無線照明系統(tǒng)休眠策略的研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：為解決傳統(tǒng)無線控制系統(tǒng)在空閑時(shí)仍處于完全功耗狀態(tài)，造成能源利用率低的問題，提出一種基于休眠喚醒策略的節(jié)能機(jī)制。首先，網(wǎng)絡(luò)采用有利于節(jié)點(diǎn)休眠的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過節(jié)點(diǎn)配置，保證網(wǎng)絡(luò)通信在節(jié)點(diǎn)休眠期間的可靠性；其次，休眠節(jié)點(diǎn)按照其功能要求，分別采用了事件驅(qū)動和定時(shí)喚醒的機(jī)制，在滿足使用要求的情況下，最大限度地減低功耗；最后，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對上述休眠機(jī)制進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證其有效性和可用性。
關(guān)鍵詞：ZigBee；休眠；照明系統(tǒng)；低功耗

    隨著無線電技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信逐步融入到生活中的各個(gè)方面，家居控制不斷向智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。對于傳統(tǒng)的無線照明控制系統(tǒng)，無線設(shè)備即使在空閑狀態(tài)下，其無線接收部分仍然處于活躍狀態(tài)，等待系統(tǒng)無線控制信號。長時(shí)間不間斷地工作將造成大量的能源浪費(fèi)。針對功耗來源，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)SoC，可以設(shè)計(jì)如下的工作狀態(tài)：正常模式、淺休眠模式、深度休眠模式。本文結(jié)合ZigBee技術(shù)特點(diǎn)，提出一種休眠節(jié)能策略，使無線設(shè)備在不執(zhí)行任何操作的情況下進(jìn)入極低功耗的狀態(tài)，提高能源的利用率。

1 ZigBee技術(shù)
    ZigBee是基于IEEE 802．15．4的一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)可容納大量節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)對點(diǎn)的最大傳輸距離為75 m，在傳輸范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)間可以互相通信，支持多種自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
    與傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)相比，ZigBee具有以下特點(diǎn)。省電：兩節(jié)五號電池工作時(shí)間可達(dá)2年；可靠：采用CSMA／CA避免數(shù)據(jù)沖突；高容量：網(wǎng)絡(luò)最多可容納65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)；低成本；低速率：傳輸速率為250 Kb／s；高安全性：支持AES-128加密。因此ZigBee多應(yīng)用于有成本和功耗要求，且傳輸速率較低，數(shù)據(jù)量較少的場合。

2 系統(tǒng)規(guī)劃
    如圖1所示，系統(tǒng)由嵌入式控制器、照明控制節(jié)點(diǎn)、開關(guān)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)組成。

    嵌入式控制器集中監(jiān)視和控制照明系統(tǒng)的狀態(tài)，用戶可以通過嵌入式控制器查看系統(tǒng)中所有照明設(shè)備的狀態(tài)，并能通過觸摸屏對其進(jìn)行控制。開關(guān)節(jié)點(diǎn)作為次級控制單元，可發(fā)送開關(guān)信號到照明節(jié)點(diǎn)，控制其開關(guān)狀態(tài)。然而照明節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中的執(zhí)行設(shè)備，接收控制命令和執(zhí)行相應(yīng)的動作。每個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)可與多個(gè)照明節(jié)點(diǎn)綁定。
2．1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />     ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，一般存在三種功能設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(具有建立網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能)、路由器(具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能)和終端設(shè)備(不具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能)。本系統(tǒng)采用圖1所示的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它是一種可靠性高，網(wǎng)絡(luò)容量大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中放置若干個(gè)特殊的路由器，專門負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。一般情況下，網(wǎng)絡(luò)中僅有協(xié)調(diào)器和路由器處于活躍狀態(tài)，終端設(shè)備進(jìn)入休眠模式。
2．2 節(jié)點(diǎn)配置
    根據(jù)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的功能要求，嵌入式控制器能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制，被配置成協(xié)調(diào)器，作為網(wǎng)絡(luò)的建立者；路由節(jié)點(diǎn)作為特殊的節(jié)點(diǎn)，僅作為數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不執(zhí)行其他操作；而開關(guān)節(jié)點(diǎn)僅在手動開關(guān)操作后被喚醒，在網(wǎng)絡(luò)中活躍的時(shí)間較短，不需進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，被配置為終端設(shè)備。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)節(jié)能方案實(shí)現(xiàn)
    網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)熱點(diǎn)之一。因此，需要通過從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2個(gè)方面提出和總結(jié)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)方法。常見的ZigBee SoC解決方案中，節(jié)點(diǎn)由處理器(MCU)、無線收發(fā)器(RF)、外設(shè)和供電部分組成。其中，處理器作為節(jié)點(diǎn)的核心單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和芯片內(nèi)部資源的調(diào)配；無線收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)包收發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。
    對于SoC架構(gòu)，可采用單部件無線傳感器休眠模型進(jìn)行分析。根據(jù)參考文獻(xiàn)，無線收發(fā)器是節(jié)點(diǎn)功耗的主要來源。一般情況下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量較小，大部分節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)。為減小網(wǎng)絡(luò)的能源消耗，可利用ZigBee節(jié)點(diǎn)提供的多種休眠模式，關(guān)閉空閑節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)器，使處理器進(jìn)入休眠狀態(tài)。
3．1 事件驅(qū)動
    開關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能在于檢測開關(guān)面板的操作，發(fā)送開關(guān)信息到相應(yīng)的照明節(jié)點(diǎn)，不需主動參與無線通信。開關(guān)節(jié)點(diǎn)采用能耗最低的深度休眠模式，關(guān)閉數(shù)字穩(wěn)壓器、高速RC振蕩器和所有晶體振蕩器，只能通過外部中斷進(jìn)行喚醒，其休眠和喚醒過程如圖2所示。

   
         
3．2 定時(shí)喚醒
    照明節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)中的執(zhí)行部分，其主要的工作為接收控制信號和執(zhí)行相應(yīng)操作。由于其需要等待無線控制信號來觸發(fā)服務(wù)，因此不能采取通過外部中斷的方式進(jìn)行喚醒。淺休眠模式提供定時(shí)器喚醒功能，該模式下關(guān)閉數(shù)字穩(wěn)壓器、高速RC振蕩器和高速晶振，僅保留低速晶振提供時(shí)鐘，可通過睡眠定時(shí)器定時(shí)對MCU進(jìn)行喚醒。

    如圖3所示，睡眠定時(shí)器以周期tperiod對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒。整個(gè)喚醒過程與開關(guān)節(jié)點(diǎn)相同，其平均功率為：
   
    照明節(jié)點(diǎn)作為無線照明系統(tǒng)的應(yīng)用執(zhí)行部分，是直接為用戶提供服務(wù)的部件。實(shí)施休眠機(jī)制后，設(shè)備大部分時(shí)間將處于休眠狀態(tài)，只是周期性蘇醒過來收發(fā)數(shù)據(jù)或者檢測信道的狀態(tài)。若休眠時(shí)間過長，則會影響設(shè)備對控制信號的響應(yīng)速度，甚至導(dǎo)致控制信號傳輸失敗，因此應(yīng)用中需要對休眠時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評估，避免用戶等待時(shí)間過長或操作失敗。

4 數(shù)據(jù)分析
    本系統(tǒng)以CC2430為無線通信芯片，以高性能8051為內(nèi)核，集成ZigBee RF收發(fā)器。如上文所述，無線節(jié)點(diǎn)采取兩種不同的休眠喚醒機(jī)制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能策略。根據(jù)參考文獻(xiàn)，獲得數(shù)據(jù)分析如圖4和圖5所示。

    由圖4可見，影響開關(guān)節(jié)點(diǎn)功率大小的因素有運(yùn)行時(shí)間trun和開關(guān)次數(shù)n。其中，trun與通信過程有關(guān)，控制信息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)越多，trun越大；而開關(guān)次數(shù)n則由使用習(xí)慣決定，平均功率隨開關(guān)的頻繁程度增加而增大。若某開關(guān)信息需要同時(shí)控制2個(gè)照明節(jié)點(diǎn)(trun=30 ms)，每天開關(guān)20次，平均功率約為0．5 mW；控制3個(gè)節(jié)點(diǎn)，每天開關(guān)10次，其平均功率則為0．31 mW。如圖5所示，照明節(jié)點(diǎn)的平均功率由運(yùn)行時(shí)間trun和喚醒周期tperiod決定。其中，trun與電路設(shè)計(jì)和執(zhí)行器件有關(guān)；喚醒周期與網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度有關(guān)，tperiod越大，網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間就越長。在照明的控制中，對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不大，同時(shí)考慮到節(jié)能和用戶操作的要求，喚醒周期取值在250～400 ms之間，照明節(jié)點(diǎn)的功率可控制在10mW以下。

5 結(jié)語
    本文的無線照明系統(tǒng)休眠策略，不但能夠應(yīng)用在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)還可以應(yīng)用在處理器和無線收發(fā)器組成的多部件無線節(jié)點(diǎn)中。研究結(jié)果證明，對無線節(jié)點(diǎn)各部件進(jìn)行休眠喚醒策略，能有效控制其功耗，提高能源利用率，在家庭自動化和節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢下，將具有較好的參考價(jià)值。