无线照明系统休眠策略的研究与实现

摘要：为解决传统无线控制系统在空闲时仍处于完全功耗状态，造成能源利用率低的问题，提出一种基于休眠唤醒策略的节能机制。首先，网络采用有利于节点休眠的网状拓扑结构，通过节点配置，保证网络通信在节点休眠期间的可靠性；其次，休眠节点按照其功能要求，分别采用了事件驱动和定时唤醒的机制，在满足使用要求的情况下，最大限度地减低功耗；最后，根据相关数据对上述休眠机制进行分析研究，验证其有效性和可用性。
关键词：ZigBee；休眠；照明系统；低功耗

    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，对于无线传感器网络节点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(MCU)、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MCU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与电路设计和执行器件有关；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。