探析無線通信技術的低功耗處理技術

盧翠

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探析無線通信技術的低功耗處理技術

盧翠

中通服建設有限公司，廣東 廣州 518040

無線通信技術是利用電磁波信號，在空中傳播實現信息交換的技術。目前在各行各業廣泛應用，改變了人們的工作和生活。首先概述了無線通信技術的功耗，然后介紹了低功耗處理技術的應用，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；技術應用；軟件設計

無線通信技術分為衛星通信、微波通信兩種類型，其中常用的短距離無線通信技術包括藍牙、Wi-Fi、紫蜂等。不同的技術具有不同的優缺點，但共同特點是功耗較大，發射功率在20 mAh左右。研究表明，無線通信距離和發射功率密切相關，單純降低發射功率，會影響通信可靠性；但降低設備在等待時間里的功耗，能實現節能目標。以下對此進行探討。

1 無線通信技術的功耗分析

一個智能硬件系統，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據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據[1]。根據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據。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，藍牙系統可連續運行100小時，紫蜂系統可連續運行30多個小時，Wi-Fi系統只能運行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鍵，對此可以利用軟件技術，實現降低功耗的目標。

表1 短距離無線通信芯片的功耗數據表

生產廠家無線制式發射電流（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 低功耗處理技術的應用

2.1 周期性休眠喚醒技術

如圖1所示，周期性休眠喚醒技術的應用，在一個周期時段內，睡眠時區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T1，負責數據的采集和處理，此時工作電流提高至數十毫安；數據處理完成后，進入暫時空閑時區T2，然后再次進入睡眠階段。該技術具有時間周期性，適用于單向無線通信系統，具有良好的降耗效能[2]。

圖1 周期性休眠喚醒時序圖

隨著無線通信技術的發展，雙向實時無線通信出現并應用，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不再適用，難以滿足低功耗處理要求，必須進行技術創新。

2.2 可中斷休眠喚醒技術

可中斷休眠喚醒技術的應用，是在周期性休眠喚醒技術的基礎上進行的改造升級。周期性休眠喚醒技術采用定時休眠、定時喚醒。由于時間固定，因此在雙向人機交互系統中難以適用。相比之下，可中斷休眠喚醒技術在外部事件的影響下，可將設備從休眠狀態喚醒，其中外部事件包括運動信息、機械觸發、無限激活信號等[3]。如圖2所示，T0、T3、T5時區，設備處于睡眠狀態；T1、T4、T6時區，設備處于工作狀態，此時會產生功耗；T2時區設備完成處理后，傳感器電路、無線通信電路關閉，進入淺睡眠狀態。總體來看，設備空閑時就會處于休眠狀態；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，設備在多數時間內處于休眠狀態；用戶有需求時可以激活設備，實現人機交互，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的應用，采用實時監測設備，判斷設備當前的狀態；然后根據不同的狀態，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]。設備完成數據處理工作后，此時無線通信電路關閉，設備處于淺度休眠狀態。同時，計時功能啟動，一旦出現外部觸發，設備就會進入工作狀態；相反則處于深度睡眠狀態，此時設備功耗超低。設備在淺度休眠、深度睡眠狀態下，接收外部喚醒信號后，均能進入正常工作狀態。

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、可中斷休眠喚醒技術，得到結果見表2。

表2 不同低功耗處理技術的應用結果

處理技術接收電流（mA）休眠電流（mA）休眠時間（h）續航時間（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，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。按照800?mAh的電池容量計算，可中斷休眠喚醒技術每日耗電量為23.9?mAh，共計續航時間為33.5天；周期性休眠喚醒技術每日耗電量為68.8?mAh，共計續航時間為11.6天。可見，應用可中斷休眠喚醒技術，設備功耗小、續航時間長，具有明顯優勢。

4 結語

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鍵，必須采用低功耗處理技術。本文對比了周期性休眠喚醒技術、可中斷休眠喚醒技術的應用特點，結合實驗分析結果，可知后者優勢明顯，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測系統設計及關鍵技術[J]. 物聯網技術，2017（7）：71-74，76.

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

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

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

[5]李善榮，閆述. SI1000低功耗性能與在無線傳感器節點上的應用開發[J]. 無線通信技術，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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