基于Zigbee智能家居的低功耗节点设计

徐海峰

(西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010)

1 引言

智能家居系统整体由1个中心基站和5个无线传感器节点组成。中心基站主要完成对各个节点的统一协调工作，以及方便用户对智能家居系统进行统一管理。中心基站与各个无线传感器节点组成Zigbee通信家庭网络。5个无线传感器节点分别监测室内温湿度、有害气体、烟雾密度、人员热感定位、门禁系统。各个无线传感器节点不相互交换数据，所得监测数据全部上报给中心基站，由中心基站统一分析。用户只需要对中心基站进行管理，分析查看由中心基站提供的日志报告，就能对整个智能家居系统进行合理有效的调度。智能家居系统的整体结构如图1所示。

在以Zigbee为核心的无线网络中，各个无线传感器节点不能通过自身补足能量，所需的能量消耗由锂电池供给，所以降低无线传感器节点的能量消耗，对延长整个智能家居系统的无人工作状态有重要意义。无线传感器大致由两部分功能，一部分为数据处理与传输，一部分为能量供给，无线传感器节点的能量消耗主要来自数据处理与传输两个方面，一个方面是Zigbee节点正常运行时所需要的能量，以及对数据处理所需的能量，包括环境数据的监测与处理;一方面是其数据传输时所需的能量，主要包括节点发送/接收来自中心基站的数据。本文主要针对无线传感器节点在数据传输时所消耗的能量进行研究分析，结合智能家居系统的实际运行状况和各个传感器节点的主要应用，对各个无线传感器节点引入睡眠调度机制。

图1 智能家居结构

2 Zigbee无线技术

ZigBee技术协议是由 IEEE 802.15.4和 Zigbee联盟共同制作完成，具有低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术。Zigbee工作状态采用3个频段，即2.4GHz、915MHz 和 868MHz，传 输 速 率 对 应 为250Kbit/s、40Kbit/s和 20Kbit/s，传输距离一般在 10～100 m范围。在Zigbee网络中有3种类型的设备:Zigbee协调器、Zigbee路由器点和 Zigbee终端设备。其中Zigbee协调器和Zigbee路由器点必须是FFD形式，Zigbee协调器对于一个Zigbee网络有且只有一个，而Zigbee路由器对于Zigbee网络是可选的。Zigbee网络的拓扑结构主要有3种类型(图2):即星型结构、树簇结构、网状结构。

图2 Zigbee拓扑

Zigbee节能技术主要来自数据传输和数据处理两个方面。Zigbee无线传感器节点由4部分模块组成，分别是传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块(电池)。数据传输的能量消耗发生在无线通信模块，无线通信模块的工作状态有4种:发射、接收、空闲和睡眠，其中发射与接收状态意味着节点处于数据传输过程中，需要电池能量供给。空闲状态虽然没有数据传输，但Zigbee无线技术采用的是CSMA/CA(载波侦听/冲突检测)机制，空闲状态其实是处于侦听无线信道的状态，为数据发送和接收提前做好状态转换准备，空闲状态同样需要电池能量供给。无线传感器节点数据传输的流程，主要分为3个部分:第1部分是节点成功加入无线网络后，请求中心基站获取IP地址，为以后节点与中心基站数据传输做好准备;第2部分来自中心基站的数据查询请求，主要完成将无线传感器监测的环境数据发送给中心基站以供用户查看;第3部分是节点的报警信息，若节点监测的环境信息超过用户设定阀值，则将报警信息主动上传给中心基站。数据传输流程如图3所示。

数据处理消耗的能量集中在传感器模块和处理器模块，这两部分模块主要负责室内环境的监测和数据的处理。处理器模块主要负责处理器的能量管理、工作电压等，传感器模块主要负责监测、搜集室内环境数据，处理数据信息。随着集成行业的迅猛发展，集成行业电路工艺的进步，传感器模块和处理器模块的功耗越来越低，大部分能量消耗都集中在数据传输模块。

图3 数据传输流程

3 Zigbee节能优化设计

3.1 Zigbee睡眠机制的选择

Zigbee无线传感器节点采用CSMA/CA机制，即使工作在空闲状态，节点也需要侦听无线信道，需要能量消耗。在Zigbee节点中引入睡眠唤醒机制的根本目的在于降低智能家居系统的能量消耗。Zigbee无线传感器节点的睡眠机制分为休眠机制和深度睡眠机制，其中休眠机制通过定时器唤醒，深度睡眠机制需要外部中断唤醒，而Zigbee节点的睡眠状态大致分为同步唤醒机制和异步唤醒机制。在同步唤醒机制中，各个无线传感器节点需要时间与中心基站同步，根据中心基站的基准时间，同时进入睡眠状态，由中心基站同步唤醒各个节点进入工作;异步唤醒机制则不需要时间同步，各个节点可根据实际情况进入睡眠，独立选择各自的唤醒时间。整个智能家居系统中，各个无线传感器节点的监测任务不同，工作时间长短不一，并且节点数目较多，结合智能家居系统这一特点，本文采用异步唤醒机制，各个无线传感器节点自行选择唤醒时间，如图4所示。

图4 异步唤醒模式

智能家居系统中，Zigbee节点的睡眠机制分为普通休眠机制与深度睡眠机制，休眠机制的工作电流为1.2 μA，深度睡眠机制则是0.6μA。根据智能家居系统的实际情况，温湿度传感器节点负责监测室内环境信息，而室内温湿度数据在一段时间的变化不会太大，不需要长时间工作，并且该环境数据并不引发报警信息，不具备外部中断条件，故采用普通休眠机制。烟雾传感器节点、有害气体节点主要负责监测室内环境是否超标，若超出阀值，则会发出报警信息。由用户设置阀值，超出阀值则进入工作状态，具备深度睡眠所需要的外部中断条件，并且不需要长时间工作，故采用深度睡眠机制。红外节点与热释电节点主要负责判定是否非法闯入，该节点具备外部中断条件，可以采用深度睡眠机制，同时该节点担任了室内的安防保护，也可以采用休眠机制。如图5所示为Zigbee节点外部中断的触发方式。

3.2 Zigbee节点睡眠时间的设定

Zigbee节点采用了CSMA/CA机制，每个无线传感器节点接收一个来自中心基站的数据包平均功率为:

其中Ps为节点在睡眠状态下的功率，和分别代表接收数据状态和发射数据状态的平均功率，L代表每L秒收到一个数据包，代表节点从睡眠转换到空闲状态的时长。在Zigbee无线网络中，数据包在中心基站与Zigbee无线传感器节点之间的传输时延为:

其中TS代表节点的睡眠时间，Tc代表数据控制包的传输时间，TD代表数据包的传输时间，TT代表节点发射/接收之间转换的时长，TI代表节点处于空闲的时长。

根据公式1与公式2的对比可知，TS的时长越小，则传输时延会越小，意味着Zigbee网络的通信质量会越高，反之则会导致通信质量下降。根据Zigbee无线传感器节点的这一特性，结合智能家居系统的实际运行状态，可分析得出各个节点的睡眠时间。温湿度节点采用休眠机制，长时间可处于休眠状态，则采用休眠15min。因睡眠时间长，导致节点与中心基站的通信质量恶化，为保证节点唤醒后通信质量恢复，则延长唤醒工作时间，并且采用了异步唤醒，故可确保节点唤醒后无线信道不会拥挤，能尽快恢复通信质量，采用唤醒工作时长30ms。烟雾节点和有害气体节点均采用深度睡眠机制，更能长时间处于睡眠，一旦环境恶化可外部中断触发工作，故睡眠时长20min，两处节点唤醒分为正常唤醒和外部中断触发唤醒，为确保遇警后报警信息能正确上传中心基站，唤醒时长以预警为主，采用唤醒工作时间40ms。红外节点与热释电节点相互配合使用，所得数据由中心基站统一协调，并且担任安防作用，故这两处节点以通信质量为主，采用休眠机制，睡眠时长5min，唤醒工作时长30ms，以保证节点与中心基站之间的通信质量不会急剧恶化，同时保证预警信息能正确有效上传。各个节点睡眠机制设置如表1所示。

表1 节点睡眠工作方式

4 结语

随着智能家居的不断发展，智能家居系统将面临加入越来越多的无线传感器节点。无线传感器节点的增多、房屋面积的增大、传输距离不断增远等，使得无线传感网络节点的节能设计显得尤为重要，如何合理分配节点睡眠时间、工作时间，以及合理有效调度各个节点分配工作，成为智能家居系统中重要设计部分。本文以Zigbee无线节点为核心，从节点睡眠时长与唤醒工作时长入手研究分析，得出了一种合理有效的睡眠机制，为延长智能家居系统无人职守工作时长，有一定的实际意义。同时，Zigbee无线家庭网络中，节点加入过多后，会造成无线信道逐渐拥塞，通信质量与数据传输时延受到严重影响。只有在综合考虑Zigbee无线网络中各个节点相互配合使用下，共同降低节点综合能量消耗，最大利用各个无线传感器节点的能量并配合睡眠机制，才能最大限度延长智能家居系统的使用时间。

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