ZigBee无线传感器网络节点的低功耗分析

　ZigBee技术是一种功耗、速率和复杂度都低的无线通信技术，依据无线联网和控制而制定的协议规范，其中Physics Layer和MAC协议则由IEEE802工作组制定，而Network layer和Application layer协议都由ZigBee联盟制定。ZigBee数字传输模块类似于移动网络基站。ZigBee技术的工作频段为2. 4 GHz（全球）、915MH z（美国）和868MHz（欧洲），传输距离大约10-75m，并且可以无限扩展。ZigBee网络是在工业现场自动化控制中进行数据传输，主要适用于远程自动化控制、无线传感器网络和工业自动控制等领域. 
　　1 传感器节点硬件能耗分析 
　　ZigBee 无线传感器节点由传感器、处理器、无线通信和电池4个模块组成。传感器模块包含传感器和数/模转换电路；处理器模块包括微处理器和存储器；无线通信模块包括网络协议和射频通信部分。降低硬件功率消耗的根本方法是采用低功耗的芯片，这样还能够提高传感器节点能量的利用率。 
　　1.1 传感器模块 
　　传感器模块一般由传感器和数/模转换电路组成。模块节能设计原则：（1）模块功耗要低；（2）传感器的体积要小；（3）传感器的外围电路要简单。 
　　第一，由于传感器的功率占系统功率的比例很小，一般选择耗电量小的传感器，最好采用数字传感器。比如低功耗的温湿度一体SHT75芯片可以进行数字式输出；自带应用交付控制器（ADC） 的单片机可实现A/D 转换；Atmega128L芯片有8 个通道、采样精度为10位的应用交付控制器。第二，传感器的选择要考虑启动时间，因为传感器在启动时间内需要一个持续的电流维持工作，为了节省传感器的能量，就需选择启动时间较短的传感器。 
　　1.2 处理器模块 
　　处理器模块的核心是微处理器，是网络节点的中央处理单元。它主要完成数据处理，控制和协调各部分模块的工作，譬如信号处理、通信协议以及应用程序。微处理器功耗大小主要取决于运行时钟、工作电压、制作工艺和内部逻辑复杂度。如果微处理器运行速率越快，工作电压就越高，其功耗必然就越大。第一，为了使微处理器的功率超低，使节点的生命周期增加， 微处理器必须同时支持多种工作模式：“运行”、“空闲”和“休眠”等。通过监测节点的正常工作状态，把大部分时间内处于“空闲”状态的节点进行“休眠”。第二，为了节省处理器能耗，就要求运行速率高，即处理器在最短的时间内能够完成所需的工作后，快速由“运行”进入“休眠”状态，。系统中常用的微处理器有MSP430系列和Atmega128L等超低功耗微处理器。MSP430系列16 位单片机总体性能在能耗方面有较大的优势，但其工作电流、待机电流都很低。 
　　1.3 无线通信模块低功耗设计 
　　在整个无线网络传感器网络中，通信模块消耗能量占的比例是最多。无线通信模块是控制网络节点之间的数据发送和接收，能量主要用于射频信号和元器件对频率进行合成、转换、滤波等操作。收发器的数据率、调制模式和发射功率等都制约着无线通信模块的能量消耗。因此，我们主要从采用射频通信使用低能耗无线收发芯片、多工作方式、增加模块的休眠时间和合适的调制机制等方面来降低通信模块能耗。 
　　1.3.1 射频通信模块 
　　射频通信模块通常选用收发端电流稳定、待机电流小的芯片，譬如Freescale 公司生产的MC13192 芯片和CC2420芯片。MC13192芯片的供电电压为2.7V，接收状态耗电流为37 mA，发射状态耗电流为34mA，其功耗很低，执行周期短。CC2420 是Chipcon 公司推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4 标准的有源射频RF 芯片。其特点：（1）在系统没有数据传输时， 将自动进入休眠状态，节省电源；（2）CC2420的发射最大电流为17. 4 mA， 接收电流为18. 8 mA，待机电流为1 mA，唤醒时间小于1.5ms，其功耗小。 
　　1.3.2 无线收发器多工作方式和调制方式 
　　无线收发器常见的4种工作方式包括：发送、接收、空闲和休眠。假如系统进行小功率发射， 那么收发器的体系结构决定了发射模式和接收模式消耗的功率的大小。因此，收发器大部分时间都置于休眠状态，在需要时激活一个占空比低的时片下进入工作状态。调制方式的决定因素有数据速率、波特率、辐射功率和信道特性等。如果收发器发送的次数越少，则模块的休眠状态所持续时间就越长；如果收发器或者系统在调制过程中所提供的数据速率越高， 则模块所消耗的能量就越少。 
　　2 ZigBee网络协议低能耗设计 
　　网络协议每一层都消耗着ZigBee 无线传感器系统中能量，因此我们可以根据各层网络协议的功能来设计不同的节能方法，到达降低能耗，延长系统寿命的目的。物理层协议是通过延长射频模块睡眠时间，数据流量的减少来达到低能耗的目的。此外还可以采用减少数据碰撞、直接序列扩频增强系统抗多径的稳定性等措施来降低能耗。网络层协议低能耗设计主要从网络冗余数据的收敛加速、数据融合、带宽的高利用率和选择能量有效路由等方面来考虑。应用层协议主要采用分布式数据库和数据融合的技术，对采集的数据进行逐个筛选，来降低系统的能耗。 
　　3 结语 
　　由于无线传感器的能量一般采用电池供应，这就制约了ZigBee传感器网络节点能量大小，所以能耗问题是无线传感器首要解决的问题。本文从ZigBee技术的基本架构基础上，分析了ZigBee网络节点硬件和网络协议的特点，为其降低功耗提供了技术措施， 节约电池能量， 延长网络的寿命。 
　　参考文献： 
　　[1] 于海斌，曾鹏.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社，2006. 
　　[2] 杨喜敏.传感器网络中的能量消耗问题研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（1）：27-29. 
　　收稿日期：2015-02-11 
　　作者简介：檀杉（1980—），男，河北平山人，本科，毕业于郑州大学，助理工程师，研究方向：计算机通讯。