结合ZigBee的无线照明系统休眠策略
2022-09-15

  随着无线电技术的不断发展,无线通信逐步融入到生活中的各个方面,家居控制不断向智能化、自动化和网络化方向发展。对于传统的无线照明控制系统,无线设备即使在空闲状态下,其无线接收部分仍然处于活跃状态,等待系统无线控制信号。长时间不间断地工作将造成大量的能源浪费。针对功耗来源,对于网络节点SoC,可以设计如下的工作状态:正常模式、浅休眠模式、深度休眠模式。本文结合ZigBee技术特点,提出一种休眠节能策略,使无线设备在不执行任何操作的情况下进入极低功耗的状态,提高能源的利用率。

  1 ZigBee技术

  ZigBee是基于IEEE 802.15.4的一种短距离、低功耗的无线通信技术。其网络可容纳大量节点,点对点的最大传输距离为75 m,在传输范围内节点间可以互相通信,支持多种自组织网络拓扑结构。

  与传统的无线通信技术相比,ZigBee具有以下特点。省电:两节五号电池工作时间可达2年;可靠:采用CSMA/CA避免数据冲突;高容量:网络最多可容纳65 000个节点;低成本;低速率:传输速率为250 Kb/s;高安全性:支持AES-128加密。因此ZigBee多应用于有成本和功耗要求,且传输速率较低,数据量较少的场合。

  2 系统规划

  如图1所示,系统由嵌入式控制器、照明控制节点、开关节点和路由节点组成。

 

  嵌入式控制器集中监视和控制照明系统的状态,用户可以通过嵌入式控制器查看系统中所有照明设备的状态,并能通过触摸屏对其进行控制。开关节点作为次级控制单元,可发送开关信号到照明节点,控制其开关状态。然而照明节点是系统中的执行设备,接收控制命令和执行相应的动作。每个开关节点可与多个照明节点绑定。

  2.1 网络拓扑

  ZigBee网络中,一般存在三种功能设备:网络协调器(具有建立网络和数据转发功能)、路由器(具有数据转发功能)和终端设备(不具有数据转发功能)。本系统采用图1所示的网状拓扑结构。它是一种可靠性高,网络容量大的网络结构。网络中放置若干个特殊的路由器,专门负责进行数据转发。一般情况下,网络中仅有协调器和路由器处于活跃状态,终端设备进入休眠模式。

  2.2 节点配置

  根据系统各节点的功能要求,嵌入式控制器能够对网络进行集中控制,被配置成协调器,作为网络的建立者;路由节点作为特殊的节点,仅作为数据汇聚点进行数据转发,不执行其他操作;而开关节点仅在手动开关操作后被唤醒,在网络中活跃的时间较短,不需进行数据转发,被配置为终端设备。

  3 网络节点节能方案实现

  网络节点低功耗设计是无线传感器网络应用开发热点之一。因此,需要通过从硬件设计和软件设计2个方面提出和总结节点的低功耗设计方法。常见的ZigBee SoC解决方案中,节点由处理器()、无线收发器(RF)、外设和供电部分组成。其中,处理器作为节点的核心单元,负责数据处理和芯片内部资源的调配;无线收发器进行数据包收发,实现网络通信功能。

  对于SoC架构,可采用单部件无线传感器休眠模型进行分析。根据参考文献,无线收发器是节点功耗的主要来源。一般情况下,ZigBee网络的数据传输量较小,大部分节点处于空闲状态。为减小网络的能源消耗,可利用ZigBee节点提供的多种休眠模式,关闭空闲节点的无线收发器,使处理器进入休眠状态。

  3.1 事件驱动

  开关节点的功能在于检测开关面板的操作,发送开关信息到相应的照明节点,不需主动参与无线通信。开关节点采用能耗最低的深度休眠模式,关闭数字稳压器、高速RC振荡器和所有晶体振荡器,只能通过外部中断进行唤醒,其休眠和唤醒过程如图2所示。

 

 

 

  3.2 定时唤醒

  照明节点作为系统中的执行部分,其主要的工作为接收控制信号和执行相应操作。由于其需要等待无线控制信号来触发服务,因此不能采取通过外部中断的方式进行唤醒。浅休眠模式提供定时器唤醒功能,该模式下关闭数字稳压器、高速RC振荡器和高速晶振,仅保留低速晶振提供时钟,可通过睡眠定时器定时对进行唤醒。

  如图3所示,睡眠定时器以周期tperiod对节点进行唤醒。整个唤醒过程与开关节点相同,其平均功率为:

 

  照明节点作为无线照明系统的应用执行部分,是直接为用户提供服务的部件。实施休眠机制后,设备大部分时间将处于休眠状态,只是周期性苏醒过来收发数据或者检测信道的状态。若休眠时间过长,则会影响设备对控制信号的响应速度,甚至导致控制信号传输失败,因此应用中需要对休眠时间进行实验评估,避免用户等待时间过长或操作失败。

 

  4 数据分析

  本系统以CC2430为无线通信芯片,以高性能8051为内核,集成ZigBee RF收发器。如上文所述,无线节点采取两种不同的休眠唤醒机制,实现节能策略。根据参考文献,获得数据分析如图4和图5所示。

 

 

  由图4可见,影响开关节点功率大小的因素有运行时间trun和开关次数n。其中,trun与通信过程有关,控制信息的目标节点越多,trun越大;而开关次数n则由使用习惯决定,平均功率随开关的频繁程度增加而增大。若某开关信息需要同时控制2个照明节点(trun=30 ms),每天开关20次,平均功率约为0.5 mW;控制3个节点,每天开关10次,其平均功率则为0.31 mW。如图5所示,照明节点的平均功率由运行时间trun和唤醒周期tperiod决定。其中,trun与和执行器件有关;唤醒周期与网络响应速度有关,tperiod越大,网络的响应时间就越长。在照明的控制中,对系统的实时性要求不大,同时考虑到节能和用户操作的要求,唤醒周期取值在250~400 ms之间,照明节点的功率可控制在10mW以下。

  5 结语

  本文的无线照明系统休眠策略,不但能够应用在ZigBee网络中,同时还可以应用在处理器和无线收发器组成的多部件无线节点中。研究结果证明,对无线节点各部件进行休眠唤醒策略,能有效控制其功耗,提高能源利用率,在家庭自动化和节能环保的发展趋势下,将具有较好的参考价值。

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