基于Zigbee智能家居的低功耗節點設計

徐海峰

(西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621010)

1 引言

智能家居系統整體由1個中心基站和5個無線傳感器節點組成。中心基站主要完成對各個節點的統一協調工作，以及方便用戶對智能家居系統進行統一管理。中心基站與各個無線傳感器節點組成Zigbee通信家庭網絡。5個無線傳感器節點分別監測室內溫濕度、有害氣體、煙霧密度、人員熱感定位、門禁系統。各個無線傳感器節點不相互交換數據，所得監測數據全部上報給中心基站，由中心基站統一分析。用戶只需要對中心基站進行管理，分析查看由中心基站提供的日志報告，就能對整個智能家居系統進行合理有效的調度。智能家居系統的整體結構如圖1所示。

在以Zigbee為核心的無線網絡中，各個無線傳感器節點不能通過自身補足能量，所需的能量消耗由鋰電池供給，所以降低無線傳感器節點的能量消耗，對延長整個智能家居系統的無人工作狀態有重要意義。無線傳感器大致由兩部分功能，一部分為數據處理與傳輸，一部分為能量供給，無線傳感器節點的能量消耗主要來自數據處理與傳輸兩個方面，一個方面是Zigbee節點正常運行時所需要的能量，以及對數據處理所需的能量，包括環境數據的監測與處理;一方面是其數據傳輸時所需的能量，主要包括節點發送/接收來自中心基站的數據。本文主要針對無線傳感器節點在數據傳輸時所消耗的能量進行研究分析，結合智能家居系統的實際運行狀況和各個傳感器節點的主要應用，對各個無線傳感器節點引入睡眠調度機制。

圖1 智能家居結構

2 Zigbee無線技術

ZigBee技術協議是由 IEEE 802.15.4和 Zigbee聯盟共同制作完成，具有低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術。Zigbee工作狀態采用3個頻段，即2.4GHz、915MHz 和 868MHz，傳 輸 速 率 對 應 為250Kbit/s、40Kbit/s和 20Kbit/s，傳輸距離一般在 10～100 m范圍。在Zigbee網絡中有3種類型的設備:Zigbee協調器、Zigbee路由器點和 Zigbee終端設備。其中Zigbee協調器和Zigbee路由器點必須是FFD形式，Zigbee協調器對于一個Zigbee網絡有且只有一個，而Zigbee路由器對于Zigbee網絡是可選的。Zigbee網絡的拓撲結構主要有3種類型(圖2):即星型結構、樹簇結構、網狀結構。

圖2 Zigbee拓撲

Zigbee節能技術主要來自數據傳輸和數據處理兩個方面。Zigbee無線傳感器節點由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模塊(電池)。數據傳輸的能量消耗發生在無線通信模塊，無線通信模塊的工作狀態有4種:發射、接收、空閑和睡眠，其中發射與接收狀態意味著節點處于數據傳輸過程中，需要電池能量供給。空閑狀態雖然沒有數據傳輸，但Zigbee無線技術采用的是CSMA/CA(載波偵聽/沖突檢測)機制，空閑狀態其實是處于偵聽無線信道的狀態，為數據發送和接收提前做好狀態轉換準備，空閑狀態同樣需要電池能量供給。無線傳感器節點數據傳輸的流程，主要分為3個部分:第1部分是節點成功加入無線網絡后，請求中心基站獲取IP地址，為以后節點與中心基站數據傳輸做好準備;第2部分來自中心基站的數據查詢請求，主要完成將無線傳感器監測的環境數據發送給中心基站以供用戶查看;第3部分是節點的報警信息，若節點監測的環境信息超過用戶設定閥值，則將報警信息主動上傳給中心基站。數據傳輸流程如圖3所示。

數據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責室內環境的監測和數據的處理。處理器模塊主要負責處理器的能量管理、工作電壓等，傳感器模塊主要負責監測、搜集室內環境數據，處理數據信息。隨著集成行業的迅猛發展，集成行業電路工藝的進步，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據傳輸模塊。

圖3 數據傳輸流程

3 Zigbee節能優化設計

3.1 Zigbee睡眠機制的選擇

Zigbee無線傳感器節點采用CSMA/CA機制，即使工作在空閑狀態，節點也需要偵聽無線信道，需要能量消耗。在Zigbee節點中引入睡眠喚醒機制的根本目的在于降低智能家居系統的能量消耗。Zigbee無線傳感器節點的睡眠機制分為休眠機制和深度睡眠機制，其中休眠機制通過定時器喚醒，深度睡眠機制需要外部中斷喚醒，而Zigbee節點的睡眠狀態大致分為同步喚醒機制和異步喚醒機制。在同步喚醒機制中，各個無線傳感器節點需要時間與中心基站同步，根據中心基站的基準時間，同時進入睡眠狀態，由中心基站同步喚醒各個節點進入工作;異步喚醒機制則不需要時間同步，各個節點可根據實際情況進入睡眠，獨立選擇各自的喚醒時間。整個智能家居系統中，各個無線傳感器節點的監測任務不同，工作時間長短不一，并且節點數目較多，結合智能家居系統這一特點，本文采用異步喚醒機制，各個無線傳感器節點自行選擇喚醒時間，如圖4所示。

圖4 異步喚醒模式

智能家居系統中，Zigbee節點的睡眠機制分為普通休眠機制與深度睡眠機制，休眠機制的工作電流為1.2 μA，深度睡眠機制則是0.6μA。根據智能家居系統的實際情況，溫濕度傳感器節點負責監測室內環境信息，而室內溫濕度數據在一段時間的變化不會太大，不需要長時間工作，并且該環境數據并不引發報警信息，不具備外部中斷條件，故采用普通休眠機制。煙霧傳感器節點、有害氣體節點主要負責監測室內環境是否超標，若超出閥值，則會發出報警信息。由用戶設置閥值，超出閥值則進入工作狀態，具備深度睡眠所需要的外部中斷條件，并且不需要長時間工作，故采用深度睡眠機制。紅外節點與熱釋電節點主要負責判定是否非法闖入，該節點具備外部中斷條件，可以采用深度睡眠機制，同時該節點擔任了室內的安防保護，也可以采用休眠機制。如圖5所示為Zigbee節點外部中斷的觸發方式。

3.2 Zigbee節點睡眠時間的設定

Zigbee節點采用了CSMA/CA機制，每個無線傳感器節點接收一個來自中心基站的數據包平均功率為:

其中Ps為節點在睡眠狀態下的功率，和分別代表接收數據狀態和發射數據狀態的平均功率，L代表每L秒收到一個數據包，代表節點從睡眠轉換到空閑狀態的時長。在Zigbee無線網絡中，數據包在中心基站與Zigbee無線傳感器節點之間的傳輸時延為:

其中TS代表節點的睡眠時間，Tc代表數據控制包的傳輸時間，TD代表數據包的傳輸時間，TT代表節點發射/接收之間轉換的時長，TI代表節點處于空閑的時長。

根據公式1與公式2的對比可知，TS的時長越小，則傳輸時延會越小，意味著Zigbee網絡的通信質量會越高，反之則會導致通信質量下降。根據Zigbee無線傳感器節點的這一特性，結合智能家居系統的實際運行狀態，可分析得出各個節點的睡眠時間。溫濕度節點采用休眠機制，長時間可處于休眠狀態，則采用休眠15min。因睡眠時間長，導致節點與中心基站的通信質量惡化，為保證節點喚醒后通信質量恢復，則延長喚醒工作時間，并且采用了異步喚醒，故可確保節點喚醒后無線信道不會擁擠，能盡快恢復通信質量，采用喚醒工作時長30ms。煙霧節點和有害氣體節點均采用深度睡眠機制，更能長時間處于睡眠，一旦環境惡化可外部中斷觸發工作，故睡眠時長20min，兩處節點喚醒分為正常喚醒和外部中斷觸發喚醒，為確保遇警后報警信息能正確上傳中心基站，喚醒時長以預警為主，采用喚醒工作時間40ms。紅外節點與熱釋電節點相互配合使用，所得數據由中心基站統一協調，并且擔任安防作用，故這兩處節點以通信質量為主，采用休眠機制，睡眠時長5min，喚醒工作時長30ms，以保證節點與中心基站之間的通信質量不會急劇惡化，同時保證預警信息能正確有效上傳。各個節點睡眠機制設置如表1所示。

表1 節點睡眠工作方式

4 結語

隨著智能家居的不斷發展，智能家居系統將面臨加入越來越多的無線傳感器節點。無線傳感器節點的增多、房屋面積的增大、傳輸距離不斷增遠等，使得無線傳感網絡節點的節能設計顯得尤為重要，如何合理分配節點睡眠時間、工作時間，以及合理有效調度各個節點分配工作，成為智能家居系統中重要設計部分。本文以Zigbee無線節點為核心，從節點睡眠時長與喚醒工作時長入手研究分析，得出了一種合理有效的睡眠機制，為延長智能家居系統無人職守工作時長，有一定的實際意義。同時，Zigbee無線家庭網絡中，節點加入過多后，會造成無線信道逐漸擁塞，通信質量與數據傳輸時延受到嚴重影響。只有在綜合考慮Zigbee無線網絡中各個節點相互配合使用下，共同降低節點綜合能量消耗，最大利用各個無線傳感器節點的能量并配合睡眠機制，才能最大限度延長智能家居系統的使用時間。

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