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TWI689215B - Zigbee設備節能方法 - Google Patents

Zigbee設備節能方法 Download PDF

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TWI689215B
TWI689215B TW105119481A TW105119481A TWI689215B TW I689215 B TWI689215 B TW I689215B TW 105119481 A TW105119481 A TW 105119481A TW 105119481 A TW105119481 A TW 105119481A TW I689215 B TWI689215 B TW I689215B
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潘紘宇
謝阜諺
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鴻海精密工業股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種Zigbee設備節能方法，包括：為每個Zigbee設備配置Zigbee協定參數，包括：將超幀序號SO(macSuperframeOrder)的值設置為6，以及將信標序號BO(macBeaconOrder)的值設置為12；及將各個Zigbee設備基於上述配置的Zigbee協定參數下建立通訊連接。本發明可通過調整Zigbee設備的Zigbee協定參數來最大化降低Zigbee設備的能量消耗。

Description

Zigbee設備節能方法
本發明涉及一種Zigbee設備節能方法。
為了滿足小型、低成本設備的無線聯網要求，2000年12月IEEE標準委員會正式批准成立了TG4(Task Group 4)工作組，開發低速無線個域網(Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN)標準，命名為IEEE802.15.4協定，即ZigBee技術。LR-WPAN具有結構簡單、資料傳輸率較低、通信距離近、功耗低，成本低等特點，作為無線感測器網路的有效解決方案，ZigBee技術在工業控制、農業監管、交通監控、家庭自動化、醫學檢測等領域都有廣泛的應用。LR-WPAN最為突出的特點和要求就是節能，處在網路中的設備可以連續工作數月甚至幾年。協議本身採取了一些策略，在保證資料傳輸品質的基礎上達到較小的功率消耗。但是如何盡可能的降低能量消耗，仍然是ZigBee技術的關鍵議題。
在Zigbee網路中，可以選用以超幀為週期組織網路內設備間的通信。每個超幀都以網路協調器發出信標幀(beacon)為起始，在這個信標幀中包含了超幀將持續的時間以及對這段時間的分配等資訊，主要用於向網路中的從設備描述超幀的結構，使其識別PAN(Personal Area Network，個人局域網)並實現設備與協調器的同步。超幀將通信時間劃分為活躍和休眠兩個部分。在休眠期間，PAN網路中的設備不會相互通信以節省能量。
超幀的活躍週期包含16個等長的時隙(slot)，並被劃分為三個階段：信標幀發送週期、競爭接入週期(Contention Access Period，CAP)和免競爭週期(Contention-Free Period，CFP)，其中CFP內的保護時隙(Guaranteed Time Slot，GTS)機制為可選。每個時隙的長度、競爭訪問時段包含的時隙數等參數都由協調器設定，並通過超幀開始時發出的信標幀廣播到整個網路中。當網路中的從設備接收到信標幀後，就可以根據其中的內容安排自己的任務，所有事務的處理需要在下一個網路信標時隙前完成，例如進入休眠狀態直到這個超幀結束。
活躍週期和休眠週期主要是利用信標序號BO(macBeaconOrder)以及超幀序號SO(macSuperframeOrder)這兩個值來描述的。其中信標序號BO定義了信標幀被協調器傳送的時間間隔等級，超幀序號SO定義了描述超幀中活躍週期的間隔等級，有效取值範圍都在0至15之間。信標序號BO和超幀序號SO除了可實現超幀的簡單描述外，亦與參數信標幀間隔(Beacon Interval，BI)、超幀持續時間(Superframe Duration，SD)以及超幀休眠週期持續時間(Inactive Period Duration，ID)有相關性，具體計算公式如下：BI=aBaseSuperframeDuration*2BOsymbols
SD=aBaseSuperframeDuration*2SOsymbols
ID=aBaseSuperframeDuration*2(BO-SO)symbols
其中0
Figure 105119481-A0305-02-0004-4
SO
Figure 105119481-A0305-02-0004-5
BO
Figure 105119481-A0305-02-0004-6
14。由此可以看出，SO<BO保證了超幀活躍週期在信標幀間隔範圍內，只有當休眠週期不存在，即SO=BO時，信標幀間隔時間才與超幀活躍週期的持續時間相等。當SO=0時，超幀的活躍週期持續時間SD達到最小值，即等於aBaseSuperframeDuration的大小。
鑒於以上內容，有必要提供一種Zigbee設備節能方法，可通過調整Zigbee設備的Zigbee協定參數來最大化降低Zigbee設備的能量消耗。
所述Zigbee設備節能方法包括：為每個Zigbee設備配置Zigbee協定參數，包括：將超幀序號SO(macSuperframeOrder)的值設置為6，以及將信標序號BO(macBeaconOrder)的值設置為12；及將各個Zigbee設備基於上述配置的Zigbee協定參數下建立通訊連接。
在一個較佳實施例中，所述Zigbee設備為智慧家居設備，以星型、樹型或者網狀網路結構與個域網PAN協調器連接。
在一個較佳實施例中，所述Zigbee設備為智慧燈。
在一個較佳實施例中，所述Zigbee設備為無線感測器。
在一個較佳實施例中，所述Zigbee設備為報警器。
在一個較佳實施例中，所述超幀序號SO用於控制所述Zigbee設備的活躍週期的持續時長。
在一個較佳實施例中，所述信標序號BO用於控制所述Zigbee設備的所述活躍週期的持續時長和休眠週期的持續時長。
相較於習知技術，本發明的Zigbee設備節能方法，可通過調整Zigbee設備的Zigbee協定參數來最大化降低Zigbee設備的能量消耗。
11:第一Zigbee設備
22:第二Zigbee設備
110:數據包
圖1是本發明Zigbee設備節能方法較佳實施例的流程圖。
圖2舉例說明第一Zigbee設備與第二Zigbee設備。
圖3示出第一Zigbee設備在信標序號BO取不同值時的剩餘電量的變化。
圖4示出第一Zigbee設備在超幀序號SO取不同值時的剩餘電量的變化。
圖5示出第一Zigbee設備分別在信標序號BO為12及超幀序號SO為6，和信標序號BO為12及超幀序號SO為9時的剩餘電量的變化。
參閱圖1所示，是本發明Zigbee設備節能方法較佳實施例的流程圖。
步驟S1，為每個Zigbee設備配置Zigbee協定參數。
每個Zigbee設備均包括一個Zigbee通訊模組(圖中未示出)，使得每個Zigbee設備可以利用Zigbee協定進行通訊。
在一個實施例中，所述Zigbee設備為智慧家居設備，以星型、樹型或者網狀網路結構與個域網PAN協調器連接。
在一個實施例中，所述Zigbee設備可以為智慧燈。
在一個實施例中，所述Zigbee設備也可以為無線感測器。
在一個實施例中，所述Zigbee設備還可以為報警器。
需要說明的是，本實施例所例舉的Zigbee設備僅為舉例說明，不應當是對本發明的限制。
本發明所提供的Zigbee設備節能方法主要是通過調整設置Zigbee協議參數中的超幀序號SO(macSuperframeOrder)的值和信標序號BO(macBeaconOrder)的值來實現。
本領域技術中，所述超幀序號SO是用於控制所述Zigbee設備的活躍週期的持續時長的。
本領域技術中，所述信標序號BO是用於控制所述Zigbee設備的所述活躍週期的持續時長和休眠週期的持續時長的。
本領域技術中，所述超幀序號SO和信標序號BO的大小關係為0
Figure 105119481-A0305-02-0006-8
SO
Figure 105119481-A0305-02-0006-10
BO
Figure 105119481-A0305-02-0006-11
14。
本發明人通過改變所述超幀序號SO和信標序號BO的取值，經過多次試驗得出將所述超幀序號SO的值設置為6，以及將所述信標序號BO的值 設置為12時，可以使得利用Zigbee協定通訊的Zigbee設備能夠最小化能源的消耗。具體實驗資料將在後面介紹。
在一個實施例中，本發明可以在Zigbee通訊模組的固件代碼編寫階段將所述超幀序號SO的值設置為6，以及將所述信標序號BO的值設置為12。換句話來講，在將Zigbee通訊模組的固件燒錄於所述Zigbee通訊模組前，就先將所述超幀序號SO和信標序號BO的值分別預先設置好。
步驟S2，將各個Zigbee設備基於上述配置的Zigbee協定參數下建立通訊連接。
請同時參閱圖2-5，以下介紹所述超幀序號SO的值設置為6，以及將所述信標序號BO的值設置為12時，可以使得利用Zigbee協定通訊的Zigbee設備能夠最小化能源的消耗的實驗過程。
第一組實驗：將所述信標序號BO的值設置為0，保持Zigbee協議的其他參數不變。將第一Zigbee設備11與第二Zigbee設備22基於信標序號BO為0的Zigbee協定下建立通訊連接。將第一Zigbee設備11和第二Zigbee設備22充滿電(即剩餘電量100%)。利用第一Zigbee設備11向第二Zigbee設備22不斷發送同一個資料包110。每隔20分鐘讀取一次第一Zigbee設備11的剩餘電量，總共讀取四次，即於時間經過80分鐘時最後讀取一次該第一Zigbee設備11的剩餘電量。
依照上述方法，測試第一Zigbee設備11在所述信標序號BO的值分別為3，6，9，12，14時的剩餘電量的變化。
本發明在實驗過程中所得出的信標序號BO的值分別為0，3，6，9，12，14時，所述第一Zigbee設備11的剩餘電量的變化如圖3所示。可以看出，所述第一Zigbee設備11在信標序號BO的值為12和6時，經過80分鐘後的剩餘電量較多。即經過實驗得出信標序號BO的較佳值為12和6。
第二組實驗：將所述超幀序號SO的值設置為0，保持Zigbee協議的其他參數不變。將第一Zigbee設備11與第二Zigbee設備22基於超幀序號SO為0的Zigbee協定下建立通訊連接。將第一Zigbee設備11和第二Zigbee設備22充滿電(即剩餘電量100%)。利用第一Zigbee設備11向第二Zigbee設備22不斷發送同一個資料包110。每隔20分鐘讀取一次第一Zigbee設備11的剩餘電量，總共讀取四次，即於時間經過80分鐘時最後讀取一次該第一Zigbee設備11的剩餘電量。
依照上述方法，測試第一Zigbee設備11在所述超幀序號SO的值分別為3，6，9，12，14時的剩餘電量的變化。
本發明在實驗過程中所得出的超幀序號SO的值分別為0，3，6，9，12，14時，所述第一Zigbee設備11的剩餘電量的變化如圖4所示。可以看出，所述第一Zigbee設備11在超幀序號SO的值為6和9時，經過80分鐘後的剩餘電量較多。即經過實驗得出超幀序號SO的較佳值為6和9。
由於SO<BO時，保證了超幀活躍週期在信標幀間隔範圍內。因此將上述信標序號BO的較佳值(即12和6)和上述超幀序號SO的較佳值(即6和9)作組合時可以得出兩個參數組合，即BO=12及SO=6可以為一參數組合，BO=12及SO=9可以為另一參數組合。接下來再利用上述兩個參數組合分別做實驗。
第三組實驗：首先，將信標序號BO的值設置為12，並將超幀序號SO的值設置為6，保持Zigbee協議的其他參數不變。將第一Zigbee設備11與第二Zigbee設備22基於信標序號BO為12，超幀序號SO為6的Zigbee協定下建立通訊連接。將第一Zigbee設備11和第二Zigbee設備22充滿電(即剩餘電量100%)。利用第一Zigbee設備11向第二Zigbee設備22不斷發送同一個資料包110。每 隔20分鐘讀取一次第一Zigbee設備11的剩餘電量，總共讀取四次，即於時間經過80分鐘時最後讀取一次該第一Zigbee設備11的剩餘電量。
其次，將信標序號BO的值設置為12，並將超幀序號SO的值設置為9，保持Zigbee協議的其他參數不變。將第一Zigbee設備11與第二Zigbee設備22基於信標序號BO為12，超幀序號SO為9的Zigbee協定下建立通訊連接。將第一Zigbee設備11和第二Zigbee設備22充滿電(即剩餘電量100%)。利用第一Zigbee設備11向第二Zigbee設備22不斷發送同一個資料包110。每隔20分鐘讀取一次第一Zigbee設備11的剩餘電量，總共讀取四次，即於時間經過80分鐘時最後讀取一次該第一Zigbee設備11的剩餘電量。
本發明在實驗過程中所得出的信標序號BO為12及超幀序號SO為6時，和信標序號BO為12及超幀序號SO為9時，所述第一Zigbee設備11的剩餘電量的變化如圖5所示。可以看出，所述第一Zigbee設備11在信標序號BO為12及超幀序號SO為6時，經過80分鐘後的剩餘電量較多。即經過實驗得出信標序號BO為12及超幀序號SO為6時，所述第一Zigbee設備最為省電。
最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換都不應脫離本發明技術方案的精神和範圍。

Claims (7)

  1. 一種Zigbee設備節能方法，其中，該方法包括：為每個Zigbee設備配置Zigbee協定參數，包括：將超幀序號SO(macSuperframeOrder)的值設置為6，以及將信標序號BO(macBeaconOrder)的值設置為12以節省每個Zigbee設備的電量消耗；及將各個Zigbee設備基於上述配置的Zigbee協定參數下建立通訊連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的Zigbee設備節能方法，其中，所述Zigbee設備為智慧家居設備，以星型、樹型或者網狀網路結構與個域網PAN協調器連接。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的Zigbee設備節能方法，其中，所述Zigbee設備為智慧燈。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的Zigbee設備節能方法，其中，所述Zigbee設備為無線感測器。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的Zigbee設備節能方法，其中，所述Zigbee設備為報警器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的Zigbee設備節能方法，其中，所述超幀序號SO用於控制所述Zigbee設備的活躍週期的持續時長。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的Zigbee設備節能方法，其中，所述信標序號BO用於控制所述Zigbee設備的所述活躍週期的持續時長和休眠週期的持續時長。
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