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75m,，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65000個節(jié)點,；低成本；低速率：傳輸速率為250Kb/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,。
照明節(jié)能機制" src="http://files.chinaaet.com/images/20110915/23511c9f-e093-4fb3-8e18-73b60906102b.jpg" />
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,。
3.2 定時喚醒
照明節(jié)點作為系統(tǒng)中的執(zhí)行部分，其主要的工作為接收控制信號和執(zhí)行相應操作,。由于其需要等待無線控制信號來觸發(fā)服務,，因此不能采取通過外部中斷的方式進行喚醒。淺休眠模式提供定時器喚醒功能,，該模式下關閉數(shù)字穩(wěn)壓器,、高速RC振蕩器和高速晶振,，僅保留低速晶振提供時鐘，可通過睡眠定時器定時對MCU進行喚醒,。
如圖3所示,，睡眠定時器以周期tperiod對節(jié)點進行喚醒。整個喚醒過程與開關節(jié)點相同,，其平均功率為：
照明節(jié)點作為無線照明系統(tǒng)的應用執(zhí)行部分,，是直接為用戶提供服務的部件。實施休眠機制后,，設備大部分時間將處于休眠狀態(tài)，只是周期性蘇醒過來收發(fā)數(shù)據(jù)或者檢測信道的狀態(tài),。若休眠時間過長,，則會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間進行實驗評估,，避免用戶等待時間過長或操作失敗。
4 數(shù)據(jù)分析
本系統(tǒng)以CC2430為無線通信芯片,，以高性能8051為內核,，集成ZigBee RF收發(fā)器。如上文所述,，無線節(jié)點采取兩種不同的休眠喚醒機制,，實現(xiàn)節(jié)能策略。根據(jù)參考文獻,，獲得數(shù)據(jù)分析如圖4和圖5所示,。
由圖4可見，影響開關節(jié)點功率大小的因素有運行時間trun和開關次數(shù)n,。其中,，trun與通信過程有關，控制信息的目標節(jié)點越多,，trun越大,；而開關次數(shù)n則由使用習慣決定，平均功率隨開關的頻繁程度增加而增大,。若某開關信息需要同時控制2個照明節(jié)點（trun=30ms）,，每天開關20次，平均功率約為0.5mW,；控制3個節(jié)點,，每天開關10次，其平均功率則為0.31mW,。如圖5所示,，照明節(jié)點的平均功率由運行時間trun和喚醒周期tperiod決定,。其中,，trun與電路設計和執(zhí)行器件有關,；喚醒周期與網(wǎng)絡響應速度有關，tperiod越大,，網(wǎng)絡的響應時間就越長,。在照明的控制中,，對系統(tǒng)的實時性要求不大，同時考慮到節(jié)能和用戶操作的要求,，喚醒周期取值在250～400ms之間,，照明節(jié)點的功率可控制在10mW以下。
5 結語
本文的無線照明系統(tǒng)休眠策略,，不但能夠應用在ZigBee網(wǎng)絡中,，同時還可以應用在處理器和無線收發(fā)器組成的多部件無線節(jié)點中。研究結果證明,，對無線節(jié)點各部件進行休眠喚醒策略,，能有效控制其功耗，提高能源利用率,，在家庭自動化和節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢下,，將具有較好的參考價值。