基于ZigBee的休眠喚醒策略

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(diǎn)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(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。每個開關(guān)節(jié)點(diǎn)可與多個照明節(jié)點(diǎn)綁定。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

　　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)計和軟件設(shè)計2個方面提出和總結(jié)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計方法。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。

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