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。
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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,。