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無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)處理技術(shù)研究論文
摘要：
重點(diǎn)分析和研究無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在智能硬件中的低功耗處理方法，通過(guò)軟件處理技術(shù)來(lái)控制短距離無(wú)線(xiàn)通信系統在靜止狀態(tài)、空閑狀態(tài)、工作狀態(tài)、睡眠狀態(tài)等不同狀態(tài)下的功耗處理，不同狀態(tài)下的功耗降低可以使得短距離無(wú)線(xiàn)通信系統的整體功耗大幅降低，這點(diǎn)在智能可穿戴設備中尤為關(guān)鍵，功耗的降低不僅可以提高電池供電設備的續航時(shí)間，也提升用戶(hù)體驗與認同。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)通信；低功耗；休眠喚醒；智能硬件
主流的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)包括Wifi、紫蜂（Zigbee）、藍牙技術(shù)（Bluetooth）、以及運行于ISM頻段的2。4GHz射頻（RF）與433MHz的RF頻段；這些無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)各具優(yōu)缺點(diǎn)，但是有一個(gè)共同的特點(diǎn)，既短距離無(wú)線(xiàn)通信部件工作時(shí)的功耗相對可穿戴設備、智能家居等智能硬件的其他部件的功耗來(lái)說(shuō)是耗能最大的部分，一般來(lái)說(shuō)短距離無(wú)線(xiàn)通信系統發(fā)射功率在20mAh上下，而智能硬件特別是可穿戴設備等除了無(wú)線(xiàn)通信電路外的其他電路的總功耗占比很小，也說(shuō)是無(wú)線(xiàn)通信電路在正常工作下占用了很大的功耗。
無(wú)線(xiàn)通信距離與發(fā)射功率息息相關(guān)，若是為了降低功耗而把發(fā)射功率降低則影響到通信距離與通信可靠性；然而在智能硬件中一般是傳感量的采集與上報，都采用定時(shí)上報方式，也就是系統大部分時(shí)間是工作在空閑狀態(tài)，故每次數據通信業(yè)務(wù)都是很短時(shí)間內完成，如果能將設備在等待時(shí)間里將無(wú)線(xiàn)通信部分的功耗節省下來(lái)，將大大降低智能設備的功耗�；谏鲜鰡�(wèn)題首先對智能硬件中的短距離無(wú)線(xiàn)通信電路的功耗進(jìn)行分析與介紹，并給出現有技術(shù)中常用休眠方法，提出一種分時(shí)可中斷休眠的處理方法，最后通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品應用驗證了該方法的可行性。
一、功耗分析。
智能硬件的系統組成框圖包括了傳感數據采集（傳感器）電路、主控電路、控制輸出電路、短距無(wú)線(xiàn)通信電路等，一般講由主控制電路定時(shí)去采集傳感器數據，并對采集到的數據分析后，通過(guò)控制輸出電路控制燈光、微型電機等設備，或者通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式上報所集的數據；因此可以將上述電路按使用時(shí)間分為長(cháng)期使用、定時(shí)使用、按需使用三種，以上智能電路模塊中，主控電路可歸為長(cháng)期使用的電路，參數采集電路歸為定時(shí)使用電路，而短距離無(wú)線(xiàn)通信電路與輸出控制電路則歸為按需使用。下面通過(guò)表1所列的數據，對在智能硬件中使用較多的幾款主流微型控制器與短距離無(wú)線(xiàn)通信芯片的功耗數據進(jìn)行對比，通過(guò)對比可知，采用BlueTooth通信技術(shù)的系統在運行時(shí)消耗的電流近10mA，若是采用Zigbee通信技術(shù)的系統在運行時(shí)微控制器與無(wú)線(xiàn)通信消耗的電流則達到20mA以上；若采用WiFi通信技術(shù)的通信系統則消耗的電流更高，通常達到百毫安級；因此在智能硬件系統中特別是智能穿戴設備中，其電池容量普遍是在1000mAh以下的，即使以1000mah的電池供電，在無(wú)功耗處理的連續工作狀下，可供藍牙系統使用100小時(shí)，可供zigbee系統50小時(shí)，而可穿戴設備要求續航時(shí)間達到數天以上甚至是數月之久，顯然無(wú)法讓上述耗電電路一直工作。
在智能硬件中無(wú)線(xiàn)通信電路成為設備能量消耗的核心，通常講在無(wú)線(xiàn)通信距離無(wú)法改變的情況下，僅通過(guò)選擇低功耗器件來(lái)降低硬件待機消耗[1]是無(wú)法根本解決，因此需要在軟件技術(shù)層面加以進(jìn)一步優(yōu)化功耗來(lái)解決�，F有技術(shù)中對無(wú)線(xiàn)通信電路功耗處理的軟件方法分為兩種，一種是在MAC層上通過(guò)協(xié)議[2]上的優(yōu)化來(lái)改善功耗，如通過(guò)CSMA載波監聽(tīng)防止通信過(guò)度競爭與通信碰撞，或者減小通信包的冗余來(lái)減小能耗，受限于協(xié)議基本架構的不可變性，這種通過(guò)在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議上進(jìn)行優(yōu)化而降低功耗的收效甚微。另一種方法是利用嵌入式系統的功率控制技術(shù)，這種方式當前最常用的方式是定時(shí)周期性休眠與喚醒策略[3]。
周期性休眠喚醒圖在一個(gè)工作周期T時(shí)間內T0是深度睡眠時(shí)區，其占據整個(gè)工作周期T的80%以上，期間工作電流降低到微安級，待定時(shí)間到達后，喚醒系統進(jìn)行數據采集與處理上報等工作，這個(gè)工作時(shí)間T1極短，但是工作電流達到數十毫安，待數據處理完畢，進(jìn)入短暫的空閑時(shí)間T2后，系統重新進(jìn)入低功耗的深度睡眠狀態(tài)。這種低功耗處理方式可以較好的處理具有一定時(shí)間周期的數據采集與上報系統中的功耗[4]，這種系統一般是單向無(wú)線(xiàn)通信的工作系統，但是隨著(zhù)用戶(hù)需求的增加以及技術(shù)發(fā)展，當今的可穿戴設備如應用于智能鞋服中的可戴設備即要求續航時(shí)間長(cháng)又要求可以雙向實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)通信，對于需要雙向無(wú)線(xiàn)通信的工作模式且對實(shí)時(shí)性要求較高的系統而言，周期性休眠喚醒方法顯然無(wú)法勝任更低功耗的處理要求。針對上述低功耗處理存在的問(wèn)題，本文提出可中斷休眠喚醒方法，智能設備可以根據當前的硬件狀態(tài)選擇休眠的狀態(tài)，如一個(gè)穿戴在正在運動(dòng)的人身體上的智能硬件，此時(shí)可根據運動(dòng)狀態(tài)來(lái)啟動(dòng)數據實(shí)時(shí)采集與上報的雙向通信模式，若是靜止則進(jìn)入休眠狀態(tài)，若是長(cháng)期靜止則進(jìn)入深度休眠，而設備可以隨時(shí)由一個(gè)外部事件激活或喚醒。
二、可中斷休眠喚醒。
可中斷休眠喚醒與周期性的休眠喚醒具有明顯的不同，其中周期性的休眠喚醒采用定時(shí)休眠與定時(shí)喚醒的方式，其時(shí)間相對固定，對于需要雙向人機交互的系統而言，其顯得極不便利。而可中斷休眠喚醒可通過(guò)外部事件來(lái)臨時(shí)將設備從休眠狀態(tài)中喚醒，外部事件可以是運動(dòng)信息、無(wú)線(xiàn)激活信號、機械觸發(fā)也可是外部自然的因素等�？纱┐髟O備集成傳感器、無(wú)線(xiàn)通信電路等硬件電路，由于體積限制只能采用小容量電池，其佩帶在人體身上，與人的交互頻繁密切，即使采用低功耗器件，若是長(cháng)時(shí)間工作，電能也將在數小時(shí)內耗完，故可穿戴設備對低功耗處理要求更為嚴格，因此低功耗處理除了選用低功耗器件外，使用可中斷休眠喚醒的方式對于智能硬件尤其是智能穿戴設備而言尤為重要，可中斷休眠時(shí)序圖，T1、T6是設備處于工作中的耗能情況，T2時(shí)間是設備完成一次處理后將無(wú)線(xiàn)通信電路、傳感器電路關(guān)閉使其進(jìn)入淺睡眠狀態(tài)；T0、T3、T5是設備進(jìn)入深度睡眠的狀態(tài)；設備只要空閑就進(jìn)入休眠狀態(tài)，當用戶(hù)需要使用設備時(shí)可以通過(guò)喚醒電路隨時(shí)喚醒，如進(jìn)入充電模式時(shí)可在T3時(shí)刻喚醒設備進(jìn)入淺睡眠狀態(tài)；或者在任意時(shí)刻通過(guò)運動(dòng)或者無(wú)線(xiàn)的方式喚醒設備進(jìn)入工作狀態(tài)。
這種中斷喚醒方式使得設備絕大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，用戶(hù)可以按需的方式激活設備，并實(shí)現雙向無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)現靈活人機交互與控制，同時(shí)做到更省電；可中斷休眠喚醒狀態(tài)轉移圖可將穿戴設備分的工作狀態(tài)歸為工作狀態(tài)L0、淺休眠狀態(tài)L1、深度休眠狀態(tài)L2等三個(gè)等級。其中設備處于工作狀態(tài)L0時(shí)，為設備工作狀態(tài)其最耗電，此時(shí)無(wú)線(xiàn)電路開(kāi)啟可以正常通信；處理完數據可穿戴設備可以通過(guò)休眠處理進(jìn)入低功耗的L1狀態(tài)，此時(shí)設備上大部分的外設都處于關(guān)閉狀，如無(wú)線(xiàn)通信模塊，此時(shí)設備功耗下降到數毫安內；在工作狀態(tài)L0時(shí)，用戶(hù)也可以強制讓設備進(jìn)入L2深度休眠狀態(tài)，此時(shí)外設全關(guān)斷，MCU處于深度休眠狀態(tài)，此時(shí)電流下降到幾十微安以?xún)�；若長(cháng)時(shí)間處于淺休眠L1狀態(tài)時(shí)，系統將自動(dòng)進(jìn)入L2狀態(tài)；此時(shí)可通外部喚醒事件將設備從L1、L2狀態(tài)快速喚醒至L0狀態(tài)。
三、低功耗軟件設計。
可中斷休眠喚醒方法在軟件處理上通過(guò)實(shí)時(shí)監測設備狀態(tài)，并判斷當前設備所處的狀態(tài)，針對不同的狀態(tài)，采用不同的低功耗處理方法；如圖5是軟件處理程圖，智能設備在完成數據處理與上報等交互工作后，將關(guān)閉無(wú)線(xiàn)通信電路進(jìn)入淺睡眠狀態(tài)，此時(shí)啟動(dòng)計時(shí)功能等待外部的觸發(fā)，若長(cháng)時(shí)間無(wú)其他操作或者喚醒事件，智能設備則進(jìn)入深度休眠狀態(tài)的超低功耗狀態(tài)；而處于淺休睡眠與深度休眠狀態(tài)下的設備均可以由外界喚醒信號喚醒進(jìn)入到正常的工作狀態(tài)。
四、實(shí)驗分析。
本文中所采用的中斷休眠喚醒方法，已經(jīng)應用于一款無(wú)線(xiàn)雙向控制的智能穿戴設備中，其硬件環(huán)境如下，主控芯片STM8S003，2.4G無(wú)線(xiàn)通信芯片XN297L，電池800mAh，用戶(hù)一天累計使用該設備工作使用1小時(shí)。通過(guò)實(shí)驗過(guò)得到結果如表2.T3T5T6T2T4T1時(shí)間：t電流：mAT0圖3可中斷休眠時(shí)間圖休眠1休眠3休眠2喚醒喚醒喚醒深休眠L2淺休眠L1工作L0可中斷休眠喚醒狀態(tài)轉移圖喚醒喚醒是否數據處理關(guān)無(wú)線(xiàn)電路等進(jìn)入淺睡眠由表2的實(shí)驗數據可以得出，設備分別工作在定時(shí)休眠與可中斷休眠模式下無(wú)論是工作電流還是休眠電流都相差不大，可以認為是由電流表讀數跳動(dòng)造成誤差，因此可以認為它們的工作電流與休眠電流是相同的。
通過(guò)計算可得可中斷休眠方式除了工作1小時(shí)外，期間沒(méi)有收到喚醒后全在休眠。而定時(shí)休眠除了工作的1小時(shí)外，在24小時(shí)里又累積工作了2.1小時(shí)，因此以800mAh容量的電池計算，采用定時(shí)休眠的方法每天耗電68.8mAH，可以續航11.7天。而采用可中斷休眠的方法每天耗電23.9mAH，可以續航33天的時(shí)間。若是定時(shí)休眠的方法想延長(cháng)待機時(shí)長(cháng)，則需要增長(cháng)定時(shí)周期，這勢必造成用戶(hù)體驗性變差�？梢�(jiàn)采用可中斷休眠的方法在長(cháng)時(shí)間待機方面具有定時(shí)休眠方法不可比擬的優(yōu)勢。
五、結論。
本文重點(diǎn)介紹集成無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的智能硬件的休眠喚醒方法，通過(guò)分析現有的定時(shí)休眠喚醒技術(shù)的特點(diǎn)，提出了可中斷的休眠喚醒方法，并通過(guò)產(chǎn)品驗證了可中斷的休眠喚醒方法在智能硬件尤其是可穿戴設備中可大幅提高電池續航的時(shí)間，同時(shí)在可中斷休眠的過(guò)程中并沒(méi)有影響用戶(hù)對設備的控制，在不降低用戶(hù)體驗的前提下使產(chǎn)品整體功耗下降。
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