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(wú)線通信技術(shù)，在應(yīng)用簡(jiǎn)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(shì)。ZigBee能彌補(bǔ)IEEE 802.11、藍(lán)牙和超寬帶等短距離無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

雖然ZigBee網(wǎng)絡(luò)的能耗低于普通的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，但是眾多場(chǎng)合下ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)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(gè)月。ZigBee應(yīng)用的特殊性使得ZigBee對(duì)節(jié)點(diǎn)的能耗控制嚴(yán)格要求。

1 ZigBee現(xiàn)有的節(jié)能方法

為了實(shí)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(shí)間里，節(jié)點(diǎn)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(hào)的收發(fā)實(shí)際時(shí)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(lái)降低能耗等等。

現(xiàn)在很多機(jī)構(gòu)和個(gè)人對(duì)ZigBee的節(jié)能機(jī)制及ZigBee節(jié)點(diǎn)的能量有效性進(jìn)行研究。部分研究者從硬件層面來(lái)考慮節(jié)能方法，采用低功耗電路設(shè)計(jì)方法和高效的電源管理方法，降低傳感節(jié)點(diǎn)的功耗。為了延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命，考慮從節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境中獲取能量為節(jié)點(diǎn)使用，如采用光電池。除電源外，節(jié)點(diǎn)還包括處理器、傳感器和無(wú)線通信模塊。其中針對(duì)處理器的節(jié)能有一些較為成熟的節(jié)能方法，如通過(guò)切換處理器工作狀態(tài)而節(jié)能的動(dòng)態(tài)功率管理（DPM）技術(shù)[1]，通過(guò)對(duì)處理器的工作電壓和工作頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整而節(jié)能的動(dòng)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(lái)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(diǎn)休眠/喚醒調(diào)度機(jī)制，功率管理算法、報(bào)文驅(qū)動(dòng)的節(jié)能機(jī)制和時(shí)間驅(qū)動(dòng)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(cè)節(jié)點(diǎn)沒有必要時(shí)刻保持在高速的工作狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)一般處于睡眠狀態(tài)，必要時(shí)加以喚醒，將顯著地降低節(jié)點(diǎn)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(shí)喚醒和射頻喚醒兩種。定時(shí)喚醒無(wú)需對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件進(jìn)行改動(dòng)，只需利用軟件預(yù)先設(shè)定節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)時(shí)刻表，但定時(shí)喚醒在延長(zhǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)壽命的同時(shí)降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果。而射頻喚醒對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性損害很小，能更大程度地降低節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。尤其在一些實(shí)時(shí)性要求比較高的特殊區(qū)域，可以采用定時(shí)喚醒與射頻喚醒相結(jié)合的工作方式，在對(duì)硬件進(jìn)行改進(jìn)的同時(shí)，在軟件的編寫中使用定時(shí)時(shí)刻表[3]。

2 低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由傳感器、處理器、無(wú)線通信和能量供應(yīng)四大模塊組成。本系統(tǒng)增加了一個(gè)射頻喚醒模塊，其作用是給微處理器模塊一個(gè)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(wú)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(wú)線電收發(fā)機(jī)、1個(gè)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(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)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(shí)僅0.9 μA的流耗，同時(shí)具有從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式時(shí)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(diǎn)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(cè)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(shí)電流僅為1uA，接收數(shù)據(jù)的過(guò)程中功耗為2uA。射頻喚醒模塊的低頻信號(hào)與CC2430的高頻信號(hào)采用不同的天線。本文采用單極天線電感加載方式來(lái)接收125KHz電磁波。

2.2 工作方式

CC2430的五種工作模式和對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(gè)完整的序列頭后會(huì)在N_WAKEUP腳給出一個(gè)低電平去喚醒CC2430。CC2430通過(guò)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(gè)高電平到ATA5283的RESET腳，它就會(huì)回到待機(jī)偵聽模式。如果需要喚醒周圍的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)操作，CC2430就通過(guò)一個(gè)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(lái)喚醒周圍節(jié)點(diǎn)協(xié)助工作。節(jié)點(diǎn)在處理完事件后，會(huì)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(cè)試

在50平方米的房間里隨機(jī)放置了一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，六個(gè)采集節(jié)點(diǎn)。每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)用兩節(jié)1600mAh的電池供電。測(cè)試時(shí)采集節(jié)點(diǎn)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(shí)喚醒機(jī)制，設(shè)定狀態(tài)切換周期為4秒（3795ms休眠，5ms過(guò)渡，200ms偵聽）；三是采用射頻喚醒機(jī)制。假定每天有20個(gè)隨機(jī)事件發(fā)生，每個(gè)事件持續(xù)1分鐘，則6個(gè)節(jié)點(diǎn)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(guò)比較，射頻喚醒機(jī)制下能耗最低，是定時(shí)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(jì)低功耗節(jié)點(diǎn)，有效控制節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間，降低的節(jié)點(diǎn)的能量消耗，對(duì)于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣有一定的實(shí)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(wú)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.