探析无线通信技术的低功耗处理技术

卢翠



探析无线通信技术的低功耗处理技术

卢翠

中通服建设有限公司，广东 广州 518040

无线通信技术是利用电磁波信号，在空中传播实现信息交换的技术。目前在各行各业广泛应用，改变了人们的工作和生活。首先概述了无线通信技术的功耗，然后介绍了低功耗处理技术的应用，最后针对低功耗软件的设计和实验进行了分析。

无线通信；低功耗；技术应用；软件设计

无线通信技术分为卫星通信、微波通信两种类型，其中常用的短距离无线通信技术包括蓝牙、Wi-Fi、紫蜂等。不同的技术具有不同的优缺点，但共同特点是功耗较大，发射功率在20 mAh左右。研究表明，无线通信距离和发射功率密切相关，单纯降低发射功率，会影响通信可靠性；但降低设备在等待时间里的功耗，能实现节能目标。以下对此进行探讨。

1 无线通信技术的功耗分析

一个智能硬件系统，主要由传感电路、主控电路、短距离无线通信、控制输出电路组成。主控电路能对传感器数据进行定时采集和分析，然后通过设备控制或无线传输上报数据[1]。根据电路使用时间的长短，可以分为长期使用、按需使用、定时使用三种类型。与系统组成相对照，主控电路是长期使用的；短距离无线通信和控制输出电路是按需使用的；参数采集电路是定时使用的。

表1对比了几种无线通信芯片的功耗数据。蓝牙运行时消耗电流约为10 mA，紫蜂运行时消耗电流约为30 mA，Wi-Fi运行时消耗电流达到200 mA以上。以1000 mAh的电池为例，不对功耗进行处理的条件下，蓝牙系统可连续运行100小时，紫蜂系统可连续运行30多个小时，Wi-Fi系统只能运行5个小时。因此，无线通信电路的功耗问题，成为智能硬件设备能量损耗的关键，对此可以利用软件技术，实现降低功耗的目标。

表1 短距离无线通信芯片的功耗数据表

生产厂家无线制式发射电流（mA）接收电流（mA）睡眠电流（μA） 德州仪器蓝牙9.16.11.1 Wi-Fi22959115 紫蜂29241 飞思卡尔蓝牙6.16.8≤1 紫蜂23.313≤1

2 低功耗处理技术的应用

2.1 周期性休眠唤醒技术

如图1所示，周期性休眠唤醒技术的应用，在一个周期时段内，睡眠时区T0占比80%以上，此时工作电流明显降低，达到微安级别；而在唤醒时区T1，负责数据的采集和处理，此时工作电流提高至数十毫安；数据处理完成后，进入暂时空闲时区T2，然后再次进入睡眠阶段。该技术具有时间周期性，适用于单向无线通信系统，具有良好的降耗效能[2]。

图1 周期性休眠唤醒时序图

随着无线通信技术的发展，双向实时无线通信出现并应用，例如可穿戴智能设备，而且人们的需求明显增加。此时周期性休眠唤醒技术不再适用，难以满足低功耗处理要求，必须进行技术创新。

2.2 可中断休眠唤醒技术

可中断休眠唤醒技术的应用，是在周期性休眠唤醒技术的基础上进行的改造升级。周期性休眠唤醒技术采用定时休眠、定时唤醒。由于时间固定，因此在双向人机交互系统中难以适用。相比之下，可中断休眠唤醒技术在外部事件的影响下，可将设备从休眠状态唤醒，其中外部事件包括运动信息、机械触发、无限激活信号等[3]。如图2所示，T0、T3、T5时区，设备处于睡眠状态；T1、T4、T6时区，设备处于工作状态，此时会产生功耗；T2时区设备完成处理后，传感器电路、无线通信电路关闭，进入浅睡眠状态。总体来看，设备空闲时就会处于休眠状态；需要使用设备时，通过唤醒电路可随时唤醒设备。

以可穿戴智能设备为例。由于可穿戴智能设备具有体积小、电路多的特点，因此只能选择小容量电池；而且设备和人体的交互频繁，必须进行低功耗处理，才能延长使用时间。应用可中断休眠唤醒技术，设备在多数时间内处于休眠状态；用户有需求时可以激活设备，实现人机交互，而且整个过程更加省电[4]。

图2 可中断休眠唤醒时序图

3 低功耗软件的设计和实验

3.1 低功耗软件的设计

可中断休眠唤醒技术的应用，采用实时监测设备，判断设备当前的状态；然后根据不同的状态，采用不同的低功耗处理方法。图3是低功耗软件的运行流程图[5]。设备完成数据处理工作后，此时无线通信电路关闭，设备处于浅度休眠状态。同时，计时功能启动，一旦出现外部触发，设备就会进入工作状态；相反则处于深度睡眠状态，此时设备功耗超低。设备在浅度休眠、深度睡眠状态下，接收外部唤醒信号后，均能进入正常工作状态。

图3 低功耗软件的运行流程图

3.2 低功耗软件的实验

以某智能穿戴设备为例，硬件参数如下：主控芯片为STM8S003，无线通信芯片为XN297L，电池容量为800 mAh。假设设备每天工作1小时，分别采用周期性休眠唤醒技术、可中断休眠唤醒技术，得到结果见表2。

表2 不同低功耗处理技术的应用结果

处理技术接收电流（mA）休眠电流（mA）休眠时间（h）续航时间（d） 周期性休眠唤醒21.80.05820.911.6 可中断休眠唤醒22.60.0562333.5

分析可知，采用两种低功耗处理技术，设备的接收电流、休眠电流差异不大。其中，可中断休眠唤醒技术的应用，设备除了工作1小时以外，其余23小时均在休眠；而周期性休眠唤醒技术的应用，每2秒唤醒1次，无操作则再次进入睡眠，耗时0.2秒，除了工作1小时以外，还有2.1小时处于工作状态。按照800 mAh的电池容量计算，可中断休眠唤醒技术每日耗电量为23.9 mAh，共计续航时间为33.5天；周期性休眠唤醒技术每日耗电量为68.8 mAh，共计续航时间为11.6天。可见，应用可中断休眠唤醒技术，设备功耗小、续航时间长，具有明显优势。

4 结语

综上所述，无线通信电路的功耗问题，是智能硬件设备能量损耗的关键，必须采用低功耗处理技术。本文对比了周期性休眠唤醒技术、可中断休眠唤醒技术的应用特点，结合实验分析结果，可知后者优势明显，值得推广应用。

[1]于保柱，贾丹平，赵立民. 基于无线通信的变电站设备温度监测系统设计及关键技术[J]. 物联网技术，2017（7）：71-74，76.

[2]王家利，吉力，张玉斌. 无线通信技术的低功耗处理技术分析[J]. 数码世界，2017（12）：327.

[3]石波，张莉，张根选，等. 基于近场通信技术的无线无源体温传感器[J]. 中国医疗器械杂志，2017（1）：17-19，42.

[4]林志堂，郭昌坚，张朋涛. 无线通信技术的低功耗处理技术研究[J]. 机电工程技术，2017（s2）：209-212.

[5]李善荣，闫述. SI1000低功耗性能与在无线传感器节点上的应用开发[J]. 无线通信技术，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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