基于CC2530的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)

張文靜

（沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順113122）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量集成了傳感、數(shù)據(jù)、收集、處理和無線通信能力的小體積、低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于軍事國防、國家安全、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域［1］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)因采用電池供電而能量受限，因此，節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要關(guān)注的重點(diǎn)因素之一。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)填補(bǔ)了無線通信市場(chǎng)上低成本、低功耗設(shè)備領(lǐng)域的空缺，目前已經(jīng)有上百家半導(dǎo)體、通信領(lǐng)域的公司加入了ZigBee聯(lián)盟，具有很大的市場(chǎng)潛力。本文主要分析基于CC2530芯片的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)低功耗的設(shè)計(jì)方法。

1 節(jié)點(diǎn)低功耗問題

ZigBee技術(shù)本身就是一種低功耗的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在其協(xié)議棧的編寫過程中，已經(jīng)對(duì)其電源的使用進(jìn)行了管理。在網(wǎng)絡(luò)中低功耗方式僅用于由電池供電的終端設(shè)備，對(duì)于協(xié)調(diào)器和路由器來說，它們需要維持網(wǎng)絡(luò)的存在及路由，需要時(shí)時(shí)刻刻處于工作狀態(tài)，因此需要使用主電源供電，不存在低功耗狀態(tài)。

節(jié)點(diǎn)電源管理主要針對(duì)的是利用電池供電的終端設(shè)備，盡量減少其短暫無線電通信之間的功耗。通常，一個(gè)終端設(shè)備在禁用功耗的外設(shè)和空閑期間進(jìn)入睡眠模式。Z－Stack還提供了2種睡眠模式，輕度休眠和深度休眠。輕度睡眠在系統(tǒng)需要喚醒去執(zhí)行與預(yù)定時(shí)間延遲的活動(dòng)時(shí)被使用。深度睡眠被使用的是沒有未來的活動(dòng)計(jì)劃，需要外部刺激（如按一個(gè)按鈕）喚醒設(shè)備時(shí)。輕度睡眠普遍降低功耗到幾毫安，而深度睡眠減少到幾微安。睡眠的終端設(shè)備的例子產(chǎn)品包括傳感器，它被定時(shí)地喚醒以報(bào)到它們采集到的信息，還有遠(yuǎn)程控制設(shè)備，它被用戶按鍵喚醒發(fā)送郵件。這些類型的設(shè)備的共同特點(diǎn)是：它們大部分時(shí)間處于睡眠模式，最大限度地減少功耗。

但是僅有這些電源管理是不夠的，雖然終端節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行睡眠狀態(tài)，但是在整個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)中，畢竟處于睡眠狀態(tài)的時(shí)間是非常短暫的，而對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)來說，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是能耗最大的時(shí)刻，因此還應(yīng)該采取其他方面（包括軟件、硬件）的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減少節(jié)點(diǎn)的功耗，保證節(jié)點(diǎn)的壽命。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器的選擇

根據(jù)目前市場(chǎng)幾個(gè)公司提供的Zig Bee通信協(xié)議產(chǎn)品特點(diǎn)［2］，目前市場(chǎng)上Zig Bee芯片的制造商主要有Freescale、TI、Ember、Jenic。芯片的主要特點(diǎn)如表1所示。通過表中數(shù)據(jù)可知，CC2530芯片較為合適。TI／chipcon公司的CC2530芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)的8051微處理器，微控制器提供時(shí)鐘分配及電源管理等功能，且根據(jù)使用需求不同，其存儲(chǔ)器大小可調(diào)，使用方便，其他幾家生產(chǎn)的Zig Bee芯片都采用自己的微處理器。而采用8051內(nèi)核的芯片，無需重新學(xué)習(xí)微處理器結(jié)構(gòu)原理，無需重新熟悉編譯／調(diào)試工具；對(duì)片上系統(tǒng)的I／O、定時(shí)器、A／D、PWM、看門狗等，也無需重新學(xué)習(xí)。

表1 Zig Bee主流芯片參數(shù)比較

結(jié)合表1所示，從Zig Bee芯片微處理器性能［3］、協(xié)議棧及市場(chǎng)價(jià)格到最后的開發(fā)成本以及對(duì)芯片內(nèi)核的熟悉程度等方面綜合考慮，本文最后采用TI公司提供的CC2530模塊。該模塊存儲(chǔ)容量大，并且采用大家熟悉的8051處理器內(nèi)核，性能滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需求，其較低的價(jià)格，符合低成本開發(fā)、低功耗的要求。

2.2 硬件總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)所選擇的微處理器，低功耗節(jié)點(diǎn)的硬件總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。微處理器CC2530本身帶有射頻功能，所以不需要外加射頻芯片，CC2530通過I／O口與按鍵單元、測(cè)溫單元、串口芯片相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)按鍵的讀取、溫度傳感器的讀寫、信息的傳輸。CC2530有32 MHz與32.768 k Hz 2個(gè)晶振。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)方案

3 軟件設(shè)計(jì)

從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整個(gè)應(yīng)用環(huán)境分析，為了能夠?qū)⑾到y(tǒng)功耗降到最小，除了需要在硬件上做一些合理的設(shè)計(jì)外，更重要的是通過軟件設(shè)計(jì)來降低，這樣可以減少整個(gè)系統(tǒng)的成本開銷。

由于傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期被放到需要檢測(cè)的位置，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的性能。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)來說，可以使用電池進(jìn)行供電，能量消耗最大的時(shí)刻就是在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)候，而在其他時(shí)刻可以使傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集就可以。

在Zig Bee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，為了減小系統(tǒng)的功耗，已經(jīng)在程序中有一部分的設(shè)計(jì)。此部分設(shè)計(jì)如下，主要包含在以下3個(gè)文件中：

（1）OSAL＿Pwr Mgr.h OSAL電源管理的 API頭文件；

（2）OSAL＿Pwr Mgr.C OSAL電源管理的 API C文件；

（3）hal＿sleep.c底層的電源管理文件。

這3個(gè)文件主要是定義了進(jìn)行的任務(wù)是否需要進(jìn)入低功耗功能、怎么進(jìn)入低功耗功能以及如何喚醒休眠狀態(tài)等，這些都是在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行的設(shè)置。

對(duì)于應(yīng)用層來說，前面已經(jīng)介紹過對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)來說，消耗能量最大的時(shí)刻即為發(fā)送和接收階段，那么當(dāng)節(jié)點(diǎn)在不需要進(jìn)行信息發(fā)送和接收的時(shí)候，讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)休眠階段，這樣就可以降低節(jié)點(diǎn)的功耗。同時(shí)減少接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)，也可以減少節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的功耗，從而保證節(jié)點(diǎn)能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。設(shè)計(jì)低功耗部分程序的流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)中使用萬用表進(jìn)行節(jié)點(diǎn)電流的測(cè)試，以確定節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)特性。我們只測(cè)試終端節(jié)點(diǎn)的電流消耗，即負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的傳感器節(jié)點(diǎn)的電流消耗測(cè)試。

對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，終端節(jié)點(diǎn)使用2節(jié)5號(hào)電池進(jìn)行供電，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后即處于休眠狀態(tài)，使用萬用表對(duì)節(jié)點(diǎn)芯片進(jìn)行測(cè)試，可以得出以下數(shù)據(jù)：測(cè)得休眠時(shí)候的電流僅為0.95 mA，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令或者數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器或路由器的瞬間，電流為27 mA，發(fā)送完畢后，節(jié)點(diǎn)定時(shí)休眠，定時(shí)醒來再次發(fā)送提取處理結(jié)果。無論在有數(shù)據(jù)傳輸還是無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行過程中的平均電流最高為8.8 mA，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器每2 min請(qǐng)求傳送數(shù)據(jù)1次，傳感器節(jié)點(diǎn)接收請(qǐng)求和處理的時(shí)間為2 000 ms，則節(jié)點(diǎn)的工作能耗為：

每日總能耗不會(huì)超過3.6 mAh，其他傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送頻率等于或低于此。使用容量為1 200 mAh的2節(jié)7號(hào)或者5號(hào)電池可供電時(shí)間為：

根據(jù)式（2）計(jì)算，可供電近2年，因此滿足了系統(tǒng)的低功耗需求。參數(shù)如表2所示。

表2 參數(shù)測(cè)試表

5 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)基于ZigBee的低功耗、高性能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，選擇CC2530芯片作為控制器，在硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)中采取了一些降低功耗的方法，在軟件設(shè)計(jì)中，通過降低節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的次數(shù)，來降低節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中的功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)具有良好的低功耗特性。

［1］孫亭，楊永田，李立宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006（6）

［2］李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2007

［3］Gang Ding，Sahinoglu Z，Bhargava B，et al.Reliable broadcast in Zig Bee net wor ks［R］.2005 Second Annual IEEE Co mmunications Society Conference on Sensor and Ad Hoc Co mmunications and Net wor ks，2005