基于Zigbee智能家居的低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

徐海峰

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

1 引言

智能家居系統(tǒng)整體由1個(gè)中心基站和5個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。中心基站主要完成對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，以及方便用戶對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。中心基站與各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成Zigbee通信家庭網(wǎng)絡(luò)。5個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)分別監(jiān)測室內(nèi)溫濕度、有害氣體、煙霧密度、人員熱感定位、門禁系統(tǒng)。各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)不相互交換數(shù)據(jù)，所得監(jiān)測數(shù)據(jù)全部上報(bào)給中心基站，由中心基站統(tǒng)一分析。用戶只需要對中心基站進(jìn)行管理，分析查看由中心基站提供的日志報(bào)告，就能對整個(gè)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行合理有效的調(diào)度。智能家居系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在以Zigbee為核心的無線網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)不能通過自身補(bǔ)足能量，所需的能量消耗由鋰電池供給，所以降低無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，對延長整個(gè)智能家居系統(tǒng)的無人工作狀態(tài)有重要意義。無線傳感器大致由兩部分功能，一部分為數(shù)據(jù)處理與傳輸，一部分為能量供給，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要來自數(shù)據(jù)處理與傳輸兩個(gè)方面，一個(gè)方面是Zigbee節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行時(shí)所需要的能量，以及對數(shù)據(jù)處理所需的能量，包括環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測與處理;一方面是其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所需的能量，主要包括節(jié)點(diǎn)發(fā)送/接收來自中心基站的數(shù)據(jù)。本文主要針對無線傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所消耗的能量進(jìn)行研究分析，結(jié)合智能家居系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的主要應(yīng)用，對各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)引入睡眠調(diào)度機(jī)制。

圖1 智能家居結(jié)構(gòu)

2 Zigbee無線技術(shù)

ZigBee技術(shù)協(xié)議是由 IEEE 802.15.4和 Zigbee聯(lián)盟共同制作完成，具有低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)。Zigbee工作狀態(tài)采用3個(gè)頻段，即2.4GHz、915MHz 和 868MHz，傳 輸 速 率 對 應(yīng) 為250Kbit/s、40Kbit/s和 20Kbit/s，傳輸距離一般在 10～100 m范圍。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中有3種類型的設(shè)備:Zigbee協(xié)調(diào)器、Zigbee路由器點(diǎn)和 Zigbee終端設(shè)備。其中Zigbee協(xié)調(diào)器和Zigbee路由器點(diǎn)必須是FFD形式，Zigbee協(xié)調(diào)器對于一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)有且只有一個(gè)，而Zigbee路由器對于Zigbee網(wǎng)絡(luò)是可選的。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種類型(圖2):即星型結(jié)構(gòu)、樹簇結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖2 Zigbee拓?fù)?/p>

Zigbee節(jié)能技術(shù)主要來自數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面。Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)由4部分模塊組成，分別是傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊(電池)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯陌l(fā)生在無線通信模塊，無線通信模塊的工作狀態(tài)有4種:發(fā)射、接收、空閑和睡眠，其中發(fā)射與接收狀態(tài)意味著節(jié)點(diǎn)處于數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要電池能量供給。空閑狀態(tài)雖然沒有數(shù)據(jù)傳輸，但Zigbee無線技術(shù)采用的是CSMA/CA(載波偵聽/沖突檢測)機(jī)制，空閑狀態(tài)其實(shí)是處于偵聽無線信道的狀態(tài)，為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收提前做好狀態(tài)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備，空閑狀態(tài)同樣需要電池能量供給。無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒蹋饕譃?個(gè)部分:第1部分是節(jié)點(diǎn)成功加入無線網(wǎng)絡(luò)后，請求中心基站獲取IP地址，為以后節(jié)點(diǎn)與中心基站數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備;第2部分來自中心基站的數(shù)據(jù)查詢請求，主要完成將無線傳感器監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給中心基站以供用戶查看;第3部分是節(jié)點(diǎn)的報(bào)警信息，若節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的環(huán)境信息超過用戶設(shè)定閥值，則將報(bào)警信息主動上傳給中心基站。數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

數(shù)據(jù)處理消耗的能量集中在傳感器模塊和處理器模塊，這兩部分模塊主要負(fù)責(zé)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的處理。處理器模塊主要負(fù)責(zé)處理器的能量管理、工作電壓等，傳感器模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測、搜集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)信息。隨著集成行業(yè)的迅猛發(fā)展，集成行業(yè)電路工藝的進(jìn)步，傳感器模塊和處理器模塊的功耗越來越低，大部分能量消耗都集中在數(shù)據(jù)傳輸模塊。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程

3 Zigbee節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 Zigbee睡眠機(jī)制的選擇

Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用CSMA/CA機(jī)制，即使工作在空閑狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)也需要偵聽無線信道，需要能量消耗。在Zigbee節(jié)點(diǎn)中引入睡眠喚醒機(jī)制的根本目的在于降低智能家居系統(tǒng)的能量消耗。Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)的睡眠機(jī)制分為休眠機(jī)制和深度睡眠機(jī)制，其中休眠機(jī)制通過定時(shí)器喚醒，深度睡眠機(jī)制需要外部中斷喚醒，而Zigbee節(jié)點(diǎn)的睡眠狀態(tài)大致分為同步喚醒機(jī)制和異步喚醒機(jī)制。在同步喚醒機(jī)制中，各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要時(shí)間與中心基站同步，根據(jù)中心基站的基準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，由中心基站同步喚醒各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作;異步喚醒機(jī)制則不需要時(shí)間同步，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)入睡眠，獨(dú)立選擇各自的喚醒時(shí)間。整個(gè)智能家居系統(tǒng)中，各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)不同，工作時(shí)間長短不一，并且節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，結(jié)合智能家居系統(tǒng)這一特點(diǎn)，本文采用異步喚醒機(jī)制，各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)自行選擇喚醒時(shí)間，如圖4所示。

圖4 異步喚醒模式

智能家居系統(tǒng)中，Zigbee節(jié)點(diǎn)的睡眠機(jī)制分為普通休眠機(jī)制與深度睡眠機(jī)制，休眠機(jī)制的工作電流為1.2 μA，深度睡眠機(jī)制則是0.6μA。根據(jù)智能家居系統(tǒng)的實(shí)際情況，溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境信息，而室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)在一段時(shí)間的變化不會太大，不需要長時(shí)間工作，并且該環(huán)境數(shù)據(jù)并不引發(fā)報(bào)警信息，不具備外部中斷條件，故采用普通休眠機(jī)制。煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)、有害氣體節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境是否超標(biāo)，若超出閥值，則會發(fā)出報(bào)警信息。由用戶設(shè)置閥值，超出閥值則進(jìn)入工作狀態(tài)，具備深度睡眠所需要的外部中斷條件，并且不需要長時(shí)間工作，故采用深度睡眠機(jī)制。紅外節(jié)點(diǎn)與熱釋電節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)判定是否非法闖入，該節(jié)點(diǎn)具備外部中斷條件，可以采用深度睡眠機(jī)制，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)擔(dān)任了室內(nèi)的安防保護(hù)，也可以采用休眠機(jī)制。如圖5所示為Zigbee節(jié)點(diǎn)外部中斷的觸發(fā)方式。

3.2 Zigbee節(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)間的設(shè)定

Zigbee節(jié)點(diǎn)采用了CSMA/CA機(jī)制，每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)接收一個(gè)來自中心基站的數(shù)據(jù)包平均功率為:

其中Ps為節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)下的功率，和分別代表接收數(shù)據(jù)狀態(tài)和發(fā)射數(shù)據(jù)狀態(tài)的平均功率，L代表每L秒收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，代表節(jié)點(diǎn)從睡眠轉(zhuǎn)換到空閑狀態(tài)的時(shí)長。在Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包在中心基站與Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時(shí)延為:

其中TS代表節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間，Tc代表數(shù)據(jù)控制包的傳輸時(shí)間，TD代表數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間，TT代表節(jié)點(diǎn)發(fā)射/接收之間轉(zhuǎn)換的時(shí)長，TI代表節(jié)點(diǎn)處于空閑的時(shí)長。

根據(jù)公式1與公式2的對比可知，TS的時(shí)長越小，則傳輸時(shí)延會越小，意味著Zigbee網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量會越高，反之則會導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。根據(jù)Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)的這一特性，結(jié)合智能家居系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，可分析得出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間。溫濕度節(jié)點(diǎn)采用休眠機(jī)制，長時(shí)間可處于休眠狀態(tài)，則采用休眠15min。因睡眠時(shí)間長，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)與中心基站的通信質(zhì)量惡化，為保證節(jié)點(diǎn)喚醒后通信質(zhì)量恢復(fù)，則延長喚醒工作時(shí)間，并且采用了異步喚醒，故可確保節(jié)點(diǎn)喚醒后無線信道不會擁擠，能盡快恢復(fù)通信質(zhì)量，采用喚醒工作時(shí)長30ms。煙霧節(jié)點(diǎn)和有害氣體節(jié)點(diǎn)均采用深度睡眠機(jī)制，更能長時(shí)間處于睡眠，一旦環(huán)境惡化可外部中斷觸發(fā)工作，故睡眠時(shí)長20min，兩處節(jié)點(diǎn)喚醒分為正常喚醒和外部中斷觸發(fā)喚醒，為確保遇警后報(bào)警信息能正確上傳中心基站，喚醒時(shí)長以預(yù)警為主，采用喚醒工作時(shí)間40ms。紅外節(jié)點(diǎn)與熱釋電節(jié)點(diǎn)相互配合使用，所得數(shù)據(jù)由中心基站統(tǒng)一協(xié)調(diào)，并且擔(dān)任安防作用，故這兩處節(jié)點(diǎn)以通信質(zhì)量為主，采用休眠機(jī)制，睡眠時(shí)長5min，喚醒工作時(shí)長30ms，以保證節(jié)點(diǎn)與中心基站之間的通信質(zhì)量不會急劇惡化，同時(shí)保證預(yù)警信息能正確有效上傳。各個(gè)節(jié)點(diǎn)睡眠機(jī)制設(shè)置如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)睡眠工作方式

4 結(jié)語

隨著智能家居的不斷發(fā)展，智能家居系統(tǒng)將面臨加入越來越多的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的增多、房屋面積的增大、傳輸距離不斷增遠(yuǎn)等，使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能設(shè)計(jì)顯得尤為重要，如何合理分配節(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)間、工作時(shí)間，以及合理有效調(diào)度各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配工作，成為智能家居系統(tǒng)中重要設(shè)計(jì)部分。本文以Zigbee無線節(jié)點(diǎn)為核心，從節(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)長與喚醒工作時(shí)長入手研究分析，得出了一種合理有效的睡眠機(jī)制，為延長智能家居系統(tǒng)無人職守工作時(shí)長，有一定的實(shí)際意義。同時(shí)，Zigbee無線家庭網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)加入過多后，會造成無線信道逐漸擁塞，通信質(zhì)量與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延受到嚴(yán)重影響。只有在綜合考慮Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互配合使用下，共同降低節(jié)點(diǎn)綜合能量消耗，最大利用各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量并配合睡眠機(jī)制，才能最大限度延長智能家居系統(tǒng)的使用時(shí)間。

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