Zigbee芯片低功耗测试平台研究

李 辉，须自明，廖巨华

（1.飞思卡尔半导体中国研发中心苏州分部，江苏 苏州 215011；2. 中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035；3. 江苏物联网研究发展中心教育培训中心，江苏 无锡 214000）

1 引言

低功耗无线通信技术是目前全球低能耗领域研究的热点。传感器技术、微机电系统技术、嵌入式系统技术与网络技术的突破性发展，为低功耗无线通信的发展创造了良好的基础，使其在工业、消费电子、军事、医疗、环境监测等领域具有很高的技术应用前景。其中Zigbee是重点协议标准，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

Zigbee是IEEE 802.15.4协议的兼容版本，它是针对低速无线个人局域网设计的符合IEEE规范的官方标准，工作在2.4 GHz频段，最多支持16个传输速率为250 kb/s的信道，适合星形、簇形和网状三种拓扑结构。

Zigbee的网络标准共分为4层，从上到下分别为应用层、网络层、多媒体访问控制层（MAC）和物理层。每一层为它的上一层提供数据与管理服务。其中，物理层和MAC层采用了IEEE 802.15.4标准，应用层和网络层则在此基础上进行了定制[1]。

Zigbee标准的物理层规定了3个有效频段，分别是868 MHz、915 MHz和2.4 GHz。其中在中国常用的2.4 GHz频段上采用直接序列扩频技术进行数据通信，从而提高了设备的抗干扰性。MAC层为传输提供可靠的数据通信链路与安全机制。在MAC层，不同的帧类型采用相同的结构，可以通过调用自定义的API函数构造不同的帧。网络层的主要功能是建立管理网络、提供路由机制等。在应用层中，每个节点具有16 位网络地址和64位IEEE地址，并且还有8位的应用层入口地址对应于应用对象。

相对于Wi-Fi、蓝牙等其他无线通信技术，Zigbee技术凭借其功耗和成本上的优势，越来越广泛地用于低速率、低功耗的网络[2]。

本文的研究对象是包含有Zigbee收发模块的SOC芯片，在低功耗的实验平台上为其搭配纽扣电池，从数据传输的过程中监测电池的耗电数据，从而研究Zigbee芯片的低功耗性能。

2 Zigbee低功耗测试平台设计

2.1 Zigbee SOC芯片架构

本文所测试的Zigbee芯片是一个符合IEEE 802.15.4标准的高性能片上系统（SOC），它包含一个完整的低功耗2.4 GHz的TX和RX开关射频收发器，一个8位CPU以及外围的功能模块。该芯片是针对无线射频遥控和其他低功耗的应用，例如家里的电视和娱乐系统，其均可作为IEEE 802.15.4和Zigbee终端设备节点。

该芯片的功能特征包括：

（1）集成8位CPU；

（2）最高频率达32 MHz；

（3）片上存储器包括128 kB闪存及8 kB的RAM；

（4）外设包括SCI、SPI、I2C、KBI，载波调制定时器（IR），32个输入/输出端口（GPIO），12位ADC；

（5）其供电范围是1.8～3.4 V。

图1 Zigbee芯片架构图

2.2 测试芯片的工作模式

本文的Zigbee功能芯片是一个高集成度的SOC芯片，具有多种功耗模式：

（1）SLEEP模式中停止系统时钟并使电压调节器处于等待状态，CPU关闭以节省电力，总线时钟被限制为250 kHz。

（2）STOP模式部分电源内部电路的内容被保留下来，RAM的I/O运行。所有内部电路供电可以快速恢复（32 MHz振荡器开关可选）。

（3）RUN模式的CPU时钟设置为500 kHz且总线时钟为250 kHz。

2.3 Zigbee低功耗应用测试电路设计

基于低功耗的Zigbee开发电路设计有多种方案，本文采用最为典型的应用方案。该电路是一个完整的IEEE 802.15.4/Zigbee无线节点设计。PCB（印刷电路板）有很小的形状系数（form factor），采用两层金属层来制成天线，因此RF电路部分是小尺寸设计。

电路的用户测试接口包括：

（1）电源管理电路，包括直流适配电路，干电池供电电路，纽扣电池供电电路；

（2）12针GPIO接口卡；

（3）6针UART接口卡；

（4）振荡器，24 MHz及32.768 kHz晶振；

（5）JTAG调试电路；

（6）LED；

（7）PCB RF天线。

图2显示为Zigbee低功耗应用测试电路。

图2 Zigbee低功耗节点开发测试电路

2.4 针对低电压电池的耗电测量方案

2.4.1 测试电池规格

为了测试Zigbee电路在极低功耗网络中的应用，本文将采用纽扣电池供电，并测量纽扣电池的耗电情况。采用常见的CR2032锂电池，其规格如表1所示。

2.4.2 电池电量寿命计算

很明显，这种类型的纽扣电池是专为低电压低功耗系统供电的。高峰值瞬态电流会影响电池的性能和寿命，本文所测试的负载电流均由Zigbee测试电路产生。电池寿命的计算是依据基于时间轴的平均负载电流。为了简化计算模型，本测试只考虑睡眠（Sleep）和TX/RX电流负载。表2显示了数据传输时的电池寿命计算。

表1 测试电池规格

从图2可以看出，寿命值主要是受脉冲放电（传输RX/TX）影响的，其中测试的应用程序花费了较少的时间。睡眠模式对于电池的寿命影响很少。对于真实的应用电路，电池电量主要是由信道扫描和数据传输来消耗的。

2.4.3 并联电容计算

冲击负载对于纽扣电池CR2032的影响是通过一个基于典型的802.15.4 MAC工作循环测试程序来完成的。我们的目的是证明Zigbee无线个人区域网络（PAN）在极低功耗的供电环境下是可能实现的[3]。

表2 电池寿命计算（数据传输程序）

典型的负载电流分布在不同的运行阶段，包括睡眠、处理、传输和接收。在802.15.4 MAC层传输实例中，对于平行电容用于在高峰负载的情况下保持输出电压，我们可以用以下计算公式来得出，电容供电电压下降的确定：

其中：C=470 μF，I=30 mA，ΔT=35 ms。

产生的电压降是：

Δu=（1/470×10-6）×30×10-3×35×10-3= 2.23 V

从另外一个角度来看，电容在电路由于电压过低而复位前能够保持电压的时间是：

Δt=（C×Δu）/I

在Δu被假定为1.2 V、名义供电电压3 V和最小电压为1.8 V 的规范中得出：

Δt=（470×10-6×1.2）/30×10-3= 18.8 ms

这表明，使用一个大的储能电容器可以支持典型的802.15.4 MAC层的传输过程。大电容可以很容易地支持电池在非连续的短数据传输过程，例如5 ms的突发传输。然而在长期的传输中由于电池内阻的原因必然会导致电池电压水平下降，从而使电池电量耗尽。电容值的选择最终取决于应用程序的要求。另一个因素是考虑到电容器的漏电流也会减少电池寿命。电容器漏电流连续放电的电池，取决于诸如电容值的因素、名义额定电压及采用的生产工艺技术[4]。

3 测试过程及结果分析

测试中，在模拟真实应用的情况下来检测电池的使用寿命，包括电量的耗尽时间、对瞬态峰值负载的忍受情况，来确定像纽扣电池这样低电压低容量的供电系统是否可以承担Zigbee网络节点的供电任务。

3.1 测量设置

如图3所示，CR2032与大储能电容并联，与1 Ω电阻串联用于监视供电电流的情况。

图3 电流测量电路

在固件程序中设置发送信标或数据包定义的时间间隔。终端设备在非工作时间进入睡眠（Sleep）状态。协调器的作用是做出MAC应答，捕获在无线传输中的传输次数。数据包也通过数据包的时间戳的增值提供相同的信息。

3.2 测量结果

表3说明了实际测量结果。测试情景模拟真实的Zigbee网络的运行情况。例如，主动扫描程序是用来传输一个信号并等待应答。最短的等待时间是由Zigbee（IEEE 802.15.4）规范定义的31 ms。因此，电源必须提供在这31 ms时间中的约30 mA电流。接收机必须在这个期间一直使能。在802.15.4中定义当Zigbee节点试图在16个可能频率通道寻找协调器时主动扫描程序启动。同时另一个测试用重复的数据传输100个字节，时间间隔是1 s和0.5 s。这个测试默认的发射机功率电平被设置为–1 dBm。测量结果用两种情景表示：反复信标扫描和重复的数据传输。

表3 测量结果

理论容量是由基于消耗时间的负载电流决定的。信标扫描阶段电量的需求是基本数据传输阶段的6倍。在这些电路设置的参数下测试进行了3天。从表3中还可以看出电池的容量是随大电流需求的增加而减少的。结果还表明，在数据传输时更长的电池恢复期将带来电池容量更好的综合利用率。实际上，电池每次放电都需要时间来恢复。0.5 s数据传输间隔使电池容量使用率达到最小。重复扫描程序中，无并联电容会带来比有并联电容更小的电池使用率。

图4 传输数量导致电池电压的变化

如图4所示，电池电压是随传输的数量而变化的。测试共分成了4种情景：

（1）有并联电容的重复扫描；

（2）无并联电容的重复扫描；

（3）有并联电容的情况下用1 s间隔传输100个字节的数据传输；

（4）有并联电容的情况下用0.5 s间隔传输100个字节的数据传输。

这些实验测量数据清晰地展示了低电量电池在脉冲放电条件下的特征表现。初步的基于负载电流的理论估值与实际测量结果进行了比较。1 s间隔的数据传输会产生最好的电池利用结果（77%）。电压下降值对应于实际的内部电阻的状态。并联电容器的使用影响着内阻的增长率。

4 结论

通过以上实验数据分析，针对纽扣电池供电的Zigbee节点电路，我们可以通过以下方式来增加电池的供电寿命，以此来实现Zigbee系统在极低功耗应用中的更佳性能：

（1）可以通过测试电池内阻来确定电池的电性能状态。它与剩余电池容量成正比，当电池快耗尽时更为明显。

（2）当Zigbee电路以更稳定更小的电流工作时，纽扣电池处于最佳工作状态。高峰值瞬态电流会大大减少电池的寿命。

（3）在Zigbee网络节点中尽量使用大容量电容来吸收高峰值瞬态电流，以此来保护电池。

（4）低泄漏值的大容量电池，可以保护电池，从而增加Zigbee节点的供电寿命。

（5）在Zigbee芯片的MCU中必须对于STOP模式下的配置给予高度重视，避免任何可能的管脚浮空，所有的管脚不使用时必须接地以避免这种情况，以此来避免系统功耗的增加。

以上研究分析了Zigbee网络节点电路在低电压低电容的应用环境中的功耗。实验结果表明Zigbee网络节点可以在极低功耗要求的环境中工作。本文设计的测试系统可以作为更广泛的低功耗电路的参考方案，对于无线通信领域的低功耗研究有一定借鉴意义。

[1] 朱洲，曹长修. ZigBee技术及其应用[J]. 电子测量与仪器学报, 2005.

[2] 周怡頲，凌志浩，吴勤勤. ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J]. 自动化仪表, 2005,（6）.

[3] Fereshteh Amini, Moazzam Khan. Performance of IEEE 802.15.4 Clusters with Power Management and Key Exchange [Z]. 2008, 03.

[4] Henkel F, Neyer A, El Din. Trends in low power fronted development for IEEE 802.15.4/ZigBee [R]. International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology（RFIT）, 2011.