CN102892184A - 一种实现Zigbee模块单火线或电池供电的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种实现Zigbee模块单火线或电池供电的装置和方法。包括为每个Zigbee模块设置一个休眠时间，此期间Zigbee模块仅消耗微安级的电流，Zigbee模块在以下情况被唤醒：一是设备的输入输出端电平发生变化，此时设备的微处理器收到一个外部中断信号，此中断将唤醒Zigbee模块；二是在预设休眠时间到来时，Zigbee模块被看门狗电路唤醒。本发明采用超低静态功耗的供电模块。在供电模块输出端并联一个电容以起蓄电的作用。供电模块输出不高于数十微安的电流给输出电容充电。Zigbee模块被周期唤醒或被输入端口电平触发唤醒期间，以电容所蓄的电给Zigbee模块供电。这种蓄电方式既能使保证吸取的电流不会大于引起灯具闪烁的极限值，又能满足Zigbee模块在被唤醒期间所需要较大电流的供给。

Description

一种实现Zigbee模块单火线或电池供电的装置和方法

【技术领域】

本专利涉及一种通过周期唤醒机制降低Zigbee模块的平均功耗以实现单火线供电或者电池供电的装置和方法。所述方法包括：为每个Zigbee模块设置一个休眠时间，在此期间Zigbee模块仅消耗微安级别的电流，Zigbee模块在以下情况下将被唤醒。一种情况是，设备的输入输出端口电平发生变化，此时设备的微处理器将收到一个外部中断信号，这个中断将唤醒Zigbee模块。另一种情况是在预设的休眠时间到来时，Zigbee模块被看门狗电路唤醒。在Zigbee模块休眠期间，发送给它的控制、查询等命令将被暂存在主机或路由装置。在被唤醒期间，Zigbee模块将和主机或路由装置通讯，以表明它处于清醒状态。主机或路由装置则查询是否有发送给该Zigbee模块的控制、查询、设置等命令。如有，则在Zigbee模块被唤醒期间把命令发送出去，Zigbee模块接收命令并反馈命令执行结果后再次进入休眠状态。

【背景技术】

目前，基于组网灵活、通讯可靠、安全性强、扩展性好、无需布线等优势，Zigbee技术在智能家居的应用也越来越多。

Zigbee模块本身在发射、接收时的功耗一般达到20到40毫安之间，即使处于待机时，功耗也达到数毫安。

一般家庭的墙壁86开关盒只会引入一根火线，如何通过一根火线给Zigbee智能开关供电是一个难题。

另外，目前一般的安防设备都是通过220伏电网提供电源。在电源被切断的情况下，安防设备将不能工作。要解决这个问题，则需要为安防系统配备额外的备份电源，或者在断电情况下立即触发报警。采用电池供电，则可以避免这种情况的发生。

就Zigbee模块的供电方式来说，一般有三种。一是采用的是零火线供电方式，也就是在86开关盒引入一根零线，Zigbee模块通过并联在220伏的电网上的电源模块进行供电。这种方式需要破坏墙体的装修引入零线，不能直接替换普通的手控机械墙壁开关，安装使用不方便，布线成本大。二是采用电池供电，但是由于Zigbee模块的功耗较大，电池的供电时间成为一个致命的问题。而且对有些电池来说，也没有提供数十毫安的供电能力。三就是采用单火线供电的方式，这种方式其实是把Zigbee的供电模块和灯具负载串联起来。这种方式下，流过供电模块的电流同时也会流到灯具负载上，如果这个电流太大将会引起灯具的闪烁。

【发明内容】

为了使功耗较大的Zigbee模块实现单火线或电池供电，本专利提供一种通过周期唤醒机制来降低Zigbee模块的平均功耗以实现单火线供电或电池供电的装置和方法。本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

1.交互流程：

在大部分时间里，包括Zigbee发射和接收部分电路、控制Zigbee收发的微处理器及其外围电路在内的Zigbee模块处于休眠状态。此时Zigbee模块处于耗电仅为数微安的超低功耗模式。有两种使Zigbee模块退出休眠状态的方式。一种是Zigbee模块受其输入端口电平变化触发。例如用户按下基于Zigbee模块的智能开关上的按钮，将使该按钮对应的输入端口的电平发生变化。再如，安防设备触发报警时，相应的输入端口的电平也会发生变化。此时，将产生一个外部触发中断，此中断使Zigbee模块从休眠状态转变为工作状态。另外一种使Zigbee模块由休眠状态转为工作状态的方式是周期唤醒，处于休眠状态的Zigbee模块的定时器还处于工作的状态。在到达预设的定时时间的情况下，定时器产生的中断将使Zigbee模块由休眠状态转变为工作状态。

一旦Zigbee模块从休眠模式转变为工作模式，它将主动发送命令数据包给主机或者路由装置，以报告其处于唤醒的状态。主机或路由装置收到Zigbee的状态报告后，将会查询是否有发送到该Zigbee模块的命令数据包。如果有的话，主机或路由装置将该模块的命令数据包发送出去。Zigbee模块收到命令后，做出相应的处理，然后把当前端口的状态以及命令执行结果返回给主机或路由装置。以上动作完成后，Zigbee模块将自动进入到休眠的状态，直到再次被唤醒。主机或路由装置收到Zigbee模块的数据包后，将在应用软件上做相应的处理。

2.Zigbee模块单火线供电方法：

在周期唤醒的方式下，Zigbee模块的功耗分为两种情况。一种是处于数微安级别的超低功耗状态；另一种是处于工作状态下的几十毫安的高功耗状态。而为了使单火线供电的智能开关所连接的灯具不会发生闪烁现象，Zigbee模块的消耗电流不能大于数十微安。所以要实现智能开关的单火线供电，供电模块的设计最少需要做到以下两个方面：一是流过灯具的电流不能大于数十微安；二是吸取电流的峰值不能太大。

所以，本专利采用超低静态功耗的供电模块。同时，在供电模块的输出端并联一个电容以起蓄电的作用。供电模块一直输出不高于数十微安的电流，给输出电容充电。在Zigbee模块被周期唤醒或被输入端口电平触发唤醒期间，以电容所蓄的电能给Zigbee模块供电。通过这种蓄电的方式，既能使保证吸取的电流不会大于引起灯具闪烁的极限值，又能满足Zigbee模块在被唤醒期间所需要的较大电流的供给。

单火线供电时，休眠和唤醒时间占比的确定方法：

1)供电模块能提供的电能＝不引起灯具闪烁的最大吸取电流值×供电电压×休眠时间

2)Zigbee模块的消耗电能＝休眠期间工作电流×供电电压×休眠时间+被唤醒期间工作电流×供电电压×唤醒时间

3)供电模块能提供的电能＝Zigbee模块的消耗电能

根据以上三点，可以计算出休眠和唤醒时间的占比。同时根据第一点可以估算出供电模块输出电容所需要的电容值。

3.Zigbee模块电池供电方法：

对于一些电池来说，其能提供的瞬间电流是有限的，为满足Zigbee在工作状态时数十毫安的电流需求，需要在供电电路的输出端并联一个电容以起蓄电的作用。供电模块一直输出不高于数十微安的电流，给输出电容充电。在Zigbee模块被周期唤醒或被输入端口电平触发唤醒期间，以电容所蓄的电能给Zigbee模块供电。通过这种蓄电的方式，既能使保证吸取的电流不会大于引起灯具闪烁的极限值，又能满足Zigbee模块在被唤醒期间所需要的较大电流的供给。

为保证主机能定期得到设备的状态，如电量状态以及设备的工作状态等，Zigbee模块需要定期被唤醒，在被唤醒期间向主机报告其当前状态。

电池供电设备的Zigbee模块的休眠时间估算方式如下：

首先确定Zigbee模块被唤醒的时间，也就是模块发送其当前状态数据包到主机、接收主机发来的确认信息共需要花费的时间，其次要确定电池供电设备的目标续航时间。然后通过公式可以计算出需要休眠的时间：

电池容量(毫安时)＝(模块休眠电流+模块工作电流×被唤醒时间/休眠时间)×供电电压×目标续航时间/电源模块效率

【附图说明】

下面结合附图对本专利进一步说明。

图1是单火线供电的Zigbee模块和主机或路由装置在周期唤醒时的交互过程。

图2是单火线供电Zigbee模块和主机或路由装置在本地按键唤醒时的交互过程

图3是单火线供电的Zigbee模块供电方法示意图。

图4是电池供电设备输入端口被触发后Zigbee模块和主机或路由装置的交互过程

图5是电池供电设备被周期唤醒后Zigbee模块和主机或路由装置的交互过程

图6是电池供电Zigbee模块供电方法示意图。

在图1中，Zigbee模块和主机或路由装置在周期唤醒时的交互过程如下：

1.控制、查询命令：用户交互界面发送控制、查询命令

2.暂存发给开关的命令：主机或路由装置暂时存储这些命令

3.开关周期唤醒：Zigbee模块的定时器到达预设时间后，唤醒Zigbee模块，从而使Zigbee模块进入唤醒状态

4.报告唤醒状态：Zigbee进入工作模式后向主机或路由装置报告其处于被唤醒状态

5.查询是否有该开关的命令：主机知道Zigbee处于被唤醒状态后，将查询是否有发送到处于唤醒状态的Zigbee模块的控制和查询命令。

6.发送该开关控制、查询命令：如果有发往该Zigbee模块的命令，则发送该命令

7.回应命令/返回端口状态：Zigbee模块收到主机或路由装置发来的命令后，将进行解析和执行。执行之后，Zigbee模块返回命令执行结果的命令到主机或路由装置，并报告其最新的输入和输出端口状态

8.回应信息：主机或路由装置向用户界面返回Zigbee模块的端口状态，用户界面将更新智能开关的实时状态。

9.更新开关状态：主控机软件更新智能开关的端口状态，并在交互界面上显示。

10.重新进入休眠状态：Zigbee模块回应命令和返回端口状态后将自动进入休眠模式，直到被再次唤醒。

在图2中，Zigbee模块和主机或路由装置在本地按键唤醒时的交互过程如下：

1.按下开关按钮：用户按下智能开关上的开关按钮

2.退出休眠状态：Zigbee模块退出休眠状态

3.发送Zigbee模块端口状态：Zigbee模块把当前端口状态发送到主机或路由装置

4.上传端口状态：主机或路由装置把智能开关的端口状态发送到交互界面

5.并发送确认信息：并向Zigbee发送确认信息

6.重新进入休眠状态：Zigbee发送完端口状态后自动进入休眠状态，直到再次被唤醒

7.更新开关状态：主控机收到端口状态数据后，更新界面上的智能开关状态显示。

在图3中，单火线供电的Zigbee模块供电方法示意图说明如下：

1.单火电源模块和灯具串联后，并联到220伏电网上，为Zigbee模块供电

2.蓄电电容：Zigbee模块在休眠期间以数十微安的电流充电；在Zigbee模块被唤醒的一小段时间内，提供足够的电量以满足Zigbee模块在工作状态下的数十毫安的电流需求。

3.Zigbee模块：灯具端的Zigbee模块，会被周期唤醒，醒来后主动和主机或路由装置通讯以获取下发给它的命令，达到被控制的目的。在本地按键被按下的情况下，主动退出休眠状态，向主机和路由装置报告其端口状态的变化

4.灯具：灯具负载和供电模块串联后接入到220V电网

5.Zigbee模块：主机或路由装置端的Zigbee模块

6.主机或路由装置

7.无线通讯：Zigbee模块3和Zigbee模块5通过Zigbee协议进行无线通讯。

在图4中，电池供电Zigbee模块输入端口被触发后Zigbee模块和主机或路由装置的交互过程说明如下：

1.Zigbee模块输入端口被触发

2.退出休眠状态：Zigbee模块被触发后，微处理器的输入端口电平发生变化，使Zigbee模块退出休眠状态

3.发送Zigbee模块端口状态：处于工作状态的模块将发送端口的状态发送到到主机或路由装置

4.上传端口状态：主机将端口状态在软件的交互界面显示。

5.确认信息：主机向Zigbee模块发送确认信息

6.重新进入休眠状态：Zigbee模块接收到确认信息后再次进入休眠状态

7.进行报警处理：软件进行报警处理

在图5中，设备被周期唤醒后Zigbee模块和主机或路由装置的交互过程说明如下：

1.周期唤醒：Zigbee模块的定时器到达预设时间后，唤醒Zigbee模块

2.发送Zigbee模块电量状态：处于工作状态的模块将发送电量的状态到主机或路由装置

3.上传电量状态：主机将端口状态上传到软件的界面交互模块

4.确认信息：主机向Zigbee模块发送确认信息

5.重新进入休眠状态：Zigbee模块接收到确认信息后再次进入休眠状态

6.更新电量信息、维持设备心跳：软件的界面交互模块更新电量信息，同时通过此信息得知电池供电设备处于正常的工作状态。如果超过约定的时间还没有收到此信息则把该设备标识为故障设备。

在图6中，电池供电Zigbee模块供电方法示意图说明如下：

1.供电模块：电池电输出电压经过降压和稳压后给蓄电电容充电，同时为处于休眠状态的Zigbee模块供电。

2.蓄电电容：Zigbee模块在休眠期间以数十微安的电流充电；在Zigbee模块被唤醒期间，提供足够的电量以满足Zigbee模块在工作状态下的数十毫安的电流需求。

3.Zigbee模块：灯具端的Zigbee模块，会被周期唤醒，醒来后主动和主机或路由装置通讯以获取下发给它的命令，达到被控制的目的。在被安防触发模块触发的情况下，主动退出休眠状态，向主机和路由装置报告其端口状态的变化

4.无线通讯：Zigbee模块3和Zigbee模块5通过Zigbee协议进行无线通讯

5.Zigbee模块：主机或路由装置端的Zigbee模块

6.主机或路由装置

7.安防触发模块：安防触发模块触发时，将输出触发电平到Zigbee模块，使Zigbee模块被唤醒。

【具体实施方式】

具体实施方式有两个：

一、单火线供电的Zigbee模块供电方法

1.把单火线供电模块和灯具串联后，并联到220伏电网上，为Zigbee模块供电。

2.Zigbee模块在休眠期间以数十微安的电流充电；在Zigbee模块被唤醒期间，提供足够的电量以满足Zigbee模块在工作状态下的数十毫安的电流需求。

3.灯具端的Zigbee模块，会被周期唤醒，醒来后主动和主机或路由装置通讯以获取下发给它的命令，达到被控制的目的。在本地按键被按下的情况下，主动退出休眠状态，向主机和路由装置报告其端口状态的变化

4.灯具负载和供电模块串联后接入到220V电网

5.灯具端的Zigbee模块和主机或路由装置端的Zigbee模块通过Zigbee协议进行无线通讯。

二、电池供电Zigbee模块供电方法

1.供电模块电池输出电压经过降压和稳压后给蓄电电容充电，同时为处于休眠状态的Zigbee模块供电。

2.蓄电电容在Zigbee模块休眠期间以数十微安的电流充电；在Zigbee模块被唤醒期间，提供足够的电量以满足Zigbee模块在工作状态下的数十毫安的电流需求。

3.灯具端的Zigbee模块会被周期唤醒，醒来后主动和主机或路由装置通讯以获取下发给它的命令，达到被控制的目的。在被安防触发模块触发的情况下，主动退出休眠状态，向主机和路由装置报告其端口状态的变化。

4.灯具端的Zigbee模块和主机或路由装置端Zigbee模块通过Zigbee协议进行无线通讯

5.安防触发模块触发时，将输出触发电平到Zigbee模块，使Zigbee模块被唤醒。

Claims (8)

1.本专利提供一种通过周期唤醒机制来降低Zigbee模块的平均功耗以实现单火线供电或电池供电的装置和方法，其特征在于：在大部分时间里Zigbee模块处于耗电仅为数微安的休眠状态，通过周期唤醒或Zigbee模块外部端口触发使其在短时间内从休眠转为工作状态，从而执行主机下达的命令或者报告端口状态，以达到大大降低Zigbee模块功耗的目。

2.根据权利要求1所述，其特征在于：该装置和方法的应用场合包括单火线供电或电池供电两种。

3.根据权利要求1所述，其特征在于：在供电模块的输出端并联一个电容以起蓄电的作用，供电模块一直输出不高于数十微安的电流，给输出电容充电，在Zigbee模块周期唤醒或被输入端口电平触发唤醒期间，以电容所蓄的电能再给Zigbee模块供电，通过这种蓄电的方式，既能使保证吸取的电流不会大于引起灯具闪烁的极限值，又能满足Zigbee模块在被唤醒期间所需要的较大电流的供给。

4.根据权利要求1所述，其特征在于，单火线供电时，休眠和唤醒时间占比的确定方法：供电模块能提供的电能＝不引起灯具闪烁的最大吸取电流值×供电电压×休眠时间Zigbee模块的消耗电能＝休眠期间工作电流×供电电压×休眠时间+被唤醒期间工作电流×供电电压×唤醒时间

供电模块能提供的电能＝Zigbee模块的消耗电能

根据以上三点，可以计算出休眠和唤醒时间的占比，同时根据第一点可以估算出供电模块输出电容所需要的电容值。

5.根据权利要求1所述，其特征在于，电池供电设备的Zigbee模块的休眠时间估算方式如下：

首先确定Zigbee模块被唤醒的时间，也就是模块发送其当前状态数据包到主机、接收主机发来的确认信息共需要花费的时间；

其次要确定电池供电设备的目标续航时间；

然后通过以下公式可以计算出需要休眠的时间：

电池容量(毫安时)＝(模块休眠电流+模块工作电流×被唤醒时间/休眠时间)×供电电压×目标续航时间/电源模块效率。

6.根据权利要求1所述，其特征在于：在Zigbee模块处于休眠期间，主机发给该模块的命令将暂存于主机或路由装置中，Zigbee模块被唤醒而处于工作状态时，将通知主机或路由装置接受命令，接受并处理完毕后再次进入休眠状态。

7.根据权利要求1所述，其特征在于：Zigbee模块的定时器到达预设时间后，唤醒Zigbee模块，Zigbee模块发送其电量及端口状态等信息到主机或路由装置，主机或路由装置 收到这些信息后进行相应的处理。

8.根据权利要求1所述，其特征在于：Zigbee模块输入端口被触发后，唤醒Zigbee模块，Zigbee模块发送其电量、端口状态等信息到主机或路由装置，主机或收到这些信息后进行相应的处理。 

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