ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低功耗分析

摘要：隨著無線通信的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有了普遍性。但是無線傳感器存在系統(tǒng)能耗量大、存儲能力低等局限性，為解決其弊端，通過分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點各個部分的能耗情況，得出從節(jié)點硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的角度來，設(shè)計低能耗的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最大限度地利用有限能量是關(guān)鍵，并延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

關(guān)鍵詞：ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 通信 能耗 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）02-0000-00

ZigBee技術(shù)是一種功耗、速率和復(fù)雜度都低的無線通信技術(shù)，依據(jù)無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的協(xié)議規(guī)范，其中Physics Layer和MAC協(xié)議則由IEEE802工作組制定，而Network layer和Application layer協(xié)議都由ZigBee聯(lián)盟制定。ZigBee數(shù)字傳輸模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。ZigBee技術(shù)的工作頻段為2. 4 GHz（全球）、915MH z（美國）和868MHz（歐洲），傳輸距離大約10-75m，并且可以無限擴展。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是在工業(yè)現(xiàn)場自動化控制中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要適用于遠(yuǎn)程自動化控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)自動控制等領(lǐng)域.

1 傳感器節(jié)點硬件能耗分析

ZigBee 無線傳感器節(jié)點由傳感器、處理器、無線通信和電池4個模塊組成。傳感器模塊包含傳感器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路；處理器模塊包括微處理器和存儲器；無線通信模塊包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和射頻通信部分。降低硬件功率消耗的根本方法是采用低功耗的芯片，這樣還能夠提高傳感器節(jié)點能量的利用率。

1.1 傳感器模塊

傳感器模塊一般由傳感器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路組成。模塊節(jié)能設(shè)計原則：（1）模塊功耗要低；（2）傳感器的體積要?。唬?）傳感器的外圍電路要簡單。

第一，由于傳感器的功率占系統(tǒng)功率的比例很小，一般選擇耗電量小的傳感器，最好采用數(shù)字傳感器。比如低功耗的溫濕度一體SHT75芯片可以進(jìn)行數(shù)字式輸出；自帶應(yīng)用交付控制器（ADC） 的單片機可實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換；Atmega128L芯片有8 個通道、采樣精度為10位的應(yīng)用交付控制器。第二，傳感器的選擇要考慮啟動時間，因為傳感器在啟動時間內(nèi)需要一個持續(xù)的電流維持工作，為了節(jié)省傳感器的能量，就需選擇啟動時間較短的傳感器。

1.2 處理器模塊

處理器模塊的核心是微處理器，是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的中央處理單元。它主要完成數(shù)據(jù)處理，控制和協(xié)調(diào)各部分模塊的工作，譬如信號處理、通信協(xié)議以及應(yīng)用程序。微處理器功耗大小主要取決于運行時鐘、工作電壓、制作工藝和內(nèi)部邏輯復(fù)雜度。如果微處理器運行速率越快，工作電壓就越高，其功耗必然就越大。第一，為了使微處理器的功率超低，使節(jié)點的生命周期增加， 微處理器必須同時支持多種工作模式：“運行”、“空閑”和“休眠”等。通過監(jiān)測節(jié)點的正常工作狀態(tài)，把大部分時間內(nèi)處于“空閑”狀態(tài)的節(jié)點進(jìn)行“休眠”。第二，為了節(jié)省處理器能耗，就要求運行速率高，即處理器在最短的時間內(nèi)能夠完成所需的工作后，快速由“運行”進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，。系統(tǒng)中常用的微處理器有MSP430系列和Atmega128L等超低功耗微處理器。MSP430系列16 位單片機總體性能在能耗方面有較大的優(yōu)勢，但其工作電流、待機電流都很低。

1.3 無線通信模塊低功耗設(shè)計

在整個無線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通信模塊消耗能量占的比例是最多。無線通信模塊是控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，能量主要用于射頻信號和元器件對頻率進(jìn)行合成、轉(zhuǎn)換、濾波等操作。收發(fā)器的數(shù)據(jù)率、調(diào)制模式和發(fā)射功率等都制約著無線通信模塊的能量消耗。因此，我們主要從采用射頻通信使用低能耗無線收發(fā)芯片、多工作方式、增加模塊的休眠時間和合適的調(diào)制機制等方面來降低通信模塊能耗。

1.3.1 射頻通信模塊

射頻通信模塊通常選用收發(fā)端電流穩(wěn)定、待機電流小的芯片，譬如Freescale 公司生產(chǎn)的MC13192 芯片和CC2420芯片。MC13192芯片的供電電壓為2.7V，接收狀態(tài)耗電流為37 mA，發(fā)射狀態(tài)耗電流為34mA，其功耗很低，執(zhí)行周期短。CC2420 是Chipcon 公司推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的有源射頻RF 芯片。其特點：（1）在系統(tǒng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時， 將自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省電源；（2）CC2420的發(fā)射最大電流為17. 4 mA， 接收電流為18. 8 mA，待機電流為1 mA，喚醒時間小于1.5ms，其功耗小。

1.3.2 無線收發(fā)器多工作方式和調(diào)制方式

無線收發(fā)器常見的4種工作方式包括：發(fā)送、接收、空閑和休眠。假如系統(tǒng)進(jìn)行小功率發(fā)射， 那么收發(fā)器的體系結(jié)構(gòu)決定了發(fā)射模式和接收模式消耗的功率的大小。因此，收發(fā)器大部分時間都置于休眠狀態(tài)，在需要時激活一個占空比低的時片下進(jìn)入工作狀態(tài)。調(diào)制方式的決定因素有數(shù)據(jù)速率、波特率、輻射功率和信道特性等。如果收發(fā)器發(fā)送的次數(shù)越少，則模塊的休眠狀態(tài)所持續(xù)時間就越長；如果收發(fā)器或者系統(tǒng)在調(diào)制過程中所提供的數(shù)據(jù)速率越高， 則模塊所消耗的能量就越少。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議低能耗設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議每一層都消耗著ZigBee 無線傳感器系統(tǒng)中能量，因此我們可以根據(jù)各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的功能來設(shè)計不同的節(jié)能方法，到達(dá)降低能耗，延長系統(tǒng)壽命的目的。物理層協(xié)議是通過延長射頻模塊睡眠時間，數(shù)據(jù)流量的減少來達(dá)到低能耗的目的。此外還可以采用減少數(shù)據(jù)碰撞、直接序列擴頻增強系統(tǒng)抗多徑的穩(wěn)定性等措施來降低能耗。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議低能耗設(shè)計主要從網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)的收斂加速、數(shù)據(jù)融合、帶寬的高利用率和選擇能量有效路由等方面來考慮。應(yīng)用層協(xié)議主要采用分布式數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)融合的技術(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個篩選，來降低系統(tǒng)的能耗。

3 結(jié)語

由于無線傳感器的能量一般采用電池供應(yīng)，這就制約了ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量大小，所以能耗問題是無線傳感器首要解決的問題。本文從ZigBee技術(shù)的基本架構(gòu)基礎(chǔ)上，分析了ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的特點，為其降低功耗提供了技術(shù)措施， 節(jié)約電池能量， 延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。

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收稿日期：2015-02-11

作者簡介：檀杉（1980—），男，河北平山人，本科，畢業(yè)于鄭州大學(xué)，助理工程師，研究方向：計算機通訊。