隨著無線電技術的不斷發展，無線通信逐步融入到生活中的各個方面，家居控制不斷向智能化、自動化和網絡化方向發展。對于傳統的無線照明控制系統，無線設備即使在空閑狀態下，其無線接收部分仍然處于活躍狀態，等待系統無線控制信號。長時間不間斷地工作將造成大量的能源浪費。針對功耗來源，對于無線傳感器網絡節點SoC，可以設計如下的工作狀態：正常模式、淺休眠模式、深度休眠模式。本文結合ZigBee技術特點，提出一種休眠節能策略，使無線設備在不執行任何操作的情況下進入極低功耗的狀態，提高能源的利用率。
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。其網絡可容納大量節點，點對點的最大傳輸距離為75m，在傳輸范圍內節點間可以互相通信，支持多種自組織網絡拓撲結構。
與傳統的無線通信技術相比，ZigBee具有以下特點。省電：兩節五號電池工作時間可達2年；可靠：采用CSMA/CA避免數據沖突；高容量：網絡最多可容納65000個節點；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，數據量較少的場合。
2 系統規劃
如圖1所示，系統由嵌入式控制器、照明控制節點、開關節點和路由節點組成。
嵌入式控制器集中監視和控制照明系統的狀態，用戶可以通過嵌入式控制器查看系統中所有照明設備的狀態，并能通過觸摸屏對其進行控制。開關節點作為次級控制單元，可發送開關信號到照明節點，控制其開關狀態。然而照明節點是系統中的執行設備，接收控制命令和執行相應的動作。每個開關節點可與多個照明節點綁定。
2.1 網絡拓撲
ZigBee網絡中，一般存在三種功能設備：網絡協調器（具有建立網絡和數據轉發功能）、路由器（具有數據轉發功能）和終端設備（不具有數據轉發功能）。本系統采用圖1所示的網狀拓撲結構。它是一種可靠性高，網絡容量大的網絡結構。網絡中放置若干個特殊的路由器，專門負責進行數據轉發。一般情況下，網絡中僅有協調器和路由器處于活躍狀態，終端設備進入休眠模式。
2.2 節點配置
根據系統各節點的功能要求，嵌入式控制器能夠對網絡進行集中控制，被配置成協調器，作為網絡的建立者；路由節點作為特殊的節點，僅作為數據匯聚點進行數據轉發，不執行其他操作；而開關節點僅在手動開關操作后被喚醒，在網絡中活躍的時間較短，不需進行數據轉發，被配置為終端設備。
3 網絡節點節能方案實現
網絡節點低功耗設計是無線傳感器網絡應用開發熱點之一。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點的低功耗設計方法。常見的ZigBee SoC解決方案中，節點由處理器（MCU）、無線收發器（RF）、外設和供電部分組成。其中，處理器作為節點的核心單元，負責數據處理和芯片內部資源的調配；無線收發器進行數據包收發，實現網絡通信功能。
對于SoC架構，可采用單部件無線傳感器休眠模型進行分析。根據參考文獻，無線收發器是節點功耗的主要來源。一般情況下，ZigBee網絡的數據傳輸量較小，大部分節點處于空閑狀態。為減小網絡的能源消耗，可利用ZigBee節點提供的多種休眠模式，關閉空閑節點的無線收發器，使處理器進入休眠狀態。
3.1 事件驅動
開關節點的功能在于檢測開關面板的操作，發送開關信息到相應的照明節點，不需主動參與無線通信。開關節點采用能耗最低的深度休眠模式，關閉數字穩壓器、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
照明節點作為系統中的執行部分，其主要的工作為接收控制信號和執行相應操作。由于其需要等待無線控制信號來觸發服務，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，該模式下關閉數字穩壓器、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對節點進行喚醒。整個喚醒過程與開關節點相同，其平均功率為：
照明節點作為無線照明系統的應用執行部分，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，只是周期性蘇醒過來收發數據或者檢測信道的狀態。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 數據分析
本系統以CC2430為無線通信芯片，以高性能8051為內核，集成ZigBee RF收發器。如上文所述，無線節點采取兩種不同的休眠喚醒機制，實現節能策略。根據參考文獻，獲得數據分析如圖4和圖5所示。
由圖4可見，影響開關節點功率大小的因素有運行時間trun和開關次數n。其中，trun與通信過程有關，控制信息的目標節點越多，trun越大；而開關次數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個照明節點（trun=30ms），每天開關20次，平均功率約為0.5mW；控制3個節點，每天開關10次，其平均功率則為0.31mW。如圖5所示，照明節點的平均功率由運行時間trun和喚醒周期tperiod決定。其中，trun與電路設計和執行器件有關；喚醒周期與網絡響應速度有關，tperiod越大，網絡的響應時間就越長。在照明的控制中，對系統的實時性要求不大，同時考慮到節能和用戶操作的要求，喚醒周期取值在250～400ms之間，照明節點的功率可控制在10mW以下。
5 結語
本文的無線照明系統休眠策略，不但能夠應用在ZigBee網絡中，同時還可以應用在處理器和無線收發器組成的多部件無線節點中。研究結果證明，對無線節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，在家庭自動化和節能環保的發展趨勢下，將具有較好的參考價值。
