探析無線通信技術(shù)的低功耗處理技術(shù)

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

中通服建設有限公司，廣東 廣州 518040

無線通信技術(shù)是利用電磁波信號，在空中傳播實現(xiàn)信息交換的技術(shù)。目前在各行各業(yè)廣泛應用，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)的應用，最后針對低功耗軟件的設計和實驗進行了分析。

無線通信；低功耗；技術(shù)應用；軟件設計

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)包括藍牙、Wi-Fi、紫蜂等。不同的技術(shù)具有不同的優(yōu)缺點，但共同特點是功耗較大，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，會影響通信可靠性；但降低設備在等待時間里的功耗，能實現(xiàn)節(jié)能目標。以下對此進行探討。

1 無線通信技術(shù)的功耗分析

一個智能硬件系統(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。主控電路能對傳感器數(shù)據(jù)進行定時采集和分析，然后通過設備控制或無線傳輸上報數(shù)據(jù)[1]。根據(jù)電路使用時間的長短，可以分為長期使用、按需使用、定時使用三種類型。與系統(tǒng)組成相對照，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)采集電路是定時使用的。

表1對比了幾種無線通信芯片的功耗數(shù)據(jù)。藍牙運行時消耗電流約為10?mA，紫蜂運行時消耗電流約為30?mA，Wi-Fi運行時消耗電流達到200?mA以上。以1000?mAh的電池為例，不對功耗進行處理的條件下，藍牙系統(tǒng)可連續(xù)運行100小時，紫蜂系統(tǒng)可連續(xù)運行30多個小時，Wi-Fi系統(tǒng)只能運行5個小時。因此，無線通信電路的功耗問題，成為智能硬件設備能量損耗的關(guān)鍵，對此可以利用軟件技術(shù)，實現(xiàn)降低功耗的目標。

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） 德州儀器藍牙9.16.11.1 Wi-Fi22959115 紫蜂29241 飛思卡爾藍牙6.16.8≤1 紫蜂23.313≤1

2 低功耗處理技術(shù)的應用

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)的應用，在一個周期時段內(nèi)，睡眠時區(qū)T0占比80%以上，此時工作電流明顯降低，達到微安級別；而在喚醒時區(qū)T1，負責數(shù)據(jù)的采集和處理，此時工作電流提高至數(shù)十毫安；數(shù)據(jù)處理完成后，進入暫時空閑時區(qū)T2，然后再次進入睡眠階段。該技術(shù)具有時間周期性，適用于單向無線通信系統(tǒng)，具有良好的降耗效能[2]。

圖1 周期性休眠喚醒時序圖

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，雙向?qū)崟r無線通信出現(xiàn)并應用，例如可穿戴智能設備，而且人們的需求明顯增加。此時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)的應用，是在周期性休眠喚醒技術(shù)的基礎上進行的改造升級。周期性休眠喚醒技術(shù)采用定時休眠、定時喚醒。由于時間固定，因此在雙向人機交互系統(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，可將設備從休眠狀態(tài)喚醒，其中外部事件包括運動信息、機械觸發(fā)、無限激活信號等[3]。如圖2所示，T0、T3、T5時區(qū)，設備處于睡眠狀態(tài)；T1、T4、T6時區(qū)，設備處于工作狀態(tài)，此時會產(chǎn)生功耗；T2時區(qū)設備完成處理后，傳感器電路、無線通信電路關(guān)閉，進入淺睡眠狀態(tài)?？傮w來看，設備空閑時就會處于休眠狀態(tài)；需要使用設備時，通過喚醒電路可隨時喚醒設備。

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

圖2 可中斷休眠喚醒時序圖

3 低功耗軟件的設計和實驗

3.1 低功耗軟件的設計

可中斷休眠喚醒技術(shù)的應用，采用實時監(jiān)測設備，判斷設備當前的狀態(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是低功耗軟件的運行流程圖[5]。設備完成數(shù)據(jù)處理工作后，此時無線通信電路關(guān)閉，設備處于淺度休眠狀態(tài)。同時，計時功能啟動，一旦出現(xiàn)外部觸發(fā)，設備就會進入工作狀態(tài)；相反則處于深度睡眠狀態(tài)，此時設備功耗超低。設備在淺度休眠、深度睡眠狀態(tài)下，接收外部喚醒信號后，均能進入正常工作狀態(tài)。

圖3 低功耗軟件的運行流程圖

3.2 低功耗軟件的實驗

以某智能穿戴設備為例，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。假設設備每天工作1小時，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)的應用結(jié)果

處理技術(shù)接收電流（mA）休眠電流（mA）休眠時間（h）續(xù)航時間（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)的應用，設備除了工作1小時以外，其余23小時均在休眠；而周期性休眠喚醒技術(shù)的應用，每2秒喚醒1次，無操作則再次進入睡眠，耗時0.2秒，除了工作1小時以外，還有2.1小時處于工作狀態(tài)。按照800?mAh的電池容量計算，可中斷休眠喚醒技術(shù)每日耗電量為23.9?mAh，共計續(xù)航時間為33.5天；周期性休眠喚醒技術(shù)每日耗電量為68.8?mAh，共計續(xù)航時間為11.6天?？梢?，應用可中斷休眠喚醒技術(shù)，設備功耗小、續(xù)航時間長，具有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié)語

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

[1]于保柱，賈丹平，趙立民. 基于無線通信的變電站設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計及關(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，張朋濤. 無線通信技術(shù)的低功耗處理技術(shù)研究[J]. 機電工程技術(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)點上的應用開發(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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