嵌入式无线网络视频监控设备的功耗控制研究

杨惠

（兰州文理学院传媒工程学院，甘肃兰州，730000）

0 引言

随着物联网的高速发展，以智能手机和智能家居设备为代表的嵌入式系统受到越来越多用户的青睐，极大的方便了人们的生活。随着嵌入式设备的性能越来越强，嵌入式设备因高性能带来的能源需求与电池技术的缓慢发展越来越尖锐[1]。电池技术的发展无法满足嵌入式设备对功耗的需求，若不对功耗加以控制，电池将成为下一代嵌入式设备的短板，因此对设备的功耗控制就显得尤为重要。

网络视频监控设备应用场景广泛，且大部分场景只能依靠电池供电。为了降低无线网络视频监控设备的功耗，提高其续航能力，研究系统的低功耗方案显得尤为必要。本方案以MIPS架构的ATJ227X硬件平台为主控，STM32作为MCU，使得设备可以在不同状态下调整硬件设备的工作状态，无网络连接时以辅助控制芯片MCU待机，让设备接收到网络连接时唤醒主控芯片，同时MCU待机。当网络视频连接请求时，环形主控模块和MCU工作，从而实现降低系统功耗的目的。

1 系统低功耗需求分析

要实现系统的功耗控制，首先需要了解系统的运行状况，并针对相应的硬件设备进行节能设计。本文采用的无线网络视频监控设备的主控芯片采用炬力ATJ227X，硬件结构如图1所示。

图1 硬件平台结构

在该硬件平台中，ATJ227X能够支持全格式视频解码，分辨率可达高清； 支持全格式音频解码，内置audio codec，支持720P分辨率视频处理。为了实现视频数据的采集，以ATJ227X的时钟信号同步各个外设，通过总线连接传感器和摄像头获取环境信息，然后采用内置的视频编码将视频压缩。同时为了实现设备功耗控制，首先需要对该系统的各个部分的能耗进行分析，通过可编程稳压源[2]分别单独测量设备整机功耗和WIFI模块的功耗分布，结果如表1所示。

表1 设备整体功耗和WIFI模块功耗

由表1可以看出，WIFI模块在整个设备功耗中占有较高的份额，因此需要分别对设备整体和WIFI模块分别提出相应的低功耗方案。

2 系统低功耗方案设计

■2.1 设备整体低功耗设计

为了实现设备整体的低功耗方案，本文定义了三种设备工作状态，Sleep状态（待机模式），On状态（工作模式）和Off状态（关机模式）。

Sleep状态的目的是降低系统空闲时的功耗，对于嵌入式无线网络视频监控设备来说，系统大部分时间处于Sleep状态以降低系统的功耗，提高续航时间，只有当设备通过MCU获取视频连接信号时，MCU发送电源管理命令给ATJ227X的电源管理单元，以唤醒视频采集，压缩和传输等相关设备。系统从Sleep状态转到Active状态需要在软件设计上进行判断。Sleep状态的进入和唤醒如图2所示。

设备在Sleep状态和Active状态之间切换时，需要保持WIFI模块独立工作。在Sleep状态下，MCU作为设备的控制单元，收到WIFI模块发送的唤醒数据包后控制电源管理单元给主控ATJ227X供电，并交出设备的控制权，设备进入Active状态。上述工作由ATJ227X的控制程序实现，本文采用锁队列来记录设备的各种任务状态，其思路如图3所示。

图2 sleep状态进入和唤醒

图3 设备sleep和on状态切换逻辑

当系统检测到无视频连接请求后，为了降低设备的功耗，主控调用休眠接口，将图1中连接主控ATJ227X的所有外围设备进行待机或者掉电处理，使其进行休眠状态，然后ATJ227X调用MCU接口，交出设备控制权，然后进入休眠状态。有MCU负责低功耗状态下设备基本状态信息的维护，为此本文选自STM32F103系列MCU作为低功耗守护芯片。从STM32F103系列芯片的官方数据[3]可以看出，该MCU待机状态的功耗地域4µA，该功耗几乎可以忽略不计。通过表1可以看出，除了WIFI模块的其他设备功耗占比在60%以上。以MCU待机状态的功耗为设备的提供唤醒服务，可以有效的降低sleep状态下整体设备的功耗。

■2.2 WIFI模块低功耗设计

当设备进入sleep状态后，WIFI模块就成为了设备功耗的主要组成部分。在802.11协议中，WIFI模块低功耗方案的软件控制方法主要包括TIM传递暂存单播帧[4]，DTIM传递组播和广播帧[5]，Beacon周期控制监听周期[6]等方法。这些节能方法适用于各种不同的场景，在本文内不对具体应用场景进行分析，分析的重点在于硬件节能方面。以广泛使用的2.4GHz频段的理想全向天线来说，其功耗可以表示为：

其中Etx和Erx分别表示发送和接收kbit数据所需的能量，Eelec表示射频电路所需的能量，∈amp表示放大器所需的能量，r表示信号传输距离，λ表示通信的线损。从式(1)看出，wifi通信模块的主要能耗包括两部分。一部分是通信产生的能耗，由传输的数据量k和通信距离r决定，另一部分有射频电路产生的功耗，取决于器材的功耗。

由于天线的辐射特性，信号在不同方向具有不同的强度，根据辐射方向可以分为全向天线和定向天线。全向天线的辐射范围呈现一个扁平的“面包圈”[7]，定向天线辐射范围呈现为一定角度的范围辐射。由于定向天线在某个方向具有高增益[8]的特性，当通信距离不变且信号强度相同时，定向天线可以以更小的发射功率达到相应的工作需求。在通信距离不变和信号强度不变的条件下，定向天线的发射功率为：

其中Pdir和Pomni分别表示定向和全向天线的发射功率，Gomni表示全向天线增益，值一般会大于1，Gdir表示定向天线的天线增益，λ表示路径损耗。定向天线的发射功率服从以下规律：

其中θ表示波束角度。

3 实验结果与分析

为了实现对比效果，本文分别安装铜管天线和定向天线的网络摄像头进行功耗测试。在测试过程中，摄像头一直处于通信状态，用可编程稳压电源测量设备在1分钟内的电流情况，每隔1分钟统计一次电流变化，结果如图4所示。

图4 功耗对比图

通过图4可以看出，针对这款摄像头来说，安装定向天线的WIFI模块的功耗比铜管天线的WIFI模块的功耗降低了8%的功耗，可以看出本文采用的定向天线有较好的节能效果。定向天线由于其高增益的存在，还可以提升设备对信号的接收灵敏度，表现为通信质量的改善。下面测试铜管天线和定向天线的摄像头接收信号灵敏度测试，在距离20m的位置在定向天线辐射范围内外分别采用接收两台摄像机的信号，分别对两个摄像头采集10次信号强度数据，两者接收到的WIFI信号强度如表2所示。

表2 接收信号强度数据对比（单位dBm）

从表2中可以看出，在定向天线的辐射范围内，由于定向天线发射信号的特性，安装定向天线视频监控设备的WIFI接收信号的强度明显高于代表了全向天线的铜管天线，然而处于定向天线的辐射范围外时，由于铜管天线在各个距离该辐射点的强度相同，所以全向天线的信号明显强于处于辐射范围外的定向天线。

4 结束语

为了降低无线网络视频监控设备的功耗，提高其续航能力，研究系统的低功耗方案显得尤为必要。本方案以MIPS架构的ATJ227X硬件平台为主控，STM32作为MCU，当设备在待机模式下保持主控芯片断电，MCU保持待机，同时WIFI模块处于低功耗工作模式。当网络视频连接请求时，环形主控模块和MCU工作，从而实现降低系统功耗的目的。