0.引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域，有著巨大的科學意義，在軍事國防、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、交通管理等各個領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景，它將對人類的生活產(chǎn)生重大的影響[[i],[ii]]。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》將傳感器網(wǎng)絡(luò)定位成21世紀高技術(shù)領(lǐng)域的四大支柱性產(chǎn)業(yè)之一。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，被稱之為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的“大腦”[[iii]]。因此，本文主要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器做主要介紹，包括其作用和軟硬件設(shè)計等。

1.協(xié)調(diào)器的作用

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的主要功能是協(xié)調(diào)建立網(wǎng)絡(luò)，其他功能還包括：傳輸網(wǎng)絡(luò)信標、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息，并且提供關(guān)聯(lián)節(jié)點之間的路由信息；此外，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要存儲一些基本信息，如節(jié)點數(shù)據(jù)設(shè)備、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表及設(shè)備關(guān)聯(lián)表等。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有三種：星型網(wǎng)絡(luò)、樹簇型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)[[iv]]。其中，定義了兩種設(shè)備：全功能設(shè)備（FFD，F(xiàn)ull-functionDevice）和精簡功能設(shè)備（RFD，Reduced-functionDevice）[[v]]。與RFD相比，F(xiàn)FD在硬件功能上比較完備。在通信能力上，F(xiàn)FD可以與是由于其他的FFD或RFD通信，而RFD只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD進行通信[[vi]]。下面就三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)器的作用進行簡單描述。

1.1星型網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的作用

在星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中有一個稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的中央控制器和若干個從設(shè)備，如圖1.1所示。協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡(luò)的建立和維護，它必須是FFD節(jié)點，而且一般來說應(yīng)該有穩(wěn)定的電能供給，不需要考慮耗能問題。從設(shè)備可以是FFD節(jié)點，在大多數(shù)情況下是采用電池供電的RFD節(jié)點，它只能直接與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)通信，而與其他從設(shè)備之間的通信必須通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。在一個網(wǎng)絡(luò)中哪個設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般來說是由上層規(guī)定的，不在ZigBee協(xié)議規(guī)定的范圍之內(nèi)。比較簡單的方法就是讓首先啟動的FFD成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在這種情況下，當一個FFD節(jié)點上電開始工作時，它就會檢測周圍的環(huán)境，選擇合適的信道，把自己設(shè)為協(xié)調(diào)器，并選擇一個網(wǎng)絡(luò)標識符，然后建立起自己的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)標識符用來唯一的確定本網(wǎng)絡(luò)，以和其他網(wǎng)絡(luò)相區(qū)分，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的從設(shè)備也是根據(jù)這個網(wǎng)絡(luò)標識符來確定自己和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的從屬關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)建立后，協(xié)調(diào)器就可以允許其他的設(shè)備與自己建立連接從而加入到該網(wǎng)絡(luò)中。至此，一個星型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)就建立起來了。

圖1.1 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)圖

1.2樹簇型網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的作用

在分布范圍相對較大的應(yīng)用場合，樹型拓撲結(jié)構(gòu)是一種合適的結(jié)構(gòu)形式，如圖1.2所示。圖中，處于網(wǎng)絡(luò)最末端的稱為“葉”節(jié)點，它們是網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。若干個葉節(jié)點設(shè)備連接在一個全功能節(jié)點(FFD)上形成一個“簇”，若干個“簇”再連接就形成“樹”，故稱為樹簇型拓撲網(wǎng)絡(luò)。樹簇型拓撲網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中的大部分節(jié)點是FFD，半功能節(jié)點(RFD)只能作為葉節(jié)點處于樹枝的末端。在這種網(wǎng)絡(luò)中有一個主協(xié)調(diào)器，作為主協(xié)調(diào)器的節(jié)點應(yīng)該具有更多的資源、穩(wěn)定可靠的供電等。在建立這樣的網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器啟動建立網(wǎng)絡(luò)后，首先選擇網(wǎng)絡(luò)標識符，將自己短地址設(shè)置為0，然后開始向它鄰近的設(shè)備發(fā)送信標，接受其他設(shè)備的連接，形成樹的第一級。協(xié)調(diào)器與這些設(shè)備之間形成父子關(guān)系。與協(xié)調(diào)器建立了連接的設(shè)備都分配了一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址——稱為短地址。如果設(shè)備以終端設(shè)備的身份接入網(wǎng)絡(luò)，則協(xié)調(diào)器會為它分配一個唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址；如果設(shè)備以路由器的身份與網(wǎng)絡(luò)建立連接，則協(xié)調(diào)器會為它分配一個地址塊——包含有若干16位短地址。路由器根據(jù)它接收到的協(xié)調(diào)器信標的信息，配置并發(fā)送它自己的信標，允許其他的設(shè)備與自己建立連接，成為其子設(shè)備。這些子設(shè)備中可以有路由器，它們可以有自己的子設(shè)備，如此下去形成多級樹簇型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。顯然，樹簇型網(wǎng)絡(luò)是利用路由器對星型網(wǎng)絡(luò)的擴充。

圖1.2 樹簇型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖1.3 網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

1.3網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)

如圖1.3所示，網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)是一個自由設(shè)計的拓撲，具有很高的適應(yīng)環(huán)境的能力。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都是一個小的路由器，都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡(luò)最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點的通訊路徑不是唯一的。網(wǎng)型拓撲與星型、樹簇型相比，更加復(fù)雜，其路由拓撲是動態(tài)的，不存在一個固定可知的路由模式。這樣信息傳輸時間更加依賴瞬時網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計。更重要的是，即使對一個經(jīng)驗豐富的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計師來說，定性地分析網(wǎng)型算法也是一件極具挑戰(zhàn)的工作?？紤]網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和應(yīng)用場合，我們采用星型網(wǎng)絡(luò)和樹簇型網(wǎng)絡(luò)組建環(huán)境檢測系統(tǒng)。

2.協(xié)調(diào)器程序設(shè)計

圖2.1協(xié)調(diào)器軟件流程

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序主要包括協(xié)調(diào)建立網(wǎng)絡(luò)、檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、發(fā)送維護信號、發(fā)送采集命令等。協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖2.1所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后首先進行初始化，具體包括芯片初始化、協(xié)議棧初始化、串口初始化、硬件初始化等。其中芯片、協(xié)議棧、串口初始化工作可分別調(diào)用協(xié)議棧自帶的初始化函數(shù)實現(xiàn)，硬件初始化函數(shù)則根據(jù)自己設(shè)計電路板的硬件進行裁剪。整個協(xié)議棧是以一個OS（operatingsystem）貫穿的，因此初始化完成之后將通過osal_strar_system()函數(shù)進入操作系統(tǒng)。這個函數(shù)也是任務(wù)同的主循環(huán)函數(shù)，它將檢查所有的任務(wù)事件并為含有該事件的任務(wù)調(diào)用任務(wù)事件處理函數(shù)。每個任務(wù)事件都對應(yīng)一個ID，當某個事件發(fā)生時，設(shè)置其對應(yīng)的ID號。

圖2.2協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖

各個節(jié)點在通信之前，協(xié)調(diào)器必須先把網(wǎng)絡(luò)建立起來，圖2.2為ZigBee節(jié)點的組網(wǎng)流程圖。協(xié)調(diào)器上電后會搜索網(wǎng)絡(luò)，選擇16個頻道的第一個頻道，發(fā)出一個Channel_Busy幀，請求在這個頻道上的節(jié)點給予回復(fù)。如果此物理空間上存在已經(jīng)使用這個頻道的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，那么這個網(wǎng)絡(luò)中的FFD在接收到Channel_Busy幀后會回復(fù)一個幀，告訴剛上電的FFD這個頻道已經(jīng)被占用。剛上電的FFD接收到回復(fù)幀以后，得知這個頻道已經(jīng)被占用，于是換到下一個頻道，發(fā)送一個Channel_Busy幀。如此下去，直到這個FFD發(fā)出Channel_Busy幀后沒接到任何回復(fù)，于是確認這個頻道是沒有被占據(jù)的空頻道。該FFD在這個空頻道上建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待RFD節(jié)點的加入。這樣一個新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建成功。如果ZigBee網(wǎng)絡(luò)的16個頻道都被占用，F(xiàn)FD就不可能找到空閑的頻道，結(jié)果是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建失敗。

圖2.3檢測網(wǎng)絡(luò)

星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功之后，星型網(wǎng)絡(luò)控制中心就進入正常的工作狀態(tài)，一直處于循環(huán)檢測的狀態(tài)，該部分程序框圖如圖2.3所示。每個周期開始都檢測有無新的終端節(jié)點（RFD）加入網(wǎng)絡(luò)或者有無原來的節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)，如果有就調(diào)用加入/退出網(wǎng)絡(luò)子程序。如果有多個節(jié)點同時要求加入網(wǎng)絡(luò)，隨機延時函數(shù)算出比較快的節(jié)點就會首先發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號。節(jié)點進入接收狀態(tài)，判斷現(xiàn)在信道是否為空。如果隨機延時函數(shù)算出比較快的節(jié)點在于星型網(wǎng)絡(luò)控制中心通信，這時模塊的DR信號就會為高，其他節(jié)點是不能與主機通信的，所以其他節(jié)點只能再進行一個隨機延時，再檢測信道是否為空，如此直到信道為空時才能與星型網(wǎng)絡(luò)控制中心通信，從而加入網(wǎng)絡(luò)。如果連續(xù)3次節(jié)點都檢測出信道被占用，節(jié)點就退出加入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，得下一個加入網(wǎng)絡(luò)時段再加入網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號后，如果收到星型網(wǎng)絡(luò)控制中心的特定的應(yīng)答信號，就表明加入網(wǎng)絡(luò)成功。退出網(wǎng)絡(luò)也是如此。考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性，星型網(wǎng)絡(luò)控制中心只能控制5個終端節(jié)點。

然后，星型網(wǎng)絡(luò)控制中心就發(fā)送網(wǎng)絡(luò)維護信號，檢測網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點是否因斷電或者模塊損壞退出網(wǎng)絡(luò)。如果有這樣的情況存在，我們應(yīng)該及時更換模塊或者電池，以維持整個系統(tǒng)的良好運行。

最后，星型網(wǎng)絡(luò)控制中心就可以發(fā)送命令采集某一個特定終端節(jié)點的數(shù)據(jù)信息如溫度，濕度等或者定時接收來自終端節(jié)點的數(shù)據(jù)信息并在客戶端軟件上顯示。

3.硬件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器采用的MCU是STC89C52RC，射頻芯片是nRF2401，通過串口與PC進行通信為例，介紹協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計。

3.1STC89C52RC電路設(shè)計

（1）MCU基本電路

STC89C52RC的支撐電路包括晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路由兩個30pF的電容和一個11.0592MHz的晶振組成。復(fù)位電路由一個47uF、一個0.1uF的電容、按鍵和10K的電阻組成。具體連接電路如3.1圖所示。

圖3.1STC89C52RC基本電路

（2）串口通信電路

STC89C52RC支持串口通信，需要2根線：TX和RX，分別進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由于串口可能接到電腦的串口外設(shè)，會產(chǎn)生電平不匹配的問題，因此需要通過一個電平轉(zhuǎn)換的集成電路，本方案選用的是MAXIM公司的MAX323，具體線路邏輯示意圖見圖3.2。

（3）USB轉(zhuǎn)串口下載電路

我們選用USB接口轉(zhuǎn)換芯片PL2303，它是移動系統(tǒng)合嵌入式系統(tǒng)得理想選擇，其小封裝能夠嵌入任何連接件和手持設(shè)備。PL2303在工作模式和休眠模式都具有很低的功耗，非常適合總線供電場合使用。PL2303的輸出電壓可調(diào)，可以滿足類RS232接口的5V、3.3V、2.5V之間的電壓。

圖3.2串行電路連接圖

PL2303外圍電路如圖3.3所示，PL2303將應(yīng)用程序通過USB轉(zhuǎn)成串口下載到STC89C52RC微處理器中。PL2303的驅(qū)動程序可在其官方網(wǎng)站上下載，用戶使用非常方便。其片內(nèi)已存儲固件程序，若用戶需要增加或修改其功能，可自己編寫固件程序。PL2303默認的是COM3口，可修改，需要我們編程時注意。圖3.3中的LED是USB是否連接正常的指示燈，當USB插座插入PC機后，PC機為USB總線提供5V電壓，此時LED保持亮的狀態(tài)，當拔下USB插座后，LED自動熄滅。

圖3.3 PL2303 外圍電路

3.2RF收發(fā)模塊電路的設(shè)計

圖3.4nRF外圍電路

（1）nRF24L01無線通信模塊

無線通信模塊nRF2401外圍電路設(shè)計原理圖如圖3.4所示。射頻電路對于電源噪聲相當敏感，尤其是對毛刺電壓和調(diào)頻諧波，因此在布線時，采用星形布線使數(shù)字部分和RF部分有各自的電源線路，并且在靠近集成電路電源引腳處分別去耦。此外，所有對地線層的連接必須盡量短。所述方法有利于提高射頻電路PCB設(shè)計的可靠性，解決電磁干擾問題，進而達到電磁兼容的目的。

（2）STC89C52RC與nRF2401接口電路

STC89C52RC與nRF2401接口電路如圖3.5所示。采用低功耗STC89C52RC微控制器，使該控制器實現(xiàn)與nRF2401芯片的PWR_UP、CE、DR1、CS、CLK1、DATA等引腳相連。其中PWR_UP主要用于控制芯片的工作狀態(tài)，如開機方式或關(guān)機方式；CE引腳主要用于控制nRF2401工作方式，如接收方式或發(fā)送方式；DR1引腳用于產(chǎn)生中斷信號，便于微控制器控制能夠及時處理與無線收發(fā)有關(guān)的事件；CS引腳主要作為芯片的片選信號；其余各引腳都與SPI接口通信相關(guān)。

圖3.5STC89C52RC與nRF2401接口電路

（3）電源電路的設(shè)計

協(xié)調(diào)器電路中有兩個電壓標準即為5V和3.3V。STC89C52RC微處理器接PC的USB接口，采用5V供電。nRF2401采用3.3V供電。要使得兩者工作同一電源下，必須進行電壓轉(zhuǎn)化。

3.3硬件電路的抗干擾措施

節(jié)點電路系統(tǒng)及節(jié)點間通信的可靠性由多種因素決定，其中系統(tǒng)抗干擾性能是可靠性的重要指標。有效的抗干擾措施，對節(jié)點射頻電路的正常工作、節(jié)點間通信的可靠性尤為重要，因此，如何防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，就成為系統(tǒng)PCB設(shè)計的一個非常重要的技術(shù)內(nèi)容。硬件電路在設(shè)計中可以采用設(shè)置去耦電容、合理布線、抑制印制板輻射噪聲等抗干擾措施。

4.協(xié)調(diào)器與非協(xié)調(diào)器節(jié)點間的通信

協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡(luò)的建立和維護，它必須是FFD節(jié)點，而且一般來說應(yīng)該有穩(wěn)定的電能供給，不需要考慮耗能問題。從設(shè)備可以是FFD節(jié)點，在大多數(shù)情況下是采用電池供電的RFD節(jié)點，它只能直接與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)通信，而與其他從設(shè)備之間的通信必須通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。通信模塊軟件分為主程序、建立通信鏈路子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、打包發(fā)送子程序、中斷接收子程序、模式轉(zhuǎn)換子程序(包括MCU和射頻nRF2401)等。主程序主要是初始化單片機串口和設(shè)置ZigBee模塊的一些參數(shù)，包括內(nèi)部各種寄存器的設(shè)置、工作模式的設(shè)置(如波特率)等,完成后開中斷，循環(huán)等待中斷。傳感器節(jié)點打開電源,初始化單片機串口、ZigBee模塊,建立通信鏈路后進入休眠模式。當協(xié)調(diào)器節(jié)點收到中斷請求時觸發(fā)中斷,激活節(jié)點，利用串行口中斷發(fā)送或接收信息包,接收數(shù)據(jù)時調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序分析節(jié)點發(fā)來的事件，對不同的數(shù)據(jù)類型如:新數(shù)據(jù)廣播、路由請求、路由回復(fù)、數(shù)據(jù)幀等做出相應(yīng)的處理；接收完成后還要執(zhí)行校驗，根據(jù)校驗結(jié)果決定是丟棄該幀，還是做出相應(yīng)的反應(yīng)。處理完畢后繼續(xù)進入休眠狀態(tài),等待有請求時再次激活。若有多個從節(jié)點同時向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送請求，協(xié)調(diào)器節(jié)點來不及響應(yīng)處理而丟掉一些請求，發(fā)現(xiàn)自己的請求未得到響應(yīng)的從節(jié)點過幾秒鐘再次發(fā)出請求，直到得到協(xié)調(diào)器節(jié)點的響應(yīng)為止。

在協(xié)調(diào)器節(jié)點和非協(xié)調(diào)器節(jié)點通信時，可以通過合理設(shè)計非協(xié)調(diào)器節(jié)點的通信半徑，達到最小化網(wǎng)絡(luò)消耗總能量的目的。通過自內(nèi)而外一次最小化每層節(jié)點的平均能耗可以確定每層節(jié)點的通信半徑。當每層節(jié)點的能耗達到最小時，我們可以通過密度調(diào)節(jié)、引入移動傳感器節(jié)點等方式實現(xiàn)每層節(jié)點的能耗均衡，從而在真正意義上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命最大化。

5.結(jié)束語

綜上所述，本文針對協(xié)調(diào)器在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的特殊地位，從協(xié)調(diào)器在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的作用，軟硬件設(shè)計，通信等方面對協(xié)調(diào)器做了較為全面的介紹，并給出了詳細的程序設(shè)計流程圖和具有實用價值的硬件設(shè)計電路，對協(xié)調(diào)器的研究和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究具有重要意義。

參考文獻

[[1]]AkyildizIF,SuW,SankarasubramaniamY,etal.WirelessSensorNetworks:asurvey[J].ComputerNetworks,2002,38(4):393-422.

[[1]]CrullerD,EstrinD,SrivastavaM.OverviewofSensorNetworks[J].Computer,2004,37(8):41-49.

[[1]]昂志敏,金海紅,范之國等.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與通信實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,10:47-49.

[[1]]呂治安編著.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:5-20.

[[1]]李文仲,段朝玉.ZigBee無限網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:24-35.

[[1]]陳彥名.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計及其應(yīng)用開發(fā)[D].哈爾濱理工大學,2009.

作者簡介：

李姍姍，1988年3月，女，碩士研究生在讀，山東大學控制科學與工程學院，學生，研究方向為控制科學與工程、能效分析與評估。

何印洲，1987年5月，男，碩士研究生在讀，山東大學控制科學與工程學院，學生，研究方向為DCS控制系統(tǒng)。

通訊地址：山東省濟南市經(jīng)十路19723號山東大學千佛山校區(qū)控制學院

郵編：250061

聯(lián)系電話：15966312146（李姍姍）

E-mail：lishanshan987654@163.com