原创 ZigBee无线节点电池功率的优化

圣地亚哥气电公司即将推出一个野心勃勃的先进计量架构(AMI)家域网（HAN）来用于该地区的需求响应（DR）和能源效率（EE）项目。目前该公司正在和当地的圣地亚哥州立大学、加州大学圣地亚哥分校以及加州大学伯克利分校合作，以开发一个高效、可靠且低成本的AMI HAN无线系统，用于控制圣地亚哥日益增加的能源需求。

运行这类系统必须考虑的一个重要因素就是无线设备电池的优化。我们需要设计出高能效的通讯节点来优化电池寿命。其中一个可以用来执行HAN系统的方法就是利用ZigBee无线技术。

ZigBee是一种无线技术软件协议，堆栈于802.15.4物理PHY和媒体访问控制MAC层之上；媒体访问控制MAC层又包含了采用免许可费的868/915/2.4 GHz频带的无线个域网（WPAN）。由于ZigBee的无线技术属性，以及最终设备/传感器都有可能采用电池供电，所以我们必须找到正确的方法来优化电池的效率和寿命。因此，延长无线传感器节点的电池寿命和优化就变得必不可少且至关重要。这是在设计ZigBee无线传感器网络时必须研究并实现的。

在处理无线节点时，有三个主要的方法可以对电池进行优化，包括电池管理、传输功率和系统功率。本文将主要讨论传输功率的管理，尤其从天线设计、功率校准和时间性控制等方面来讨论。

为了扩大信号范围，我们可以通过增加天线的方向增益并降低每次传输的功率要求来优化能效（天线的方向分为单向、全方向 － 天线向各个方向辐射功率和双向－向两个相反的方向辐射功率）。

从定义上来讲，天线的方向增益是“测量辐射功率在某个特定方向的集中的参数”。这样的目的是在传输过程中将所耗费的能量尽可能多地导向一个方向而不是向各个方向发散，从而增强某个方向信号的功率强度。

电灯泡和手电筒之间的对比就跟这个很类似。电灯泡和手电筒都能够发光，但是由于手电筒的光是汇聚到一个方向的，所以它在这个方向的光照强度是最强的。而手电筒的缺点当然就是它无法同时照射到其它方向。如果能够以这样的方式来处理HAN物理拓扑以将信号不足的情况最小化，也不失为一个不错的选择。

但是，在只使用一个天线单元的时候，情况可能又稍有不同。因此，要实现更好的方向性，就需要天线阵列。天线阵列从根本上来说就是“多个组合到一起以产生特定辐射特性的辐射单元”。但是，尽管这给天线的设计增加了复杂性并提高了设计成本，如果设计人员愿意为了实现电池优化而不管设计的复杂性，这也是一个可以考虑的方法。

之所以这么做，是因为技术人员和安装人员会利用这一特性以便能最好地配置物理网络拓扑以及节点和传感器的单独设置。而且，现在已经拥有能以微波传送带形式应用天线的技术，更使得这一方案变得完全可行了。

在功率设定方面，TI CC2431 SoC有16套不同的输出功率设置。我们的目的是通过设置正确的输出功率，并完全符合与其它Zigbee设备通讯所需的功率要求，从而延长电池寿命。

如果过度补偿，电池会在每次传输信号时丢失宝贵的能量。而如果补偿不够，电池也会损失能量，因为它会不停地传输，直到从其试图通信的设备那里收到返回的确认信息。

所以，通过正确设置输出传输功率，就可以延长电池的寿命。从本质上说，这个方案是牺牲了覆盖范围，而降低了功耗。

第三个可以考虑的方法是时间性控制。顾名思义，时间性控制是与时间相关的。在这个方法中，我们本质上是在将传感器节点和路由器以及协调器之间的通信进行时序安排或同步，

来自Colorado Springs科罗拉多大学视象和安全技术实验室的Terrence E. Boult教授表示：“系统无法让一个节点去唤醒临近的节点，所以我们必须有一个办法可以给节点安排时序，以便在合适的时间将节点唤醒。”

这个方法的一个好处就是可以避免在某个设备工作时要利用它来进行通信。如果在试图连接某个设备时该设备正在工作，那么它就会清除之前的工作并重新开始通信。这样显然浪费了宝贵的电池能量。所以，应用层的时间性控制达到了延长电池寿命的要求。

下面的表格显示了Boult在这一课题上的研究实验数据。从数据可以看出，相比于正常的Zigbee传输方案，当你延长两次之间的间隔时，时间性控制的方案说耗费的功率要降低一半多。

因此，从这些实验数据我们可以得出结论：在Zigbee无线网络中，进行时间性控制是延长电池寿命的最佳方法。如表格2所示

表格2：时间性控制能带来更长的电池寿命

我们在本文讲述并提出了三种电池优化的方法。这三种方法都可以通过传输功率管理来延长电池寿命。功率设置可以实现对家庭内通信所需传输功率的有效调准。

天线功率方向增益的目的是为了将能量使用率最大化，从而最小化传输所需功率。最后，我们还从应用层的角度考虑了时间性控制这个方法。

这个方法考虑了高层网络通信协议来在网络内部消除占线信号，从而消除会浪费宝贵能量的传输。本文还展示并验证了有关如何在ZigBee无线网络中降低能耗的实验的数据。