1、ZigBee無線傳感器網絡節點的低功耗分析摘要：隨著無線通信的快速發展，無線傳感器網絡的應用具有了普遍性。但是無線傳感器存在系統能耗量大、存儲能力低等局限性，為解決其弊端，通過分析無線傳感器網絡節點各個部分的能耗情況，得出從節點硬件和網絡協議的角度來，設計低能耗的網絡系統，最大限度地利用有限能量是關鍵，并延長網絡生命周期的目的。關鍵詞：ZigBee無線傳感器網絡通信能耗網絡協議中圖分類號：TP212.9文獻標識碼：A文章編號：1007-9416（2015）02-0000-00ZigBee技術是一種功耗、速率和復雜度都低的無線通信技術，依據無線聯網和控制而制定的協議規范，其中PhysicsLay

2、er和MAC協議則由IEEE802工作組制定，而Networklayer和Applicationlayer協議都由ZigBee聯盟制定。ZigBee數字傳輸模塊類似于移動網絡基站。ZigBee技術的工作頻段為2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲），傳輸距離大約10-75m，并且可以無限擴展。ZigBee網絡是在工業現場自動化控制中進行數據傳輸，主要適用于遠程自動化控制、無線傳感器網絡和工業自動控制等領域.1 傳感器節點硬件能耗分析ZigBee無線傳感器節點由傳感器、處理器、無線通信和電池4個模塊組成。傳感器模塊包含傳感器和數/模轉換電路；處理器模塊包括微處理器和存儲器

3、；無線通信模塊包括網絡協議和射頻通信部分。降低硬件功率消耗的根本方法是采用低功耗的芯片，這樣還能夠提高傳感器節點能量的利用率。1.1 傳感器模塊傳感器模塊一般由傳感器和數/模轉換電路組成。模塊節能設計原則：（1）模塊功耗要低；（2）傳感器的體積要小；（3）傳感器的外圍電路要簡單。第一，由于傳感器的功率占系統功率的比例很小，一般選擇耗電量小的傳感器，最好采用數字傳感器。比如低功耗的溫濕度一體SHT75芯片可以進行數字式輸由；自帶應用交付控制器（ADC）的單片機可實現A/D轉換；Atmega128L芯片有8個通道、采樣精度為10位的應用交付控制器。第二，傳感器的選擇要考慮啟動時間，因為傳感器在啟動

4、時間內需要一個持續的電流維持工作，為了節省傳感器的能量，就需選擇啟動時間較短的傳感器。1.2 處理器模塊處理器模塊的核心是微處理器，是網絡節點的中央處理單元。它主要完成數據處理，控制和協調各部分模塊的工作，譬如信號處理、通信協議以及應用程序。微處理器功耗大小主要取決于運行時鐘、工作電壓、制作工藝和內部邏輯復雜度。如果微處理器運行速率越快，工作電壓就越高，其功耗必然就越大。第一，為了使微處理器的功率超低，使節點的生命周期增加，微處理器必須同時支持多種工作模式：“運行”、“空閑”和“休眠”等。通過監測節點的正常工作狀態，把大部分時間內處于“空閑”狀態的節點進行“休眠”。第二，為了節省處理器能耗，就

5、要求運行速率高，即處理器在最短的時間內能夠完成所需的工作后，快速由“運行”進入“休眠”狀態，。系統中常用的微處理器有MSP430系列和Atmega128L等超低功耗微處理器。MSP430系列16位單片機總體性能在能耗方面有較大的優勢，但其工作電流、待機電流都很低。1.3 無線通信模塊低功耗設計在整個無線網絡傳感器網絡中，通信模塊消耗能量占的比例是最多。無線通信模塊是控制網絡節點之間的數據發送和接收，能量主要用于射頻信號和元器件對頻率進行合成、轉換、濾波等操作。收發器的數據率、調制模式和發射功率等都制約著無線通信模塊的能量消耗。因此，我們主要從采用射頻通信使用低能耗無線收發芯片、多工作方式、增加

6、模塊的休眠時間和合適的調制機制等方面來降低通信模塊能耗。1.3.1 射頻通信模塊射頻通信模塊通常選用收發端電流穩定、待機電流小的芯片，譬如Freescale公司生產的MC13192芯片和CC2420芯片。MC13192芯片的供電電壓為2.7V，接收狀態耗電流為37mA，發射狀態耗電流為34mA，其功耗很低，執行周期短。CC2420是Chipcon公司推出的一款兼容2.4GHzIEEE802.15.4標準的有源射頻RF芯片。其特點：（1）在系統沒有數據傳輸時，將自動進入休眠狀態，節省電源；（2）CC2420的發射最大電流為17.4mA,接收電流為18.8mA,待機電流為1mA,喚醒時間小于1.5

7、ms,其功耗小。1.3.2 無線收發器多工作方式和調制方式無線收發器常見的4種工作方式包括：發送、接收、空閑和休眠。假如系統進行小功率發射，那么收發器的體系結構決定了發射模式和接收模式消耗的功率的大小。因此，收發器大部分時間都置于休眠狀態，在需要時激活一個占空比低的時片下進入工作狀態。調制方式的決定因素有數據速率、波特率、輻射功率和信道特性等。如果收發器發送的次數越少，則模塊的休眠狀態所持續時間就越長；如果收發器或者系統在調制過程中所提供的數據速率越高，則模塊所消耗的能量就越少。2 ZigBee網絡協議低能耗設計網絡協議每一層都消耗著ZigBee無線傳感器系統中能量，因此我們可以根據各層網絡協

8、議的功能來設計不同的節能方法，到達降低能耗，延長系統壽命的目的。物理層協議是通過延長射頻模塊睡眠時間，數據流量的減少來達到低能耗的目的。此外還可以采用減少數據碰撞、直接序列擴頻增強系統抗多徑的穩定性等措施來降低能耗。網絡層協議低能耗設計主要從網絡冗余數據的收斂加速、數據融合、帶寬的高利用率和選擇能量有效路由等方面來考慮。應用層協議主要采用分布式數據庫和數據融合的技術，對采集的數據進行逐個篩選，來降低系統的能耗。3 結語由于無線傳感器的能量一般采用電池供應，這就制約了ZigBee傳感器網絡節點能量大小，所以能耗問題是無線傳感器首要解決的問題。本文從ZigBee技術的基本架構基礎上，分析了ZigBee網絡節點硬件和網絡協議的特點，為其降低功耗提供了技術措施，節約電池能量，延長網絡的壽命。參考文獻：1 于海斌，曾鵬.智能無線傳感器網絡系