ZigBee 無線傳感器節(jié)點的節(jié)能設(shè)計

徐閩燕

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程分院 浙江 紹興 312000）

0 引言

ZigBee技術(shù)是為低速數(shù)據(jù)傳輸、低功耗、低成本應(yīng)用而產(chǎn)生的一種新型的無線通信技術(shù)，在應(yīng)用簡單、功耗低、有自組網(wǎng)能力、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、使用成本低等方面有很大優(yōu)勢。ZigBee能彌補(bǔ)IEEE 802.11、藍(lán)牙和超寬帶等短距離無線通信技術(shù)在組網(wǎng)能力和節(jié)能方面的不足，適合組建節(jié)能型的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

雖然ZigBee網(wǎng)絡(luò)的能耗低于普通的無線網(wǎng)絡(luò)，但是眾多場合下ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施支持，大都采用電池供電，而ZigBee網(wǎng)絡(luò)的生命周期一般都至少是幾個月。ZigBee應(yīng)用的特殊性使得ZigBee對節(jié)點的能耗控制嚴(yán)格要求。

1 ZigBee現(xiàn)有的節(jié)能方法

為了實現(xiàn)低能耗，ZigBee引入了多種降低功耗的方法：一是ZigBee基于IEEE802.15.4協(xié)議，采用DSSS（直接序列擴(kuò)譜）技術(shù)；二是采用間接數(shù)據(jù)傳輸，大部分時間里，節(jié)點將關(guān)閉其收發(fā)設(shè)備處于睡眠狀態(tài)；三是ZigBee的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因而信號的收發(fā)實際時間很短；四是采用了AODV（按需距離矢量路由）和Cluster-Tree相結(jié)合的路由算法來降低能耗等等。

現(xiàn)在很多機(jī)構(gòu)和個人對ZigBee的節(jié)能機(jī)制及ZigBee節(jié)點的能量有效性進(jìn)行研究。部分研究者從硬件層面來考慮節(jié)能方法，采用低功耗電路設(shè)計方法和高效的電源管理方法，降低傳感節(jié)點的功耗。為了延長節(jié)點壽命，考慮從節(jié)點周圍的環(huán)境中獲取能量為節(jié)點使用，如采用光電池。除電源外，節(jié)點還包括處理器、傳感器和無線通信模塊。其中針對處理器的節(jié)能有一些較為成熟的節(jié)能方法，如通過切換處理器工作狀態(tài)而節(jié)能的動態(tài)功率管理（DPM）技術(shù)[1]，通過對處理器的工作電壓和工作頻率動態(tài)調(diào)整而節(jié)能的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）技術(shù)[2]。也有研究者從網(wǎng)絡(luò)層面來考慮節(jié)能方法。目前研究較多的節(jié)能技術(shù)包括：節(jié)點休眠/喚醒調(diào)度機(jī)制，功率管理算法、報文驅(qū)動的節(jié)能機(jī)制和時間驅(qū)動的節(jié)能機(jī)制，數(shù)據(jù)融合技術(shù)，改進(jìn)路由算法和組網(wǎng)方式等等。

在大部分ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，事件發(fā)生的偶然性很強(qiáng)，監(jiān)測節(jié)點沒有必要時刻保持在高速的工作狀態(tài)。節(jié)點一般處于睡眠狀態(tài)，必要時加以喚醒，將顯著地降低節(jié)點的能耗，是一種有效的節(jié)能方案。休眠喚醒的方法通常有定時喚醒和射頻喚醒兩種。定時喚醒無需對節(jié)點硬件進(jìn)行改動，只需利用軟件預(yù)先設(shè)定節(jié)點的工作狀態(tài)時刻表，但定時喚醒在延長無線網(wǎng)絡(luò)壽命的同時降低了系統(tǒng)的實時性，不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果。而射頻喚醒對網(wǎng)絡(luò)的實時性損害很小，能更大程度地降低節(jié)點的功耗，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。尤其在一些實時性要求比較高的特殊區(qū)域，可以采用定時喚醒與射頻喚醒相結(jié)合的工作方式，在對硬件進(jìn)行改進(jìn)的同時，在軟件的編寫中使用定時時刻表[3]。

2 低功耗節(jié)點設(shè)計

2.1 硬件電路

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般由傳感器、處理器、無線通信和能量供應(yīng)四大模塊組成。本系統(tǒng)增加了一個射頻喚醒模塊，其作用是給微處理器模塊一個中斷使其從睡眠狀態(tài)喚醒到工作狀態(tài)。

本文選擇西安華凡科技有限公司的HFZ-CC2430/CC2431ZDK開發(fā)套件，以CC2430芯片作為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心元件。CC2430集成了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的 RF無線電收發(fā)機(jī)、1個8位增強(qiáng)型51內(nèi)核MCU、128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，帶有2個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器[4]。CC2430在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA；在休眠模式時僅0.9 μA的流耗，同時具有從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動模式時間超短的特性。

射頻喚醒模塊由接收電路和發(fā)射電路兩部分組成。由于ZigBee節(jié)點之間的距離較近（幾十米），選用低頻喚醒的方式比較適合。選用Atmel公司的具有超低功耗、序列頭偵測功能的ATA5276和ATA5283，其中ATA5276用于發(fā)射125KHz電磁波，ATA5283用于接收125KHz電磁波。ATA5276待機(jī)電流小于50μA。ATA5283在接收數(shù)據(jù)前處于待機(jī)偵聽模式時電流僅為1uA，接收數(shù)據(jù)的過程中功耗為2uA。射頻喚醒模塊的低頻信號與CC2430的高頻信號采用不同的天線。本文采用單極天線電感加載方式來接收125KHz電磁波。

2.2 工作方式

CC2430的五種工作模式和對應(yīng)的工作電流如下：發(fā)送（24.7mA）、接收（27mA）、空閑（190uA）、掉電（0.9 uA）和關(guān)閉（0.6uA）。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集節(jié)點在數(shù)據(jù)采集間隔期進(jìn)入掉電工作模式，喚醒之后系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式 （發(fā)送/接收）。

節(jié)點在初始狀態(tài)下處于睡眠狀態(tài)，其射頻喚醒模塊ATA5283則處于待機(jī)偵聽模式，可以接收電磁波。ATA5283接收到一個完整的序列頭后會在N_WAKEUP腳給出一個低電平去喚醒CC2430。CC2430通過讀取ATA5283的N_DATA腳可以獲得ASK解調(diào)輸出的串行數(shù)據(jù)。當(dāng)CC2430判斷數(shù)據(jù)已接收完，給出一個高電平到ATA5283的RESET腳，它就會回到待機(jī)偵聽模式。如果需要喚醒周圍的其他節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)操作，CC2430就通過一個單線雙向接口控制ATA5276配合天線線圈發(fā)射125kHz低頻載波傳送數(shù)據(jù)和能量，來喚醒周圍節(jié)點協(xié)助工作。節(jié)點在處理完事件后，會判斷是否繼續(xù)停留在全速工作狀態(tài)，如果不需要就再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)等待下一次被喚醒。

2.3 系統(tǒng)測試

在50平方米的房間里隨機(jī)放置了一個協(xié)調(diào)節(jié)點，六個采集節(jié)點。每個采集節(jié)點用兩節(jié)1600mAh的電池供電。測試時采集節(jié)點的工作狀態(tài)分三種情況：一是始終處于工作狀態(tài)；二是采用定時喚醒機(jī)制，設(shè)定狀態(tài)切換周期為4秒（3795ms休眠，5ms過渡，200ms偵聽）；三是采用射頻喚醒機(jī)制。假定每天有20個隨機(jī)事件發(fā)生，每個事件持續(xù)1分鐘，則6個節(jié)點一天內(nèi)消耗的總能量分別為8463.5mAh.V、536.4mAh.V、42.3mAh.V。經(jīng)過比較，射頻喚醒機(jī)制下能耗最低，是定時喚醒機(jī)制下的7.9%，是始終處于工作狀態(tài)下的0.5%。

3 結(jié)論

本文在分析現(xiàn)有節(jié)能機(jī)制的基礎(chǔ)上著重研究射頻喚醒機(jī)制，設(shè)計低功耗節(jié)點，有效控制節(jié)點的喚醒時間，降低的節(jié)點的能量消耗，對于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣有一定的實際意義。

［1］Sinha and A.Chandrakasan.Operating System and Algorithmic Techniques for Energy Scalable Wireless Sensor Networks[R].Proc.of the Second International Conference on Mobile Data Management,Jan，2001.

［2］Pering T,Burd T,Brodersen R.Dynamic Voltage Scaling and the Design of a Low-power Microprocessor System[C]／／Proceeding of Power Driven Microarchitecture Workshop at ISCA98,Barcelona,Spain,1998.

［3］吳鵬程.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻喚醒機(jī)制研究 [D].重慶大學(xué)，2008.

［4］CHIPCON.CC2430 PRELIMINARY data sheet(rev.1.03)SWRS036A[M].CHIPCON,2005.