基于休眠喚醒策略的無(wú)線照明節(jié)能機(jī)制
隨著無(wú)線電技術(shù)的不斷發(fā)展,無(wú)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(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線照明控制系統(tǒng),無(wú)線設(shè)備即使在空閑狀態(tài)下,其無(wú)線接收部分仍然處于活躍狀態(tài),等待系統(tǒng)無(wú)線控制信號(hào)。長(zhǎng)時(shí)間不間斷地工作將造成大量的能源浪費(fèi)。針對(duì)功耗來(lái)源,對(duì)于無(wú)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(wú)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(wú)線通信技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)可容納大量節(jié)點(diǎn),點(diǎn)對(duì)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(wú)線通信技術(shù)相比,ZigBee具有以下特點(diǎn)。省電:兩節(jié)五號(hào)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(chǎng)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(kāi)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(hù)可以通過(guò)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(guò)觸摸屏對(duì)其進(jìn)行控制。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為次級(jí)控制單元,可發(fā)送開(kāi)關(guān)信號(hào)到照明節(jié)點(diǎn),控制其開(kāi)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(dòng)作。每個(gè)開(kāi)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)?/STRONG>
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(zhuān)門(mén)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(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)僅在手動(dòng)開(kāi)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)之一。因此,需要通過(guò)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(jiàn)的ZigBee SoC解決方案中,節(jié)點(diǎn)由處理器(MCU)、無(wú)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(wú)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(duì)于SoC架構(gòu),可采用單部件無(wú)線傳感器休眠模型進(jìn)行分析。根據(jù)參考文獻(xiàn),無(wú)線收發(fā)器是節(jié)點(diǎn)功耗的主要來(lái)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(wú)線收發(fā)器,使處理器進(jìn)入休眠狀態(tài)。
3.1 事件驅(qū)動(dòng)
開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能在于檢測(cè)開(kāi)關(guān)面板的操作,發(fā)送開(kāi)關(guān)信息到相應(yīng)的照明節(jié)點(diǎn),不需主動(dòng)參與無(wú)線通信。開(kāi)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(guò)外部中斷進(jìn)行喚醒,其休眠和喚醒過(guò)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(hào)和執(zhí)行相應(yīng)操作。由于其需要等待無(wú)線控制信號(hào)來(lái)觸發(fā)服務(wù),因此不能采取通過(guò)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(guò)睡眠定時(shí)器定時(shí)對(duì)MCU進(jìn)行喚醒。
如圖3所示,睡眠定時(shí)器以周期tperiod對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒。整個(gè)喚醒過(guò)程與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)相同,其平均功率為:
照明節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線照明系統(tǒng)的應(yīng)用執(zhí)行部分,是直接為用戶(hù)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(guò)來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)或者檢測(cè)信道的狀態(tài)。若休眠時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則會(huì)影響設(shè)備對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)速度,甚至導(dǎo)致控制信號(hào)傳輸失敗,因此應(yīng)用中需要對(duì)休眠時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估,避免用戶(hù)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或操作失敗。
4 數(shù)據(jù)分析
本系統(tǒng)以CC2430為無(wú)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(wú)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(jiàn),影響開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)功率大小的因素有運(yùn)行時(shí)間trun和開(kāi)關(guān)次數(shù)n。其中,trun與通信過(guò)程有關(guān),控制信息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)越多,trun越大;而開(kāi)關(guān)次數(shù)n則由使用習(xí)慣決定,平均功率隨開(kāi)關(guān)的頻繁程度增加而增大。若某開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(zhǎng)。在照明的控制中,對(duì)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(hù)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(yǔ)
本文的無(wú)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(wú)線收發(fā)器組成的多部件無(wú)線節(jié)點(diǎn)中。研究結(jié)果證明,對(duì)無(wú)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(dòng)化和節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)下,將具有較好的參考價(jià)值。
評(píng)論