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文檔簡介
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(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,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?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。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;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(jìn)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?fù)鋃igBee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(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)點作為特殊的節(jié)點,僅作為數(shù)據(jù)匯聚點進(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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行喚醒。如圖3所示,睡眠定時器以周期tperiod對節(jié)點進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)制,實現(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)點功率大小的因素有運(yùn)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(biāo)節(jié)點越多,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(yùn)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
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