電磁波中斷技術(shù)中Zigbee節(jié)點電路設(shè)計

摘要：ZigBee是針對無線聯(lián)網(wǎng)小型設(shè)備制定的規(guī)范協(xié)議，利用電磁波中斷技術(shù)設(shè)計Zigbee節(jié)點電路可以盡可能的減少節(jié)點消耗的能量。文章主要進行了ZigBee技術(shù)概述，ZigBee節(jié)點能耗分析，電磁波中斷技術(shù)中Zigbee節(jié)點電路設(shè)計節(jié)能對策分析，電磁波中斷技術(shù)中Zigbee節(jié)點電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，以及電磁波中斷技術(shù)中Zigbee節(jié)點電路低能耗設(shè)計分析。

關(guān)鍵詞：電磁波；中斷技術(shù)；Zigbee

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1006—8937（2012）23—0013—03

ZigBee屬于一種功耗較低、速率較慢、距離較短、成本低廉和復(fù)雜程度低的無線傳輸技術(shù)，在不需要注冊的頻段實施操作，利用較長壽命的電池、簡單化的操作、極高的可靠性及較強的組網(wǎng)能力。在電磁波中斷技術(shù)中通過Zigbee節(jié)點設(shè)計電路，可以盡可能的減少節(jié)點消耗的能量，對于節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)壽命能夠有效延長。

1 ZigBee技術(shù)分析

ZigBee是按照無線聯(lián)網(wǎng)的小型設(shè)備而制定的協(xié)議規(guī)范，擁有十分完整的一套層次構(gòu)成協(xié)議，利用ZigBee之間產(chǎn)生的聯(lián)盟共同組織制定。ZigBee是一種功耗相對較低、距離比較短、成本低廉和較為簡單的無線傳輸應(yīng)用技術(shù)，在不需要注冊的頻段操作，電池擁有較長壽命、操作相對便捷、較高的可靠性、極強的組網(wǎng)能力，重點應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)無線傳感器、自動遠程控制領(lǐng)域中。ZigBee技術(shù)的誕生很好的彌補了無線通信市場上用于的低功耗低成本設(shè)備的缺失。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的顯著特征就是其高容量性。ZigBee能夠利用樹狀、星狀等混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過一個主節(jié)點對若干個主節(jié)點實施必要的管理，此主節(jié)點可以管理最多200個子節(jié)點。因為ZigBee網(wǎng)絡(luò)擁有數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點，一般情況下使用無法補充能量的電池實施能量供給。利用節(jié)點實施設(shè)計，盡可能的降低節(jié)點所要消耗的能量，對節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)使用時間的有效延長是傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee的重點技術(shù)之一。

2 ZigBee節(jié)點產(chǎn)生能耗分析

ZigBee傳感器節(jié)點主要包括四個模塊。其中，傳感器模塊的功能是在重點監(jiān)測負責區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)換搜集數(shù)據(jù)信息；處理器模塊功能是操作與控制整個傳感器上的節(jié)點，對模塊自身進行存儲、處理以及傳送其它節(jié)點的重要數(shù)據(jù)；無線通信模塊功能是幫助其它位置的傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)的交換與控制，搜集收發(fā)數(shù)據(jù)和實施無線通信；供應(yīng)能量模塊功能是提供充足的能量以便傳感器能夠運行操作，一般情況下利用微型電池供給能量。伴隨著集成電路的快速發(fā)展，處理器與傳感器模塊擁有較小的能量，大部分的能量都會在無線通信模塊上消耗。然而在不同狀態(tài)下無線通信模塊損耗能量的轉(zhuǎn)換卻不盡相同。可以將無線通信模塊的狀態(tài)劃分4種。發(fā)射與接收狀態(tài)表示節(jié)點對數(shù)據(jù)包實施信息發(fā)送或是接收；空閑狀態(tài)下，節(jié)點不需要發(fā)生數(shù)據(jù)接收，僅能對無線信道實施不間斷的偵聽，這也是要確保數(shù)據(jù)包在接收信息時，節(jié)點可以迅速轉(zhuǎn)換接收具體情況，因此空閑狀態(tài)下節(jié)點也需要消耗能量，其能量值大概就是在發(fā)射狀態(tài)下的能耗，節(jié)點表現(xiàn)出最低能耗的時候是睡眠狀態(tài)，這時候收發(fā)機出現(xiàn)關(guān)閉或是能耗較低的情況。

3 電磁波中斷技術(shù)中Zigbee節(jié)點電路節(jié)能設(shè)計

3.1 節(jié)點設(shè)計的硬件節(jié)能

3.1.1 處理器節(jié)能模塊電路設(shè)計

①無限傳感器中的微處理器。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中心無線傳感器就是微處理器。它主要是對傳感器數(shù)據(jù)實施一定的搜集與處理，決定什么時間、地點將發(fā)送這部分信息數(shù)據(jù)。同時將其它傳感器節(jié)點的信息實施接收并且決定相關(guān)執(zhí)行控制器的操作。需要對微處理器實施的操作包括各類程序，處理有關(guān)信號、通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與應(yīng)用的程序，它的主要任務(wù)就是執(zhí)行處理中央單元命令。由于微處理器處理的信息數(shù)據(jù)十分龐大，在節(jié)點網(wǎng)絡(luò)操作中它是十分關(guān)鍵的耗能單元。主要包含了操作過程中的電壓、時鐘的運行工作、復(fù)雜的內(nèi)部邏輯以及制造技術(shù)。操作應(yīng)具備一定級別的電壓，因此也會產(chǎn)生較快的操作速度，所需要的耗能也就越大，為了盡量增加節(jié)點操作的時間，在對處理器的選擇總，應(yīng)充分考慮微處理器的能耗級別，與此同時還要對各種工作模式給與一定的支持。除此之外，盡量提升處理器的操作速度，這樣可以確保在極短的時間內(nèi)結(jié)束工作，進快恢復(fù)到睡眠的界面，節(jié)省更多的能耗。

②隨機性存儲器。隨機的儲存器主要工作是加入即時性的數(shù)據(jù)以及接收或者儲存發(fā)送的節(jié)點數(shù)據(jù)。雖然儲存器設(shè)定的存取速度是比較快的，但是電源一旦被切斷，就不能保存處理信息數(shù)據(jù)。這時建議將存儲器上儲存程序代碼在編程儲存器上消除。假設(shè)儲存器缺乏充分的存儲空間或是必須進行斷電一段時間，即使利用閃存儲存信息數(shù)據(jù)，但是因為延遲時間較長，同時需要比較大的功耗。這時對存儲器具備的功耗來說，選擇適當減小儲存器的比例尺寸，特別是儲存器存取隨機性尺寸大小。

3.1.2 通信無線模塊

在無線網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee傳感器節(jié)點，耗能最大的是無線通信類型模塊。無線通信類型模塊重要功能是完成節(jié)點信息的發(fā)送和接收，能量消耗主要包括兩方面，一方面是射頻能耗信號的產(chǎn)生，這方面能耗選擇的調(diào)節(jié)模式與目標距離存在關(guān)聯(lián)。另一方面是能耗重點表現(xiàn)為合成轉(zhuǎn)換的元器件產(chǎn)生的濾波頻率，該方面的能耗是固定性的，所以，我們應(yīng)當對各種操作方式、休眠延長時間、通信流量的降低以及選擇協(xié)調(diào)機制等方面實行降低操作。

①無線收發(fā)器的多種工作模式。無線式收發(fā)器能夠?qū)Σ煌Ｊ较碌奈⑻幚砥鬟\行操作，面對小功率的發(fā)射，接收和發(fā)射方式對于功率的耗損大體上是一樣的，以至于接收過程中需要的功率明顯多過發(fā)射過程，其中原因是接收器自身體系結(jié)構(gòu)特點?？臻e操作需要的功率要明顯低于接收過程消耗的功率，或者與其相等。在流量傳輸工程中應(yīng)盡可能降低網(wǎng)絡(luò)無線傳輸設(shè)備所耗損的功率，收發(fā)工作模塊即便是保持較長時間的空閑工作狀態(tài)也會消耗巨大的能量。因此，應(yīng)將收發(fā)器調(diào)節(jié)為休眠模式，僅需要在特定時期內(nèi)才對其實施激活一個地占空比下進行工作。

②調(diào)節(jié)模式的選擇。調(diào)節(jié)模式的選擇也十分關(guān)鍵，需要平衡分析幾個關(guān)鍵性的因素。它發(fā)揮的主要功能是確保能量的整體消耗、靈敏反應(yīng)程度以及延遲等各個方面產(chǎn)生平衡的無限鏈路。為了確保休眠狀態(tài)的收發(fā)器保持最大程度的延續(xù)，需要將發(fā)送次數(shù)降低到最低。調(diào)制收發(fā)器過程中所需要一個較高的數(shù)據(jù)概率。也就是保證一個數(shù)據(jù)既定傳輸所消耗的最短的時間，對能量產(chǎn)生的需求也會逐漸減小。另外，調(diào)節(jié)模式產(chǎn)生的功耗多數(shù)情況下決定于符號率，卻不是數(shù)據(jù)率。

3.2 ZigBee節(jié)點網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能耗策略

在無線傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計目標就是對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平與使用寬帶的效率能夠有效提升，還有就是節(jié)省能量。傳感器中的無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計協(xié)議的重點就是提升使用能量的效率，盡可能延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳感器主要能耗的來源包含：空閑偵聽，節(jié)點不接收或者是發(fā)送數(shù)據(jù)時應(yīng)當確保對無線信道的空閑偵聽，才能夠?qū)?shù)據(jù)信息實施即時性的接收和發(fā)送。這樣的偵聽空閑方式會耗費一定的節(jié)點能量。數(shù)據(jù)造成的碰撞，例如介質(zhì)訪問層對無線信道采用競爭形勢實現(xiàn)資源共享，發(fā)送節(jié)點數(shù)據(jù)的過程中會牽連更多個節(jié)點產(chǎn)生彼此的碰撞，進而造成眾多數(shù)據(jù)節(jié)點，大部分能量要消耗。數(shù)據(jù)發(fā)生的串擾，節(jié)點發(fā)揮的接收功能可以處理多余的數(shù)據(jù)，這樣的狀況能夠促使無線節(jié)點接收與模塊處理消耗更多的能量。數(shù)據(jù)表現(xiàn)的波動性，巨大數(shù)據(jù)突然產(chǎn)生的發(fā)送，可以盡可能的在網(wǎng)絡(luò)中加入競爭與沖突，這樣就能夠?qū)⒛芰侩S機耗損。

3.2.1 最大的鏈路容量

物理層出現(xiàn)的協(xié)議主要是對數(shù)據(jù)實施調(diào)節(jié)、接收與發(fā)送，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究重點就是對體積節(jié)點、耗能成本的確定。物理層設(shè)計的協(xié)議準則就是使用損耗的最少能量收獲鏈路最大化的容量。降低耗能的物理協(xié)議層重點表現(xiàn)為射頻模塊中休眠情況的產(chǎn)生，盡可能對數(shù)據(jù)減少了耗損的能量。檢測信道操作時的工作狀態(tài)，盡可能縮減數(shù)據(jù)的碰撞以及使用序列直接加強擴順系統(tǒng)，以便能夠?qū)Χ鄰疆a(chǎn)生的穩(wěn)健性形成很好的抵抗。其中，解決的基本方法就是減少數(shù)據(jù)的信息流量。此外，在沒有接發(fā)節(jié)點信息數(shù)據(jù)時，應(yīng)盡快關(guān)閉射頻模塊，休眠情況能夠有效降低工作空間比例，降低偵聽空閑和串擾引起的能量耗損，可是與此同時能夠加大延遲對系統(tǒng)具備的吞吐率有所降低。

3.2.2 無線通信有限資源

在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳感器中，控制階層的訪問介質(zhì)協(xié)議確定了使用無線信道的模式，在節(jié)點傳感器上有效分配無線資源通信，這也是網(wǎng)絡(luò)底層傳感器建立體系的重要基礎(chǔ)。協(xié)議層訪問介質(zhì)的具體位置時傳感器無線網(wǎng)絡(luò)的最低一層，對傳感器具備的網(wǎng)絡(luò)功能造成了極大的影響，是保證網(wǎng)絡(luò)無線高效通信的關(guān)鍵協(xié)議。

3.2.3 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最長生命周期

在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳感器中，網(wǎng)絡(luò)層的重要任務(wù)就是構(gòu)建有效的能源路徑，形成穩(wěn)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)體制以便能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最長生命時間。網(wǎng)絡(luò)層最關(guān)鍵的協(xié)議內(nèi)容就是路由有關(guān)的重要協(xié)議。路由有關(guān)協(xié)議的重要功能就是將數(shù)據(jù)分類處理并且在源節(jié)點位置發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，關(guān)鍵內(nèi)容就是搜索源節(jié)點以及優(yōu)化節(jié)點目標的重要路徑，轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)化的數(shù)據(jù)分組路徑。路由有關(guān)協(xié)議需要滿足下面特點，就是能量的高效性、擴展功能頑強、收斂具有極快的速度等。

4 Zigbee節(jié)點電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

ZigBee節(jié)點傳感器設(shè)計主要包含硬件與軟件兩部分設(shè)計。硬件設(shè)計重點應(yīng)包含MCU、降低的功耗、對外設(shè)計的接口等，并且提升電池使用的效率及為軟件的低功耗提供有效支撐。節(jié)節(jié)點主要包含子板射頻與節(jié)點傳感器。傳感器模塊按照不同的需求進行選擇，利用傳感器具備的通用接口連接主板節(jié)點。

4.1 子板射頻的具體設(shè)計

子板射頻對系統(tǒng)實施無線接收的功能，硬件主要包含ZigBee芯片系統(tǒng)、時鐘類型模塊、電路之間產(chǎn)生的匹配、相應(yīng)的天線對外組織接口等。

4.1.1 芯片的選擇

選擇芯片應(yīng)重點考慮其功耗的降低程度、集成度情況、價格等因素。工作要求的電壓是2～3.6 V，集成芯片標準就是內(nèi)核ARM，射頻相關(guān)收發(fā)器，硬件的加速器，并且提供最優(yōu)秀的協(xié)議棧在開發(fā)環(huán)境中。

4.1.2 時鐘系統(tǒng)

外部采用了兩個晶振設(shè)計，主體晶振具有擁有24MHz振蕩頻率，輔助晶振是32.768 kHz。在工作狀態(tài)正常的情況下，使用時鐘類型是主晶振，當處理器處于睡眠情況時可以利用環(huán)形振動器獲得低功耗的目的。

4.2 接口組織對外設(shè)計

射頻接口類型模塊主要包括了輸入與輸出復(fù)合接口、轉(zhuǎn)換模塊的接口、JTAG口。其中輸入輸出復(fù)合接口主要用在了信號數(shù)字通訊，轉(zhuǎn)換模數(shù)口能夠?qū)δM監(jiān)測量實施轉(zhuǎn)化。JTAG下載仿真接口，主要功能是在線對其進行調(diào)試，下載源程序。

4.3 設(shè)計節(jié)點天線

節(jié)點傳感器的天線以及電路關(guān)鍵特點與要求，在節(jié)點傳感器組織設(shè)計的時候，應(yīng)按照這些要求對天線及有關(guān)電路設(shè)計高度重視，注重提高天線的性能。因為內(nèi)部集成的轉(zhuǎn)換器，因此設(shè)計天線相對比較簡單，僅需要對電阻50Ω考慮匹配。

4.4 節(jié)點主板傳感器進行的設(shè)計

節(jié)點傳感器主板關(guān)鍵工作是對指示狀態(tài)、供電情況、程序下載、相關(guān)配置、對外擴展等工作性能的實現(xiàn)。

4.5 節(jié)點傳感器實施的軟件設(shè)計

為了能夠迅速對硬件平臺的開發(fā)與應(yīng)用，BeeKit連接無線工具箱被開發(fā)。其有利于工作人員迅速應(yīng)用ZigBee，并且對其參數(shù)實施修改配置。ZigBee節(jié)點協(xié)議棧屬于一個查詢式的輪轉(zhuǎn)操作系統(tǒng)。包括編寫處理事件的函數(shù)，一般情況下不必對這些函數(shù)進行修改。節(jié)點傳感器主要負責任務(wù)的采集與上傳，切換節(jié)點在休眠與正常的狀態(tài)，其中同步實現(xiàn)工作于休眠周期事件。

5 電磁波中斷技術(shù)中Zigbee節(jié)點電路低能耗設(shè)計

5.1 低能耗Zigbee節(jié)點電路設(shè)計

因為大部分節(jié)點傳感器是通過電池組織的供電，同時用戶也可以通過對節(jié)USB5V進行供電。利用USB組織供電時，節(jié)點使用電壓對電路實施必要的轉(zhuǎn)換。因此，低能耗方面需要具備兩個條件，一是能夠盡可能提升電池的應(yīng)用效率；二是電池實施供電時，對電路實施科學配置、轉(zhuǎn)換電壓中的芯片、電路的基準源，并且保證低功耗模式或者是斷電模式進行操作。

5.1.1 子板射頻設(shè)計的電路

為了能夠盡量提升電池的應(yīng)用效率，可以利用提供的Buck內(nèi)部電路。它能夠?qū)㈦姵仉妷航档椭?.8～2.0V，進一步有效的降低電流網(wǎng)絡(luò)，延長了電池的使用時間。

5.1.2 主板節(jié)點電路的基準源

因為沒有電路ABC提供的相關(guān)基準源，所以必須找出主板的基準源芯片。除此之外，假如該板使用的是數(shù)字化對外的接口組織通信，可以關(guān)閉基準源中的芯片，以便能夠降低系統(tǒng)出現(xiàn)的功耗。

5.1.3 節(jié)點位置產(chǎn)生的電源

考慮到節(jié)點板具備的通用性，考慮到電源的穩(wěn)定性和電池供電的兩種工作模式。外部輸入電源包含了兩種途徑：

①利用USB接口，可以通過USB設(shè)備接口供給電源。

②直接利用有限電源實施供電。非電池組織供電時產(chǎn)生的電壓輸入值是5V，供電電池使用1.5V兩節(jié)電池。每一組電源都能夠單獨進行關(guān)閉，電路圖見圖1。

節(jié)點傳感器能量消耗的模塊包含傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。低能耗的設(shè)計重點實現(xiàn)在兩個層面，基礎(chǔ)層面是硬件。低功耗軟件設(shè)計應(yīng)當重點注意以下幾點：

第一，盡量應(yīng)用MCU具備的低能耗工作模式。因為存在的各種類型休眠模式，所以必須結(jié)合實際情況，使其在數(shù)據(jù)傳輸和采集時保證正常的工作，其余時間都要處于休眠模式。

第二，按照節(jié)點傳感器的不同設(shè)置監(jiān)測需求的間隔時間，以便能夠使電池延長使用的時間。

第三，對通信協(xié)議優(yōu)化處理，包含對節(jié)點數(shù)據(jù)實施的處理與采集，傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)盡量減少通信量，設(shè)置合理的綁定關(guān)系，使傳感器節(jié)點能夠保證既定的功能。

5.2 對傳感器的節(jié)點實施嚴格測試

測試節(jié)點關(guān)鍵的內(nèi)容是對軟件實行必要的調(diào)試、對網(wǎng)絡(luò)的使用功能進行檢測、分析具體效果及測試重要的接口等。實施必要的調(diào)試，通過下載器實施燒寫。IAR是單片機研究開發(fā)所需要的語言集成環(huán)境，能夠為各種工具提供向?qū)?，在一定環(huán)境下對已經(jīng)生成的自動軟件與可視化編程組織具體操作，同時對各類型的網(wǎng)絡(luò)工程實施有效支持。為了測試節(jié)點必備的能力，重點對抓包自行處理，利用的模式是組網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器。對接口實施測試，利用USB對節(jié)點相關(guān)接口實施設(shè)定，并且利用協(xié)調(diào)器對通信實施一定遠程組織，對傳感器組織對外接應(yīng)進一步檢測其工作的正常性。經(jīng)過大量研究表明，功耗的計量重點在于睡眠狀態(tài)產(chǎn)生的電流，正常操作時期工作時間的減少，所以，調(diào)試的重點是怎樣對睡眠狀態(tài)下的電流發(fā)揮降低作用，盡量減少通信帶來的容量等。通過調(diào)試，供電的情況發(fā)生時能夠達到設(shè)計要求。

6 結(jié) 語

通過電磁波中斷技術(shù)設(shè)計Zigbee節(jié)點電路分析能夠盡可能的減少節(jié)點消耗的能量，使得ZigBee在頻段工作時具有較長壽命的電池、簡單操作、極高的可靠性及較強的組網(wǎng)能力。因此對其的研究具有重要的意義。

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