ZigBee 无线传感器节点的节能设计

徐闽燕

（浙江工业职业技术学院电气工程分院 浙江 绍兴 312000）

0 引言

ZigBee技术是为低速数据传输、低功耗、低成本应用而产生的一种新型的无线通信技术，在应用简单、功耗低、有自组网能力、网络容量大、可靠性高、使用成本低等方面有很大优势。ZigBee能弥补IEEE 802.11、蓝牙和超宽带等短距离无线通信技术在组网能力和节能方面的不足，适合组建节能型的大规模无线传感器网络。

虽然ZigBee网络的能耗低于普通的无线网络，但是众多场合下ZigBee网络的节点没有固定基础设施支持，大都采用电池供电，而ZigBee网络的生命周期一般都至少是几个月。ZigBee应用的特殊性使得ZigBee对节点的能耗控制严格要求。

1 ZigBee现有的节能方法

为了实现低能耗，ZigBee引入了多种降低功耗的方法：一是ZigBee基于IEEE802.15.4协议，采用DSSS（直接序列扩谱）技术；二是采用间接数据传输，大部分时间里，节点将关闭其收发设备处于睡眠状态；三是ZigBee的传输速率低，传输数据量很小，因而信号的收发实际时间很短；四是采用了AODV（按需距离矢量路由）和Cluster-Tree相结合的路由算法来降低能耗等等。

现在很多机构和个人对ZigBee的节能机制及ZigBee节点的能量有效性进行研究。部分研究者从硬件层面来考虑节能方法，采用低功耗电路设计方法和高效的电源管理方法，降低传感节点的功耗。为了延长节点寿命，考虑从节点周围的环境中获取能量为节点使用，如采用光电池。除电源外，节点还包括处理器、传感器和无线通信模块。其中针对处理器的节能有一些较为成熟的节能方法，如通过切换处理器工作状态而节能的动态功率管理（DPM）技术[1]，通过对处理器的工作电压和工作频率动态调整而节能的动态电压调节（DVS）技术[2]。也有研究者从网络层面来考虑节能方法。目前研究较多的节能技术包括：节点休眠/唤醒调度机制，功率管理算法、报文驱动的节能机制和时间驱动的节能机制，数据融合技术，改进路由算法和组网方式等等。

在大部分ZigBee网络的应用中，事件发生的偶然性很强，监测节点没有必要时刻保持在高速的工作状态。节点一般处于睡眠状态，必要时加以唤醒，将显著地降低节点的能耗，是一种有效的节能方案。休眠唤醒的方法通常有定时唤醒和射频唤醒两种。定时唤醒无需对节点硬件进行改动，只需利用软件预先设定节点的工作状态时刻表，但定时唤醒在延长无线网络寿命的同时降低了系统的实时性，不能达到最佳的节能效果。而射频唤醒对网络的实时性损害很小，能更大程度地降低节点的功耗，延长无线传感器网络的寿命。尤其在一些实时性要求比较高的特殊区域，可以采用定时唤醒与射频唤醒相结合的工作方式，在对硬件进行改进的同时，在软件的编写中使用定时时刻表[3]。

2 低功耗节点设计

2.1 硬件电路

无线网络节点一般由传感器、处理器、无线通信和能量供应四大模块组成。本系统增加了一个射频唤醒模块，其作用是给微处理器模块一个中断使其从睡眠状态唤醒到工作状态。

本文选择西安华凡科技有限公司的HFZ-CC2430/CC2431ZDK开发套件，以CC2430芯片作为ZigBee无线传感器网络的核心元件。CC2430集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的 RF无线电收发机、1个8位增强型51内核MCU、128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器[4]。CC2430在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA；在休眠模式时仅0.9 μA的流耗，同时具有从休眠模式转换到主动模式时间超短的特性。

射频唤醒模块由接收电路和发射电路两部分组成。由于ZigBee节点之间的距离较近（几十米），选用低频唤醒的方式比较适合。选用Atmel公司的具有超低功耗、序列头侦测功能的ATA5276和ATA5283，其中ATA5276用于发射125KHz电磁波，ATA5283用于接收125KHz电磁波。ATA5276待机电流小于50μA。ATA5283在接收数据前处于待机侦听模式时电流仅为1uA，接收数据的过程中功耗为2uA。射频唤醒模块的低频信号与CC2430的高频信号采用不同的天线。本文采用单极天线电感加载方式来接收125KHz电磁波。

2.2 工作方式

CC2430的五种工作模式和对应的工作电流如下：发送（24.7mA）、接收（27mA）、空闲（190uA）、掉电（0.9 uA）和关闭（0.6uA）。本系统采用数据采集节点在数据采集间隔期进入掉电工作模式，唤醒之后系统进入正常工作模式 （发送/接收）。

节点在初始状态下处于睡眠状态，其射频唤醒模块ATA5283则处于待机侦听模式，可以接收电磁波。ATA5283接收到一个完整的序列头后会在N_WAKEUP脚给出一个低电平去唤醒CC2430。CC2430通过读取ATA5283的N_DATA脚可以获得ASK解调输出的串行数据。当CC2430判断数据已接收完，给出一个高电平到ATA5283的RESET脚，它就会回到待机侦听模式。如果需要唤醒周围的其他节点进行数据的转发操作，CC2430就通过一个单线双向接口控制ATA5276配合天线线圈发射125kHz低频载波传送数据和能量，来唤醒周围节点协助工作。节点在处理完事件后，会判断是否继续停留在全速工作状态，如果不需要就再次进入睡眠状态等待下一次被唤醒。

2.3 系统测试

在50平方米的房间里随机放置了一个协调节点，六个采集节点。每个采集节点用两节1600mAh的电池供电。测试时采集节点的工作状态分三种情况：一是始终处于工作状态；二是采用定时唤醒机制，设定状态切换周期为4秒（3795ms休眠，5ms过渡，200ms侦听）；三是采用射频唤醒机制。假定每天有20个随机事件发生，每个事件持续1分钟，则6个节点一天内消耗的总能量分别为8463.5mAh.V、536.4mAh.V、42.3mAh.V。经过比较，射频唤醒机制下能耗最低，是定时唤醒机制下的7.9%，是始终处于工作状态下的0.5%。

3 结论

本文在分析现有节能机制的基础上着重研究射频唤醒机制，设计低功耗节点，有效控制节点的唤醒时间，降低的节点的能量消耗，对于ZigBee无线传感器网络技术的推广有一定的实际意义。

［1］Sinha and A.Chandrakasan.Operating System and Algorithmic Techniques for Energy Scalable Wireless Sensor Networks[R].Proc.of the Second International Conference on Mobile Data Management,Jan，2001.

［2］Pering T,Burd T,Brodersen R.Dynamic Voltage Scaling and the Design of a Low-power Microprocessor System[C]／／Proceeding of Power Driven Microarchitecture Workshop at ISCA98,Barcelona,Spain,1998.

［3］吴鹏程.无线传感器网络射频唤醒机制研究 [D].重庆大学，2008.

［4］CHIPCON.CC2430 PRELIMINARY data sheet(rev.1.03)SWRS036A[M].CHIPCON,2005.