基于ZigBee的休眠喚醒策略
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隨著無線電技術的不斷發(fā)展，無線通信逐步融入到生活中的各個方面，針對功耗來源，對于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點SoC，可以設計如下的工作狀態(tài)：正常模式、淺休眠模式、深度休眠模式。本文結合ZigBee技術特點，提出一種休眠節(jié)能策略，使無線設備在不執(zhí)行任何操作的情況下進入極低功耗的狀態(tài)，提高能源的利用率。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/155901.htm 1 ZigBee技術
ZigBee是基于IEEE 802.15.4的一種短距離、低功耗的無線通信技術。其網(wǎng)絡可容納大量節(jié)點，點對點的最大傳輸距離為75 m，在傳輸范圍內節(jié)點間可以互相通信，支持多種自組織網(wǎng)絡拓撲結構。
與傳統(tǒng)的無線通信技術相比，ZigBee具有以下特點。省電：兩節(jié)五號電池工作時間可達2年;可靠：采用CSMA/CA避免數(shù)據(jù)沖突;高容量：網(wǎng)絡最多可容納65 000個節(jié)點;低成本;低速率：傳輸速率為250 Kb/s;高安全性：支持AES-128加密。因此ZigBee多應用于有成本和功耗要求，且傳輸速率較低，數(shù)據(jù)量較少的場合。
2 系統(tǒng)規(guī)劃
如圖1所示，系統(tǒng)由嵌入式控制器、照明控制節(jié)點、開關節(jié)點和路由節(jié)點組成。
嵌入式控制器集中監(jiān)視和控制照明系統(tǒng)的狀態(tài)，用戶可以通過嵌入式控制器查看系統(tǒng)中所有照明設備的狀態(tài)，并能通過觸摸屏對其進行控制。開關節(jié)點作為次級控制單元，可發(fā)送開關信號到照明節(jié)點，控制其開關狀態(tài)。然而照明節(jié)點是系統(tǒng)中的執(zhí)行設備，接收控制命令和執(zhí)行相應的動作。每個開關節(jié)點可與多個照明節(jié)點綁定。
2.1 網(wǎng)絡拓撲
ZigBee網(wǎng)絡中，一般存在三種功能設備：網(wǎng)絡協(xié)調器(具有建立網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)轉發(fā)功能)、路由器(具有數(shù)據(jù)轉發(fā)功能)和終端設備(不具有數(shù)據(jù)轉發(fā)功能)。本系統(tǒng)采用圖1所示的網(wǎng)狀拓撲結構。它是一種可靠性高，網(wǎng)絡容量大的網(wǎng)絡結構。網(wǎng)絡中放置若干個特殊的路由器，專門負責進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。一般情況下，網(wǎng)絡中僅有協(xié)調器和路由器處于活躍狀態(tài)，終端設備進入休眠模式。
2.2 節(jié)點配置
根據(jù)系統(tǒng)各節(jié)點的功能要求，嵌入式控制器能夠對網(wǎng)絡進行集中控制，被配置成協(xié)調器，作為網(wǎng)絡的建立者;路由節(jié)點作為特殊的節(jié)點，僅作為數(shù)據(jù)匯聚點進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，不執(zhí)行其他操作;而開關節(jié)點僅在手動開關操作后被喚醒，在網(wǎng)絡中活躍的時間較短，不需進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，被配置為終端設備。
3 網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)能方案實現(xiàn)
網(wǎng)絡節(jié)點低功耗設計是無線傳感器網(wǎng)絡應用開發(fā)熱點之一。因此，需要通過從硬件設計和軟件設計2個方面提出和總結節(jié)點的低功耗設計方法。常見的ZigBee SoC解決方案中，節(jié)點由處理器(MCU)、無線收發(fā)器(RF)、外設和供電部分組成。其中，處理器作為節(jié)點的核心單元，負責數(shù)據(jù)處理和芯片內部資源的調配;無線收發(fā)器進行數(shù)據(jù)包收發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能。
對于SoC架構，可采用單部件無線傳感器休眠模型進行分析。根據(jù)參考文獻，無線收發(fā)器是節(jié)點功耗的主要來源。一般情況下，ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量較小，大部分節(jié)點處于空閑狀態(tài)。為減小網(wǎng)絡的能源消耗，可利用ZigBee節(jié)點提供的多種休眠模式，關閉空閑節(jié)點的無線收發(fā)器，使處理器進入休眠狀態(tài)。
3.1 事件驅動
開關節(jié)點的功能在于檢測開關面板的操作，發(fā)送開關信息到相應的照明節(jié)點，不需主動參與無線通信。開關節(jié)點采用能耗最低的深度休眠模式，關閉數(shù)字穩(wěn)壓器、高速RC振蕩器和所有晶體振蕩器，只能通過外部中斷進行喚醒，其休眠和喚醒過程如圖2所示。
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