，或者后者时间超过 20ms，那么 WTIM 可以认为该 NCAP 的服务质量比较次，可以主动断开无线连接。具体 参考 1451.5 标准源文 5.6 小节。

错误代号定义

用于标记 NCAP 或者 WTIM 在 1451 标准定义的协议的范畴上出现失败的情况的类型，比如标记了是 NCAP 或者 WTIM 的错误位置（位于 1451.0 还是 1451.5 层），以及在这一层，是目标地址错了、操作超时了、网络 下线了、TEDS 的格式错了等等等等。具体 参考 1451.5 标准源文 5.7 小节。

命令集

NVAP 与 WTIM 通讯的信息协议格式与 1451.0 是一样的，只是改成借 1451.5 这一层当作中间原样传输层，这里定义了 1451.0 层调用 1451.5 层的中间的要有的一些 API。具体 参考 1451.5 标准源文 5.7 / 9.2 小节。

PHY TEDS

TEDS 的格式为 1451.0 定义的，如下：

1. TED 长度（TED Length），包括 DATA BLOCK 和 CHECKSUM，字节为单位 （占 4 个字节）；

2. 数据区（DATA BLOCK）：

   1. 第一个域类（Field type）（占 1 个字节）；

   2. 第一个域类的 值的长度（Length of Value），字节为单位（占一个字节）；

   3. 第一个域类的值（Value）（占 值的长度 个字节）；

   4. 第二个域类（占 1 个字节）；

   5. 第二个域类的 值的长度，字节为单位（占一个字节）；

   6. 第二个域类的值（占 值的长度 个字节）；

      ...

   7. 以此类推。

3. 校验值（CHECKSUM），从 TED Length 到 DATA BLOCK 的最后一个字节加和，再用 0xFFF 减去该加和值（占两个字节）。

其中 数据区（DATA BLOCK）各个域类的具体定义如下表所示。

释义如下：

• 域类 3，TEDS 头，值占四个字节，具体定义如下；

• 域类 10，无线类型，值占一个字节，具体定义如下；

• 域类 11，速度（bit / s），值占四个字节；

• 域类 12，与此设备的最大连接的可操作设备数，值占两个字节；

• 域类 13，与此节点的最大无线连接数，值占两个字节；

• 域类 14，加密特性，值占两个字节，第一个字节指示加密算法，第二个字节指示加密长度（单位：bit）；

• 等等等等，后面的具体看源文。授人以渔了已经。

NCAP 和 WTIM 流程图

一下内容引自论文《基于IEEE1451.5标准网络传感器的研发_杨吉语》。

WTIM 程序流程图。

NCAP 程序流程图。

传感器即插即用功能实现流程图。

一些注意事项

1. 为了减少多个 TIM 上电后同时给 NCAP 发送 TEDS 信息而造成数据量突增，TIM 应该等待 NCAP 的发送 TEDS 的命令，然后再发送，而不是一上电就主动发送。TIM 都听从 NCAP 来指挥调度，遵守“交通”规则。

2. TIM、NCAP 任一方接收到对方消息帧后须返回应答/响应/回复帧，若发送方在规定时间内没接收到对方确认应答帧则重新发送数据，直至发送成功或发送次数达到最大值。

3. NCAP 与 TIM 建立连接后，在空闲时，与 TIM 心跳通讯，若有连续一定次数的不回应则断连。

4. 使用 WLAN 时候，TIM 将自己的 IP 地址、端口等也存储在 PHY-TEDS 中。

5. 实现的时候要充分考虑系统的扩展性、模块独立性和可移植性，比如还有 NCAP 适应 TIM 的增加入网，TIM 适应多个传感器通道的增加等，还要保持处理算法的小运算量，时间和空间复杂度控制住。

6. 其他【读标准01】文章中提到的注意点。

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首发 知乎 Github 于 2021.7