【技术】基于EmberZNet 6.0的Zigbee先进睡眠机制浅析

Zigbee是很多智能家居系统采用的无线协议，主要依靠他的低速率、自组网、低功耗的特点。很多厂家都有Zigbee方案，但是SILICON LABS的Zigbee方案具有快速开发、网络稳定、功耗更低、集成微功耗PA等优势，在市场上面很受青睐，目前，全球范围内至少有1亿颗基于EmberZNet的Zigbee节点，足以证明它的优秀。

本文讨论EmberZNet的先进的睡眠机制，以帮助开发者能够对它的机制有更深刻的认识，从而能够对它有更好的利用。

EmberZNet的Zigbee的主推方案是EFR32MG系列产品，EFR32MG本身具有五种低功耗工作模式：

EM0：Active状态，此时CPU活动、外设活动，功耗最高，最低65uA/MHz。

EM1：IDLE状态，此时，CPU停止，外设活动，功耗和所使用的外设有关，一般可以认为此时3mA~5mA左右的功耗。

EM2：Deepsleep状态，此时，部分LFXO或LFRCO、ULFRCO低速时钟的外设活动，RAM保存，标称此时电流为1.5uA。

EM3：Stop状态，此时高速时钟HFXO或HFRCO、LFRCO、LFXO均会被关掉，ULFRCO活动，采用ULFRCO的外设仍然可以运行，可选的RAM保存，如RTCC/WDOG/CROTIMER。

EM4H：冬眠状态，从该状态开始，RAM的保存将受到限制，最多通过RTCC外设的RAM区保存128字节的RAM数据。因此，该状态唤醒将会将系统复位。在该状态下，可以使用Cryotimer和指定的GPIO唤醒。

EM4S：关闭状态，在该状态下，所有外设基本都关掉，RAM全部丢失，可以通过基于ULFRCO的Cryotimer或指定的GPIO唤醒，唤醒后系统复位。

在EmberZNet协议栈中，使用到了EM0 、EM1、EM2和EM4H模式，主要的休眠工作在idle-sleep-soc.c line21的void emberAfPluginIdleSleepTickCallback(void)函数中处理。

流程如下：

1.要关闭全局中断，保证睡眠的处理不被中断打断和篡改。

2.是否可以进入休眠，判断条件是

1）开发者是否指定保持唤醒状态不休眠。

2）开发者是否指定未加入网络时不休眠。

3）是否有串口正在发送数据，此时不能休眠。

4）是够有任务等待执行，如果有则不能休眠，要处理就绪的任务，包括用户任务和协议栈任务。

如果这些均全部通过，那至少可以进入IDLE状态了。

3.如果判定可以休眠，对于Sleepy End Device来说，由于RADIO在休眠时是不可以打开的，因此，还需要进行进一步判断是否可以关闭Radio，进入休憩模式，判断依据是查询是否有高优先级的协议栈任务需要运行，目前定义是4个任务具有高优先级：

1）RADIO数据发送任务。

2）RADIO数据接收任务。

3）RADIO外设正在使用。

4）RF4CE网络忙。（一种Zigbee遥控标准协议）

如果有以上任务正在执行，则系统还是不能休眠。

4.如果没有stack高优先级任务在执行，系统就可以安心休眠，首先，需要计算休眠的时间，休眠时间指从现在开始到执行下一个事件发生的时间，以[1/1024]秒为单位，如果计算出来可以休眠的时间小于5ms（系统默认，可修改），那也不可以进入Deepsleep状态，因为进入Deepsleep需要关外设、关协议栈，唤醒后需要开外设、开协议栈，这些动作完成也需要几毫秒的时间，功耗核算下来进入Deepsleep没有任何意义。这种情况下系统会默认进入个EM1 IDLE状态就可以了。如果休眠时间大于5ms，那系统就着手进入deepsleep。再次唤醒时，会给出已经睡眠了多久，用以做调试使用。

注意一点是，无论系统进入IDLE或Deepsleep状态，都会在睡眠之前把中断全部再重新打开，用作唤醒源，但操作是封装在睡眠函数中未开源，我们不要再去手动添加。

接下来，如果我们想要使用EM4--系统最低功耗的模式，那我们需要再进行一点复杂的处理。

首先，EM4唤醒就会复位，因此，在进入EM4之前，要保存Parent Info，也就是父节点的IEEE地址和NodeID，这个不要我们去做，系统会自动添加，在判定是否进入EM4时，默认会进行bool emberParentTokenSet(void)判断是否该操作已经完成，如果未完成则不能进入EM4。同时，需要用户在bool emberAfOKToGoToEM4Callback（）函数中返回true，系统才可以确认进入EM4，在进入EM4之前，系统会使用RTCC保存16字节的与当前网络通信加密有关的数据，包括发送数据的FrameCounter、接收数据的FrameCounter、发送数据的LinkKeyFrameCounter、接收数据的LinkKeyFrameCounter，再次唤醒时会自动读取。从EM4唤醒后，系统会获取复位原因，如果是EM4造成的，则会进入void emberAfCameBackFromEM4Callback()函数中，进行EM4的参数回读工作。

但是，使用EM4还是需要做很多工作，因为如果直接使用EM4，会造成周期性的任务事件没有办法执行，每次进入EM4会丢失之前的任务信息，比如Sleepy End Device的Short poll、Long Poll事件无法正常执行。建议是在进入EM4之前就先做好此类工作，bool emberAfOKToGoToEM4Callback()是非常适合的接口。

EM4目前进入机制中协议栈有些地方需要修改，除在ISC文件中选择EM4 plugin外。需要增加EMBER_AF_PLUGIN_EM4、EMBER_ENABLE_EM4定义，重复的定义问题可以去掉$Prj_name.h中的相同定义。在micro.c文件line380 void setEm4WakeupTimer(uint32_t duration)中的  cryotimerInit.period = closestPowerOfTwo(duration)；计算周期不正确，请参考手册配置。另外，在child.h文件line 334 

#define emberOkToGoToLowPowerMode() (！emberCurrentStackTasks() && emberParentTokenSet())

修改为

#define emberOkToGoToLowPowerMode() (！emberCurrentStackTasks() && ！emberParentTokenSet())

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