典型低功耗無線智能設備的一般功耗模型

劉 建， 歐陽曾愷， 田正其， 段梅梅 ， 王 越， 吳義鵬*

(1.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院， 南京 211103； 2.國網江蘇省電力有限公司營銷服務中心， 南京 210019；3.國家電網公司電能計量重點實驗室， 南京 210019； 4.南京航空航天大學航空學院， 南京 210006)

隨著物聯網產業的迅速發展及萬物物聯概念的普及，智能穿戴、家居，無線傳感器等設備的市場占有率不斷上升，數量越來越多[1-2]。目前上述無線設備使用的通信技術協議主要有Wifi、ZigBee、Bluetooth(藍牙)、LoRa、NB-IoT等[3-6]。將基于低功耗藍牙協議開發一種典型的無線溫濕度傳感器節點，通過周期性地采集節點周圍環境溫、濕度信息并發送給移動電話或平板電腦，使設備擁有者及時獲知環境的基本物理信息。低功耗藍牙通信協議具有功耗低、數據傳輸率高，延遲低、可交互等優點，獲得了相對較快的發展[7]。目前大部分智能穿戴設備和智能家居設備均選擇使用低功耗藍牙作為主要通信協議[8]，在科學研究、工業生產等方面也有不少應用[9-11]。研究低功耗藍牙無線智能設備中的相關技術具有較高的工程應用價值[12]。

采用低功耗藍牙通信協議的無線傳感器節點是一種可以實現信息共享，具有感知、通信以及數據運算處理的獨立智能節點[13]。相比有線傳感器設備，其不需要與主機甚至電源進行有線連接，從而使用更加便捷、布置環境更加廣泛。但在一些較為苛刻的環境下安裝無線傳感器節點，又無電網接入電源，為延長使用時間、降低電池更換維護成本，對設備的功耗要求將極其嚴苛。為降低上述設備的平均功耗同時確保設備性能，Feng等[14]選擇研究了數據包封裝優化策略；陳志國等[15]則在降低無線傳輸時延上進行了深入挖掘；藍牙廣播模式功耗、廣播參數設置等對設備長期功耗的影響機制及優化策略也被提了出來[16-17]；Liu等[18]還對無線節點掃描發現臨近設備過程的能耗進行了定量分析。與此同時，藍牙網絡可靠性與效率調節[19]，網絡安全機制等[20]也得到了關注與討論。

總體說來，以上研究主要集中在應用系統設計、藍牙通信協議架構與優化等方面，針對藍牙設備實際工作狀態中的功耗模型研究還比較少。難以直觀量化平均功耗值并指導針對不同工作環境條件下的無線節點設備開發。為此，設計并開發了一款典型的無線傳感器設備，根據其工作特征自定義了無線數據吞吐率(wireless data throughput，WDT)及工作占空比(operation duty cycle，ODC)兩個基本參數。在此基礎上建立了基于上述參數的無線傳感器設備一般功耗模型，同時借助所搭建的功耗測試平臺，實驗測量了無線傳感器設備在不同工況下的平均功耗值，實驗結果驗證了一般功耗模型，對于無線節點的功耗分析以及實際功耗優化具有一定意義，最終為低功耗無線設備的功耗分析和優化提供了研究基礎和指導方案。

1 典型低功耗無線智能設備介紹

圖1為所開發的典型低功耗無線傳感器及其與主機設備通信示意圖，傳感器節點通過藍牙通信協議與平板電腦、手機等主機設備連接，將采集得到的環境溫、濕度，節點自身供電電壓等信息直觀顯示出來。主機設備還可以通過用戶交互界面對傳感器節點進行參數配置，如采集精度配置、采集物理量選擇等。用戶交互界面及功能實現為獨立開發的微信小程序，該小程序開發平臺完善，程序靈活度高、適應性強，同時支持在配備藍牙功能的設備上運行。

圖1 典型低功耗無線傳感器節點及其工作示意圖

無線傳感器智能節點主要由德州儀器公司的CC2640R2F模塊和盛思銳公司的SHT30溫濕度傳感器模塊組成。其中CC2640R2F主要適用于Bluetooth 4.2和Bluetooth 5.0的低功耗應用，內部含有一個32 位ARM Cortex-M3 內核作為主處理器，其射頻核心由一個ARM Cortex-M0 內核單獨控制，支持1.8～3.8 V的寬電源電壓工作范圍。 SHT30溫濕度傳感器結合了多種功能和各種接口，提供了增強信號處理、兩個獨特和用戶可選I2C地址、一個可編程溫濕度極限的報警模式等功能，可同樣在2.15～5.5 V的寬電源電壓范圍內工作。所述無線傳感器智能節點還保留了所有的GPIO口可以提供給更多的外接設備，具有強大的可拓展性。無線傳感器智能節點硬件設計基于以上描述的CC2640R2F模塊和SHT30模塊。最終通過Altium Designer 19電子產品PCB開發軟件，設計了一款基于藍牙協議的典型無線傳感器智能節點。

上述無線傳感器智能節點主要的工作是對真實環境下的溫度、濕度及供電電壓3個物理量進行測量，并進行一定的邏輯運算處理，然后通過藍牙通信協議傳遞給主機設備。根據CC2640R2F模塊提供的開發案例，本傳感器節點實際工作狀態可分為無線數據傳輸和數據采集及邏輯運算兩個進程，分別對應ARM Cortex-M0和ARM Cortex-M3兩個內核，兩個進程“互不干擾、同時進行”，如圖2所示。傳感器節點上電復位后，首先作為藍牙從機設備進入廣播狀態，使周圍作為主機的藍牙設備可以搜索并與其連接。一旦建立連接，傳感器節點的射頻部分將以固定間隔時間進行無線數據通信；若超出規定時間無數據通信，節點則根據低功耗藍牙通信協議認為其與主機設備之間的通信連接已經斷開。傳感器自身根據程序設計進行“休眠-采集、運算”的工作狀態循環，采集結束立即將數據邏輯運算(取平均值)后寫入藍牙設備的數據存儲器中，在下一次無線數據通信進行時發送給主機設備。

RX為接收；TX為發送

2 無線設備一般功耗模型

通過以上描述可以發現，若認為設備在休眠狀態下功耗優化得當，I1和I2比I3要高出3、4個數量級，因此可認為傳感器節點的平均功耗主要由無線數據通信和傳感器采集、計算導致。即使考慮到休眠狀態下存在漏電流，I1和I2也要高出1到2個數量級，是設備功耗的主要形成因素。為此，這里自定義了傳感器設備的無線數據吞吐率和工作占空比兩個關鍵參數。其中，WDT為設備在單位時間內發送一定的數據字節所占用的時間，其表達式如式(1)所示；ODC為設備在單位時間內采集、運算所占用的時間，其表達式如式(2)所示。

(1)

(2)

式中：TRF和Twork分別為傳感器節點兩個進程上的循環周期；Rrate為藍牙的傳輸速率；D為節點在單無線通信周期內發送的字節數；twork為節點在單采集運算周期內工作的時長。考慮到設備節點的低功耗要求，WDT和ODC在實際設備中應該遠小于1，表明節點大部分時間處于休眠狀態。

根據基本物理定義，最終一般無線傳感器設備的一般功耗模型可以用式(3)表示，其中P為設備節點的平均功耗，Vcc為節點的供電電壓，SLEEP則為設備節點的休眠占空比。

P=Vcc(WDTI1+ODCI2+SLEEPI3)

(3)

SLEEP=1-WDT-ODC

(4)

表1給出了考慮漏電流，即設備節點休眠期間模塊GPIO口未設置成低電平，在3種典型供電電壓Vcc下，功耗電流I1、I2、I3的值。以此為基礎，圖3討論了無線傳感器設備在不同WDT和ODC條件下，平均功耗P的變化。需要說明的是，根據所提供的技術手冊可知SHT30模塊單次采集數據所需的時間為4.5 ms，通過程序設計重復采集的次數，同時忽略處理器邏輯運算所需的時間，即可知單采集運算周期內節點的工作時間twork，繼而得到ODC的值；單無線通信周期內發送的字節數D可以通過程序設置，因此也可得到WDT的值。

表1 不同工作電壓下節點各部分功耗電流

由圖3可知，當工作電壓Vcc為3.3 V時，所述傳感器設備的理論平均功耗可高達40 mW，表明WDT和ODC接近1時，設備平均功耗較高。而當WDT和ODC趨向0時，由于漏電流存在，節點大約有不低于1 mW的平均功耗。受上述兩參數的影響，設備節點平均功耗變化范圍達到了39 mW，這在低功耗的獨立設備中相當可觀。通過比較兩幅圖的斜率也可發現，設備無線數據傳輸對平均功耗的影響要大于其正常采集、運算產生的影響，若在功耗優化時應注意優先減少無線數據發送量，例如將一些數據的邏輯運算下放至傳感器節點，只在主、從設備之間發送運算結果和配置信息數據。

圖3 3.3 V工作電壓下無線傳感器節點的平均功耗與WDT和ODC相關的變化曲線

3 無線節點實際功耗測試及驗證

3.1 功耗測試平臺

根據前文描述，所開發的無線傳感器設備節點最大工作電壓范圍是2.15～3.8 V，考慮到一般功耗測試平臺的易用性[21]，這里基于LTC3588-1電源管理芯片和超級電容器儲能模塊設計了一款低成本功耗測試平臺，如圖4所示。其中儲能模塊由10個額定電壓2.7 V，標稱容量0.5 F的超級電容器串聯組成，等效額定電壓達到27 V，等效容量為0.05 F。該儲能模塊設計即滿足了LTC3588-1芯片輸入端的電壓變化需求，又給單體電容器留有了安全余量。LTC3588-1電源管理芯片的輸出端電壓有1.8、2.5、3.3、3.6 V 4種選擇，根據上述工作電壓范圍，實際測試時用到了后3種直流供電電壓，這也是前文給出的3種典型工作電壓值。

圖4 基于LTC3588-1電源管理芯片開發的功耗測試平臺

當儲能模塊充電至最大輸入電壓(20 V)時，斷開充電用直流穩壓電源(KEITHLEY 2260B-30-72)，一旦接入到測試平臺的無線傳感器設備開始工作，系統將消耗電能，儲能模塊兩端的電壓值(即LTC3588-1輸入端電壓)將不斷下降，通過臺式數字萬用表(KEITHLEY 34410A)和帶有LabVIEW 軟件的計算機記錄儲能模塊兩端電壓值隨時間的的變化曲線，就可以得到系統在這段時間能消耗電能的具體值，通過修正儲能模塊自放電、LTC3588-1工作效率引入的誤差，最終即可求得傳感器設備在這段時間內的平均功耗。功耗測試平臺中，臺式數字萬用表通過USB 接口連接計算機，通過專門設計的測試程序記錄萬用表所測電壓值的變化。該方法與專用功耗測試儀器相比，在成本上具有極大優勢，同時測試過程簡單方便、精度良好。

3.2 節點平均功耗測試方法介紹

圖5為傳感器設備節點在不同工作電壓條件下，平臺計算機獲得的儲能模塊兩端電壓值隨時間的變化曲線。圖5中黑色虛線則為不接入傳感器設備和電源管理芯片時，儲能模塊受到電荷再分配和自放電現象影響的電壓變化曲線，計算平均功耗時，將會以該曲線為誤差修正標準，減去電荷再分配和自放電現象的影響。

圖5 典型工作狀態不同工作電壓下電源管理單元電壓變化對比

無線傳感器節點的平均功耗P計算公式為

(5)

式(5)中：P′為未考慮到誤差修正時的功耗；ΔE為儲能模塊中存儲電能的變化量，通過圖5中曲線給出的數據計算求得，Δt為對應的時間變化量。

實際研究中可發現若Δt為取值為極小的時間間隔時，還可得到系統的瞬時功率值。繼續觀察圖5中的曲線，當時間大于240 s時，儲能模塊電荷再分配基本結束，自放電現象也因為兩端電壓值的下降有所減緩。為了避免修正儲能模塊引入的誤差，也可求240 s之后的設備瞬時功率再取平均獲得P′的值。對于LTC3588-1電源管理芯片工作效率引入的誤差，可直接對照該芯片數據手冊計算修正，根據估算的平均輸出電流，芯片在2.5 V輸出電壓下的效率約為78%，3.3 V輸出電壓下約為81%，3.6 V 輸出電壓下約為84%。實驗功耗值均簡單采用了上述效率值進行了修正。

根據類似圖5的電壓直觀變化曲線，考慮誤差修正，圖6最終給出了無線傳感器設備節點在3種不同WDT、ODC條件和不同工作電壓下，平均功耗的比較圖，可見工作電壓越高，節點的平均功耗越大。因此，雖然工作電壓較低時芯片相應的耗電電流會有所增加，但設備整體的平均功耗還是會隨著供電電壓的下降而降低。在芯片運行的工作電壓范圍內，為優化設備功耗，可以盡可能降低工作電壓。

圖6 3種典型參數下不同工作電壓功耗對比

3.3 一般功耗模型驗證

通過對于無線傳感器智能節點的軟件修改，設置不同的WDT、ODC參數進行多次實驗，依靠上述測試方法得到了其實際功率并將其與相同參數下理論模型得到的功耗進行對比。根據不同參數下實際實驗測試，計算得到的實測平均功率與通過模型帶入參數計算得到的理論功率的具體對比數據如表2所示。

表2 實際測試與模型功耗對比

根據不同電壓實際測試值與理論模型公式，圖7為在2.5、3.3、3.6 V電壓供電條件下，設備在WDT和ODC參數變化時，平均功耗的實驗值和模型理論計算值。從圖7結果可以看出，實驗測試結果基本符合基于一般功耗模型計算得到的理論結果，誤差基本在5%以內，僅一處結果最大誤差達到6.25%。在功耗測試實驗中，受到低功耗藍牙通信協議的約束，傳感器設備節點的平均功耗值在1.33～2.20 mW變化。

圖7 3.6 V工作電壓下實測與計算功耗對比

4 結論

基于低功耗藍牙通信協議開發了一種典型的無線傳感器設備節點，可直接獲取周圍環境的溫、濕度信息及自身的供電電壓值，并將上述信息發送給主機設備直觀顯示出來。對傳感器設備節點的功率消耗進行了討論，針對無線獨立設備的工作特征，提出了普適性的無線數據吞吐率及工作占空比兩個基本參數，在此基礎上建立了一般功耗模型，并通過了實驗驗證。研究成果對一般無線傳感器設備的功耗分析及優化有一定的指導意義。