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方面，針對功耗來源，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點SoC，可以設(shè)計如下的工作狀態(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，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，點對點的最大傳輸距離為75 m，在傳輸范圍內(nèi)節(jié)點間可以互相通信，支持多種自組織網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
與傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)相比，ZigBee具有以下特點。省電：兩節(jié)五號電池工作時間可達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個節(jié)點;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、開關(guān)節(jié)點和路由節(jié)點組成。
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行控制。開關(guān)節(jié)點作為次級控制單元，可發(fā)送開關(guān)信號到照明節(jié)點，控制其開關(guān)狀態(tài)。然而照明節(jié)點是系統(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。每個開關(guān)節(jié)點可與多個照明節(jié)點綁定。
2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲
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)狀拓撲結(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)中放置若干個特殊的路由器，專門負責進行數(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)備進入休眠模式。
2.2 節(jié)點配置
根據(jù)系統(tǒng)各節(jié)點的功能要求，嵌入式控制器能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進行集中控制，被配置成協(xié)調(diào)器，作為網(wǎng)絡(luò)的建立者;路由節(jié)點作為特殊的節(jié)點，僅作為數(shù)據(jù)匯聚點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不執(zhí)行其他操作;而開關(guān)節(jié)點僅在手動開關(guān)操作后被喚醒，在網(wǎng)絡(luò)中活躍的時間較短，不需進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，被配置為終端設(shè)備。
3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點節(jié)能方案實現(xiàn)
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點低功耗設(shè)計是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)熱點之一。因此，需要通過從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2個方面提出和總結(jié)節(jié)點的低功耗設(shè)計方法。常見的ZigBee SoC解決方案中，節(jié)點由處理器(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)點的核心單元，負責數(shù)據(jù)處理和芯片內(nèi)部資源的調(diào)配;無線收發(fā)器進行數(shù)據(jù)包收發(fā)，實現(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行分析。根據(jù)參考文獻，無線收發(fā)器是節(jié)點功耗的主要來源。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)點提供的多種休眠模式，關(guān)閉空閑節(jié)點的無線收發(fā)器，使處理器進入休眠狀態(tài)。
3.1 事件驅(qū)動
開關(guān)節(jié)點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，不需主動參與無線通信。開關(guān)節(jié)點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行喚醒，其休眠和喚醒過程如圖2所示。
3.2 定時喚醒
照明節(jié)點作為系統(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行喚醒。淺休眠模式提供定時器喚醒功能，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鐘，可通過睡眠定時器定時對MCU進行喚醒。
如圖3所示，睡眠定時器以周期tperiod對節(jié)點進行喚醒。整個喚醒過程與開關(guān)節(jié)點相同，其平均功率為：
照明節(jié)點作為無線照明系統(tǒng)的應(yīng)用執(zhí)行部分，是直接為用戶提供服務(wù)的部件。實施休眠機制后，設(shè)備大部分時間將處于休眠狀態(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)用中需要對休眠時間進行實驗評估，避免用戶等待時間過長或操作失敗。
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)點采取兩種不同的休眠喚醒機制，實現(xiàn)節(jié)能策略。根據(jù)參考文獻，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)點功率大小的因素有運行時間trun和開關(guān)次數(shù)n。其中，trun與通信過程有關(guān)，控制信息的目標節(jié)點越多，trun越大;而開關(guān)次數(shù)n則由使用習慣決定，平均功率隨開關(guān)的頻繁程度增加而增大。若某開關(guān)信息需要同時控制2個照明節(jié)點(trun=30 ms)，每天開關(guān)20次，平均功率約為0.5 mW;控制3個節(jié)點，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)點的平均功率由運行時間trun和喚醒周期tperiod決定。其中，trun與電路設(shè)計和執(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)時間就越長。在照明的控制中，對系統(tǒng)的實時性要求不大，同時考慮到節(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)點的功率可控制在10mW以下。
5 結(jié)語
研究結(jié)果證明，對無線節(jié)點各部件進行休眠喚醒策略，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值。
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