盧翠

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探析無線通信技術(shù)的低功耗處理技術(shù)

盧翠

中通服建設(shè)有限公司，廣東 廣州 518040

無線通信技術(shù)是利用電磁波信號(hào)，在空中傳播實(shí)現(xiàn)信息交換的技術(shù)。目前在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，改變了人們的工作和生活。首先概述了無線通信技術(shù)的功耗，然后介紹了低功耗處理技術(shù)的應(yīng)用，最后針對(duì)低功耗軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析。

無線通信；低功耗；技術(shù)應(yīng)用；軟件設(shè)計(jì)

無線通信技術(shù)分為衛(wèi)星通信、微波通信兩種類型，其中常用的短距離無線通信技術(shù)包括藍(lán)牙、Wi-Fi、紫蜂等。不同的技術(shù)具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，但共同特點(diǎn)是功耗較大，發(fā)射功率在20 mAh左右。研究表明，無線通信距離和發(fā)射功率密切相關(guān)，單純降低發(fā)射功率，會(huì)影響通信可靠性；但降低設(shè)備在等待時(shí)間里的功耗，能實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。以下對(duì)此進(jìn)行探討。

1 無線通信技術(shù)的功耗分析

一個(gè)智能硬件系統(tǒng)，主要由傳感電路、主控電路、短距離無線通信、控制輸出電路組成。主控電路能對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)采集和分析，然后通過設(shè)備控制或無線傳輸上報(bào)數(shù)據(jù)[1]。根據(jù)電路使用時(shí)間的長短，可以分為長期使用、按需使用、定時(shí)使用三種類型。與系統(tǒng)組成相對(duì)照，主控電路是長期使用的；短距離無線通信和控制輸出電路是按需使用的；參數(shù)采集電路是定時(shí)使用的。

表1對(duì)比了幾種無線通信芯片的功耗數(shù)據(jù)。藍(lán)牙運(yùn)行時(shí)消耗電流約為10?mA，紫蜂運(yùn)行時(shí)消耗電流約為30?mA，Wi-Fi運(yùn)行時(shí)消耗電流達(dá)到200?mA以上。以1000?mAh的電池為例，不對(duì)功耗進(jìn)行處理的條件下，藍(lán)牙系統(tǒng)可連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)，紫蜂系統(tǒng)可連續(xù)運(yùn)行30多個(gè)小時(shí)，Wi-Fi系統(tǒng)只能運(yùn)行5個(gè)小時(shí)。因此，無線通信電路的功耗問題，成為智能硬件設(shè)備能量損耗的關(guān)鍵，對(duì)此可以利用軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)降低功耗的目標(biāo)。

表1 短距離無線通信芯片的功耗數(shù)據(jù)表

生產(chǎn)廠家無線制式發(fā)射電流（mA）接收電流（mA）睡眠電流（μA） 德州儀器藍(lán)牙9.16.11.1 Wi-Fi22959115 紫蜂29241 飛思卡爾藍(lán)牙6.16.8≤1 紫蜂23.313≤1

2 低功耗處理技術(shù)的應(yīng)用

2.1 周期性休眠喚醒技術(shù)

如圖1所示，周期性休眠喚醒技術(shù)的應(yīng)用，在一個(gè)周期時(shí)段內(nèi)，睡眠時(shí)區(qū)T0占比80%以上，此時(shí)工作電流明顯降低，達(dá)到微安級(jí)別；而在喚醒時(shí)區(qū)T1，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，此時(shí)工作電流提高至數(shù)十毫安；數(shù)據(jù)處理完成后，進(jìn)入暫時(shí)空閑時(shí)區(qū)T2，然后再次進(jìn)入睡眠階段。該技術(shù)具有時(shí)間周期性，適用于單向無線通信系統(tǒng)，具有良好的降耗效能[2]。

圖1 周期性休眠喚醒時(shí)序圖

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，雙向?qū)崟r(shí)無線通信出現(xiàn)并應(yīng)用，例如可穿戴智能設(shè)備，而且人們的需求明顯增加。此時(shí)周期性休眠喚醒技術(shù)不再適用，難以滿足低功耗處理要求，必須進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

2.2 可中斷休眠喚醒技術(shù)

可中斷休眠喚醒技術(shù)的應(yīng)用，是在周期性休眠喚醒技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造升級(jí)。周期性休眠喚醒技術(shù)采用定時(shí)休眠、定時(shí)喚醒。由于時(shí)間固定，因此在雙向人機(jī)交互系統(tǒng)中難以適用。相比之下，可中斷休眠喚醒技術(shù)在外部事件的影響下，可將設(shè)備從休眠狀態(tài)喚醒，其中外部事件包括運(yùn)動(dòng)信息、機(jī)械觸發(fā)、無限激活信號(hào)等[3]。如圖2所示，T0、T3、T5時(shí)區(qū)，設(shè)備處于睡眠狀態(tài)；T1、T4、T6時(shí)區(qū)，設(shè)備處于工作狀態(tài)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生功耗；T2時(shí)區(qū)設(shè)備完成處理后，傳感器電路、無線通信電路關(guān)閉，進(jìn)入淺睡眠狀態(tài)?？傮w來看，設(shè)備空閑時(shí)就會(huì)處于休眠狀態(tài)；需要使用設(shè)備時(shí)，通過喚醒電路可隨時(shí)喚醒設(shè)備。

以可穿戴智能設(shè)備為例。由于可穿戴智能設(shè)備具有體積小、電路多的特點(diǎn)，因此只能選擇小容量電池；而且設(shè)備和人體的交互頻繁，必須進(jìn)行低功耗處理，才能延長使用時(shí)間。應(yīng)用可中斷休眠喚醒技術(shù)，設(shè)備在多數(shù)時(shí)間內(nèi)處于休眠狀態(tài)；用戶有需求時(shí)可以激活設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，而且整個(gè)過程更加省電[4]。

圖2 可中斷休眠喚醒時(shí)序圖

3 低功耗軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)

3.1 低功耗軟件的設(shè)計(jì)

可中斷休眠喚醒技術(shù)的應(yīng)用，采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，判斷設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)；然后根據(jù)不同的狀態(tài)，采用不同的低功耗處理方法。圖3是低功耗軟件的運(yùn)行流程圖[5]。設(shè)備完成數(shù)據(jù)處理工作后，此時(shí)無線通信電路關(guān)閉，設(shè)備處于淺度休眠狀態(tài)。同時(shí)，計(jì)時(shí)功能啟動(dòng)，一旦出現(xiàn)外部觸發(fā)，設(shè)備就會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)；相反則處于深度睡眠狀態(tài)，此時(shí)設(shè)備功耗超低。設(shè)備在淺度休眠、深度睡眠狀態(tài)下，接收外部喚醒信號(hào)后，均能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

圖3 低功耗軟件的運(yùn)行流程圖

3.2 低功耗軟件的實(shí)驗(yàn)

以某智能穿戴設(shè)備為例，硬件參數(shù)如下：主控芯片為STM8S003，無線通信芯片為XN297L，電池容量為800?mAh。假設(shè)設(shè)備每天工作1小時(shí)，分別采用周期性休眠喚醒技術(shù)、可中斷休眠喚醒技術(shù)，得到結(jié)果見表2。

表2 不同低功耗處理技術(shù)的應(yīng)用結(jié)果

處理技術(shù)接收電流（mA）休眠電流（mA）休眠時(shí)間（h）續(xù)航時(shí)間（d） 周期性休眠喚醒21.80.05820.911.6 可中斷休眠喚醒22.60.0562333.5

分析可知，采用兩種低功耗處理技術(shù)，設(shè)備的接收電流、休眠電流差異不大。其中，可中斷休眠喚醒技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)備除了工作1小時(shí)以外，其余23小時(shí)均在休眠；而周期性休眠喚醒技術(shù)的應(yīng)用，每2秒喚醒1次，無操作則再次進(jìn)入睡眠，耗時(shí)0.2秒，除了工作1小時(shí)以外，還有2.1小時(shí)處于工作狀態(tài)。按照800?mAh的電池容量計(jì)算，可中斷休眠喚醒技術(shù)每日耗電量為23.9?mAh，共計(jì)續(xù)航時(shí)間為33.5天；周期性休眠喚醒技術(shù)每日耗電量為68.8?mAh，共計(jì)續(xù)航時(shí)間為11.6天?？梢?，應(yīng)用可中斷休眠喚醒技術(shù)，設(shè)備功耗小、續(xù)航時(shí)間長，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

綜上所述，無線通信電路的功耗問題，是智能硬件設(shè)備能量損耗的關(guān)鍵，必須采用低功耗處理技術(shù)。本文對(duì)比了周期性休眠喚醒技術(shù)、可中斷休眠喚醒技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，可知后者優(yōu)勢(shì)明顯，值得推廣應(yīng)用。

[1]于保柱，賈丹平，趙立民. 基于無線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017（7）：71-74，76.

[2]王家利，吉力，張玉斌. 無線通信技術(shù)的低功耗處理技術(shù)分析[J]. 數(shù)碼世界，2017（12）：327.

[3]石波，張莉，張根選，等. 基于近場(chǎng)通信技術(shù)的無線無源體溫傳感器[J]. 中國醫(yī)療器械雜志，2017（1）：17-19，42.

[4]林志堂，郭昌堅(jiān)，張朋濤. 無線通信技術(shù)的低功耗處理技術(shù)研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2017（s2）：209-212.

[5]李善榮，閆述. SI1000低功耗性能與在無線傳感器節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用開發(fā)[J]. 無線通信技術(shù)，2011，20（3）：32-37.

Analysis of Low Power Processing Technology of Wireless Communication Technology

Lu Cui

China Comservice Construction Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 518040

Wireless communication technology is a technology that uses electromagnetic signals to transmit information in the air. It is widely used in various industries and has changed people’s work and life. Firstly, it outlines the power consumption of wireless communication technology, then introduces the application of low power processing technology. Finally, it analyzes the design and experiment of low power software.

wireless communication; low power consumption; technical application; software design

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