基于休眠喚醒策略的無(wú)線(xiàn)照明節能機制

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信逐步融入到生活中的各個(gè)方面，家居控制不斷向智能化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。對于傳統的無(wú)線(xiàn)照明控制系統，無(wú)線(xiàn)設備即使在空閑狀態(tài)下，其無(wú)線(xiàn)接收部分仍然處于活躍狀態(tài)，等待系統無(wú)線(xiàn)控制信號。長(cháng)時(shí)間不間斷地工作將造成大量的能源浪費。針對功耗來(lái)源，對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(shù)特點(diǎn)，提出一種休眠節能策略，使無(wú)線(xiàn)設備在不執行任何操作的情況下進(jìn)入極低功耗的狀態(tài)，提高能源的利用率。

　　1 ZigBee技術(shù)

　　ZigBee是基于IEEE 802.15.4的一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò )可容納大量節點(diǎn)，點(diǎn)對點(diǎn)的最大傳輸距離為75 m，在傳輸范圍內節點(diǎn)間可以互相通信，支持多種自組織網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

　　與傳統的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，ZigBee具有以下特點(diǎn)。省電：兩節五號電池工作時(shí)間可達2年；可靠：采用CSMA／CA避免數據沖突；高容量：網(wǎng)絡(luò )最多可容納65 000個(gè)節點(diǎn)；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，數據量較少的場(chǎng)合。

　　2 系統規劃

　　如圖1所示，系統由嵌入式控制器、照明控制節點(diǎn)、開(kāi)關(guān)節點(diǎn)和路由節點(diǎn)組成。

　　嵌入式控制器集中監視和控制照明系統的狀態(tài)，用戶(hù)可以通過(guò)嵌入式控制器查看系統中所有照明設備的狀態(tài)，并能通過(guò)觸摸屏對其進(jìn)行控制。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)作為次級控制單元，可發(fā)送開(kāi)關(guān)信號到照明節點(diǎn)，控制其開(kāi)關(guān)狀態(tài)。然而照明節點(diǎn)是系統中的執行設備，接收控制命令和執行相應的動(dòng)作。每個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)可與多個(gè)照明節點(diǎn)綁定。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò )拓撲

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，一般存在三種功能設備：網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器（具有建立網(wǎng)絡(luò )和數據轉發(fā)功能）、路由器（具有數據轉發(fā)功能）和終端設備（不具有數據轉發(fā)功能）。本系統采用圖1所示的網(wǎng)狀拓撲結構。它是一種可靠性高，網(wǎng)絡(luò )容量大的網(wǎng)絡(luò )結構。網(wǎng)絡(luò )中放置若干個(gè)特殊的路由器，專(zhuān)門(mén)負責進(jìn)行數據轉發(fā)。一般情況下，網(wǎng)絡(luò )中僅有協(xié)調器和路由器處于活躍狀態(tài)，終端設備進(jìn)入休眠模式。

　　2.2 節點(diǎn)配置

　　根據系統各節點(diǎn)的功能要求，嵌入式控制器能夠對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行集中控制，被配置成協(xié)調器，作為網(wǎng)絡(luò )的建立者；路由節點(diǎn)作為特殊的節點(diǎn)，僅作為數據匯聚點(diǎn)進(jìn)行數據轉發(fā)，不執行其他操作；而開(kāi)關(guān)節點(diǎn)僅在手動(dòng)開(kāi)關(guān)操作后被喚醒，在網(wǎng)絡(luò )中活躍的時(shí)間較短，不需進(jìn)行數據轉發(fā)，被配置為終端設備。

　　3 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)節能方案實(shí)現

　　網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)低功耗設計是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)之一。因此，需要通過(guò)從硬件設計和軟件設計2個(gè)方面提出和總結節點(diǎn)的低功耗設計方法。常見(jiàn)的ZigBee SoC解決方案中，節點(diǎn)由處理器（MCU）、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器（RF）、外設和供電部分組成。其中，處理器作為節點(diǎn)的核心單元，負責數據處理和芯片內部資源的調配；無(wú)線(xiàn)收發(fā)器進(jìn)行數據包收發(fā)，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信功能。

　　對于SoC架構，可采用單部件無(wú)線(xiàn)傳感器休眠模型進(jìn)行分析。根據參考文獻，無(wú)線(xiàn)收發(fā)器是節點(diǎn)功耗的主要來(lái)源。一般情況下，ZigBee網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸量較小，大部分節點(diǎn)處于空閑狀態(tài)。為減小網(wǎng)絡(luò )的能源消耗，可利用ZigBee節點(diǎn)提供的多種休眠模式，關(guān)閉空閑節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，使處理器進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　3.1 事件驅動(dòng)

　　開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的功能在于檢測開(kāi)關(guān)面板的操作，發(fā)送開(kāi)關(guān)信息到相應的照明節點(diǎn)，不需主動(dòng)參與無(wú)線(xiàn)通信。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)采用能耗最低的深度休眠模式，關(guān)閉數字穩壓器、高速RC振蕩器和所有晶體振蕩器，只能通過(guò)外部中斷進(jìn)行喚醒，其休眠和喚醒過(guò)程如圖2所示。

　　3.2 定時(shí)喚醒

　　照明節點(diǎn)作為系統中的執行部分，其主要的工作為接收控制信號和執行相應操作。由于其需要等待無(wú)線(xiàn)控制信號來(lái)觸發(fā)服務(wù)，因此不能采取通過(guò)外部中斷的方式進(jìn)行喚醒。淺休眠模式提供定時(shí)器喚醒功能，該模式下關(guān)閉數字穩壓器、高速RC振蕩器和高速晶振，僅保留低速晶振提供時(shí)鐘，可通過(guò)睡眠定時(shí)器定時(shí)對MCU進(jìn)行喚醒。

　　如圖3所示，睡眠定時(shí)器以周期tperiod對節點(diǎn)進(jìn)行喚醒。整個(gè)喚醒過(guò)程與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)相同，其平均功率為：

　　照明節點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)照明系統的應用執行部分，是直接為用戶(hù)提供服務(wù)的部件。實(shí)施休眠機制后，設備大部分時(shí)間將處于休眠狀態(tài)，只是周期性蘇醒過(guò)來(lái)收發(fā)數據或者檢測信道的狀態(tài)。若休眠時(shí)間過(guò)長(cháng)，則會(huì )影響設備對控制信號的響應速度，甚至導致控制信號傳輸失敗，因此應用中需要對休眠時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗評估，避免用戶(hù)等待時(shí)間過(guò)長(cháng)或操作失敗。

　　4 數據分析

　　本系統以CC2430為無(wú)線(xiàn)通信芯片，以高性能8051為內核，集成ZigBee RF收發(fā)器。如上文所述，無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)采取兩種不同的休眠喚醒機制，實(shí)現節能策略。根據參考文獻，獲得數據分析如圖4和圖5所示。

　　由圖4可見(jiàn)，影響開(kāi)關(guān)節點(diǎn)功率大小的因素有運行時(shí)間trun和開(kāi)關(guān)次數n。其中，trun與通信過(guò)程有關(guān)，控制信息的目標節點(diǎn)越多，trun越大；而開(kāi)關(guān)次數n則由使用習慣決定，平均功率隨開(kāi)關(guān)的頻繁程度增加而增大。若某開(kāi)關(guān)信息需要同時(shí)控制2個(gè)照明節點(diǎn)（trun=30 ms），每天開(kāi)關(guān)20次，平均功率約為0.5 mW；控制3個(gè)節點(diǎn)，每天開(kāi)關(guān)10次，其平均功率則為0.31 mW。如圖5所示，照明節點(diǎn)的平均功率由運行時(shí)間trun和喚醒周期tperiod決定。其中，trun與電路設計和執行器件有關(guān)；喚醒周期與網(wǎng)絡(luò )響應速度有關(guān)，tperiod越大，網(wǎng)絡(luò )的響應時(shí)間就越長(cháng)。在照明的控制中，對系統的實(shí)時(shí)性要求不大，同時(shí)考慮到節能和用戶(hù)操作的要求，喚醒周期取值在250～400 ms之間，照明節點(diǎn)的功率可控制在10mW以下。

　　5 結語(yǔ)

　　本文的無(wú)線(xiàn)照明系統休眠策略，不但能夠應用在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，同時(shí)還可以應用在處理器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器組成的多部件無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)中。研究結果證明，對無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)各部件進(jìn)行休眠喚醒策略，能有效控制其功耗，提高能源利用率，在家庭自動(dòng)化和節能環(huán)保的發(fā)展趨勢下，將具有較好的參考價(jià)值。