嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的功耗控制研究

楊惠

（蘭州文理學(xué)院傳媒工程學(xué)院，甘肅蘭州，730000）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，以智能手機(jī)和智能家居設(shè)備為代表的嵌入式系統(tǒng)受到越來越多用戶的青睞，極大的方便了人們的生活。隨著嵌入式設(shè)備的性能越來越強(qiáng)，嵌入式設(shè)備因高性能帶來的能源需求與電池技術(shù)的緩慢發(fā)展越來越尖銳[1]。電池技術(shù)的發(fā)展無法滿足嵌入式設(shè)備對功耗的需求，若不對功耗加以控制，電池將成為下一代嵌入式設(shè)備的短板，因此對設(shè)備的功耗控制就顯得尤為重要。

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用場景廣泛，且大部分場景只能依靠電池供電。為了降低無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的功耗，提高其續(xù)航能力，研究系統(tǒng)的低功耗方案顯得尤為必要。本方案以MIPS架構(gòu)的ATJ227X硬件平臺為主控，STM32作為MCU，使得設(shè)備可以在不同狀態(tài)下調(diào)整硬件設(shè)備的工作狀態(tài)，無網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)以輔助控制芯片MCU待機(jī)，讓設(shè)備接收到網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)喚醒主控芯片，同時(shí)MCU待機(jī)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)視頻連接請求時(shí)，環(huán)形主控模塊和MCU工作，從而實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)功耗的目的。

1 系統(tǒng)低功耗需求分析

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功耗控制，首先需要了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并針對相應(yīng)的硬件設(shè)備進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。本文采用的無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的主控芯片采用炬力ATJ227X，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件平臺結(jié)構(gòu)

在該硬件平臺中，ATJ227X能夠支持全格式視頻解碼，分辨率可達(dá)高清； 支持全格式音頻解碼，內(nèi)置audio codec，支持720P分辨率視頻處理。為了實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集，以ATJ227X的時(shí)鐘信號同步各個(gè)外設(shè)，通過總線連接傳感器和攝像頭獲取環(huán)境信息，然后采用內(nèi)置的視頻編碼將視頻壓縮。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備功耗控制，首先需要對該系統(tǒng)的各個(gè)部分的能耗進(jìn)行分析，通過可編程穩(wěn)壓源[2]分別單獨(dú)測量設(shè)備整機(jī)功耗和WIFI模塊的功耗分布，結(jié)果如表1所示。

表1 設(shè)備整體功耗和WIFI模塊功耗

由表1可以看出，WIFI模塊在整個(gè)設(shè)備功耗中占有較高的份額，因此需要分別對設(shè)備整體和WIFI模塊分別提出相應(yīng)的低功耗方案。

2 系統(tǒng)低功耗方案設(shè)計(jì)

■2.1 設(shè)備整體低功耗設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體的低功耗方案，本文定義了三種設(shè)備工作狀態(tài)，Sleep狀態(tài)（待機(jī)模式），On狀態(tài)（工作模式）和Off狀態(tài)（關(guān)機(jī)模式）。

Sleep狀態(tài)的目的是降低系統(tǒng)空閑時(shí)的功耗，對于嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備來說，系統(tǒng)大部分時(shí)間處于Sleep狀態(tài)以降低系統(tǒng)的功耗，提高續(xù)航時(shí)間，只有當(dāng)設(shè)備通過MCU獲取視頻連接信號時(shí)，MCU發(fā)送電源管理命令給ATJ227X的電源管理單元，以喚醒視頻采集，壓縮和傳輸?shù)认嚓P(guān)設(shè)備。系統(tǒng)從Sleep狀態(tài)轉(zhuǎn)到Active狀態(tài)需要在軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行判斷。Sleep狀態(tài)的進(jìn)入和喚醒如圖2所示。

設(shè)備在Sleep狀態(tài)和Active狀態(tài)之間切換時(shí)，需要保持WIFI模塊獨(dú)立工作。在Sleep狀態(tài)下，MCU作為設(shè)備的控制單元，收到WIFI模塊發(fā)送的喚醒數(shù)據(jù)包后控制電源管理單元給主控ATJ227X供電，并交出設(shè)備的控制權(quán)，設(shè)備進(jìn)入Active狀態(tài)。上述工作由ATJ227X的控制程序?qū)崿F(xiàn)，本文采用鎖隊(duì)列來記錄設(shè)備的各種任務(wù)狀態(tài)，其思路如圖3所示。

圖2 sleep狀態(tài)進(jìn)入和喚醒

圖3 設(shè)備sleep和on狀態(tài)切換邏輯

當(dāng)系統(tǒng)檢測到無視頻連接請求后，為了降低設(shè)備的功耗，主控調(diào)用休眠接口，將圖1中連接主控ATJ227X的所有外圍設(shè)備進(jìn)行待機(jī)或者掉電處理，使其進(jìn)行休眠狀態(tài)，然后ATJ227X調(diào)用MCU接口，交出設(shè)備控制權(quán)，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)。有MCU負(fù)責(zé)低功耗狀態(tài)下設(shè)備基本狀態(tài)信息的維護(hù)，為此本文選自STM32F103系列MCU作為低功耗守護(hù)芯片。從STM32F103系列芯片的官方數(shù)據(jù)[3]可以看出，該MCU待機(jī)狀態(tài)的功耗地域4μA，該功耗幾乎可以忽略不計(jì)。通過表1可以看出，除了WIFI模塊的其他設(shè)備功耗占比在60%以上。以MCU待機(jī)狀態(tài)的功耗為設(shè)備的提供喚醒服務(wù)，可以有效的降低sleep狀態(tài)下整體設(shè)備的功耗。

■2.2 WIFI模塊低功耗設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)備進(jìn)入sleep狀態(tài)后，WIFI模塊就成為了設(shè)備功耗的主要組成部分。在802.11協(xié)議中，WIFI模塊低功耗方案的軟件控制方法主要包括TIM傳遞暫存單播幀[4]，DTIM傳遞組播和廣播幀[5]，Beacon周期控制監(jiān)聽周期[6]等方法。這些節(jié)能方法適用于各種不同的場景，在本文內(nèi)不對具體應(yīng)用場景進(jìn)行分析，分析的重點(diǎn)在于硬件節(jié)能方面。以廣泛使用的2.4GHz頻段的理想全向天線來說，其功耗可以表示為：

其中Etx和Erx分別表示發(fā)送和接收kbit數(shù)據(jù)所需的能量，Eelec表示射頻電路所需的能量，∈amp表示放大器所需的能量，r表示信號傳輸距離，λ表示通信的線損。從式(1)看出，wifi通信模塊的主要能耗包括兩部分。一部分是通信產(chǎn)生的能耗，由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量k和通信距離r決定，另一部分有射頻電路產(chǎn)生的功耗，取決于器材的功耗。

由于天線的輻射特性，信號在不同方向具有不同的強(qiáng)度，根據(jù)輻射方向可以分為全向天線和定向天線。全向天線的輻射范圍呈現(xiàn)一個(gè)扁平的“面包圈”[7]，定向天線輻射范圍呈現(xiàn)為一定角度的范圍輻射。由于定向天線在某個(gè)方向具有高增益[8]的特性，當(dāng)通信距離不變且信號強(qiáng)度相同時(shí)，定向天線可以以更小的發(fā)射功率達(dá)到相應(yīng)的工作需求。在通信距離不變和信號強(qiáng)度不變的條件下，定向天線的發(fā)射功率為：

其中Pdir和Pomni分別表示定向和全向天線的發(fā)射功率，Gomni表示全向天線增益，值一般會(huì)大于1，Gdir表示定向天線的天線增益，λ表示路徑損耗。定向天線的發(fā)射功率服從以下規(guī)律：

其中θ表示波束角度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了實(shí)現(xiàn)對比效果，本文分別安裝銅管天線和定向天線的網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行功耗測試。在測試過程中，攝像頭一直處于通信狀態(tài)，用可編程穩(wěn)壓電源測量設(shè)備在1分鐘內(nèi)的電流情況，每隔1分鐘統(tǒng)計(jì)一次電流變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 功耗對比圖

通過圖4可以看出，針對這款攝像頭來說，安裝定向天線的WIFI模塊的功耗比銅管天線的WIFI模塊的功耗降低了8%的功耗，可以看出本文采用的定向天線有較好的節(jié)能效果。定向天線由于其高增益的存在，還可以提升設(shè)備對信號的接收靈敏度，表現(xiàn)為通信質(zhì)量的改善。下面測試銅管天線和定向天線的攝像頭接收信號靈敏度測試，在距離20m的位置在定向天線輻射范圍內(nèi)外分別采用接收兩臺攝像機(jī)的信號，分別對兩個(gè)攝像頭采集10次信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，兩者接收到的WIFI信號強(qiáng)度如表2所示。

表2 接收信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)對比（單位dBm）

從表2中可以看出，在定向天線的輻射范圍內(nèi)，由于定向天線發(fā)射信號的特性，安裝定向天線視頻監(jiān)控設(shè)備的WIFI接收信號的強(qiáng)度明顯高于代表了全向天線的銅管天線，然而處于定向天線的輻射范圍外時(shí)，由于銅管天線在各個(gè)距離該輻射點(diǎn)的強(qiáng)度相同，所以全向天線的信號明顯強(qiáng)于處于輻射范圍外的定向天線。

4 結(jié)束語

為了降低無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的功耗，提高其續(xù)航能力，研究系統(tǒng)的低功耗方案顯得尤為必要。本方案以MIPS架構(gòu)的ATJ227X硬件平臺為主控，STM32作為MCU，當(dāng)設(shè)備在待機(jī)模式下保持主控芯片斷電，MCU保持待機(jī)，同時(shí)WIFI模塊處于低功耗工作模式。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)視頻連接請求時(shí)，環(huán)形主控模塊和MCU工作，從而實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)功耗的目的。