無線通信技術(shù)處理技術(shù)研究

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摘要：重點分析和研究無線通信技術(shù)在智能硬件中的低功耗處理方法，通過軟件處理技術(shù)來控制短距離無線通信系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(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線通信系統(tǒng)的整體功耗大幅降低，這點在智能可穿戴設(shè)備中尤為關(guān)鍵，功耗的降低不僅可以提高電池供電設(shè)備的續(xù)航時間，也提升用戶體驗與認(rèn)同。

關(guān)鍵詞：無線通信；低功耗；休眠喚醒；智能硬件

主流的短距離無線通信技術(shù)包括Wifi、紫蜂(Zigbee)、藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)、以及運(yùn)行于ISM頻段的2.4GHz射頻（RF）與433MHz的RF頻段；這些無線通信技術(shù)各具優(yōu)缺點，但是有一個共同的特點，既短距離無線通信部件工作時的功耗相對可穿戴設(shè)備、智能家居等智能硬件的其他部件的功耗來說是耗能最大的部分，一般來說短距離無線通信系統(tǒng)發(fā)射功率在20mAh上下，而智能硬件特別是可穿戴設(shè)備等除了無線通信電路外的其他電路的總功耗占比很小，也說是無線通信電路在正常工作下占用了很大的功耗。無線通信距離與發(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，都采用定時上報方式，也就是系統(tǒng)大部分時間是工作在空閑狀態(tài)，故每次數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)都是很短時間內(nèi)完成，如果能將設(shè)備在等待時間里將無線通信部分的功耗節(jié)省下來，將大大降低智能設(shè)備的功耗。基于上述問題首先對智能硬件中的短距離無線通信電路的功耗進(jìn)行分析與介紹，并給出現(xiàn)有技術(shù)中常用休眠方法，提出一種分時可中斷休眠的處理方法，最后通過實際產(chǎn)品應(yīng)用驗證了該方法的可行性。

1功耗分析

如圖1所示為智能硬件的系統(tǒng)組成框圖，包括了傳感數(shù)據(jù)采集（傳感器）電路、主控電路、控制輸出電路、短距無線通信電路等，一般講由主控制電路定時去采集傳感器數(shù)據(jù)，并對采集到的數(shù)據(jù)分析后，通過控制輸出電路控制燈光、微型電機(jī)等設(shè)備，或者通過無線的方式上報所集的數(shù)據(jù)；因此可以將上述電路按使用時間分為長期使用、定時使用、按需使用三種，以上智能電路模塊中，主控電路可歸為長期使用的電路，參數(shù)采集電路歸為定時使用電路，而短距離無線通信電路與輸出控制電路則歸為按需使用。下面通過表1所列的數(shù)據(jù)，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線通信芯片的功耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過對比可知，采用BlueTooth通信技術(shù)的系統(tǒng)在運(yùn)行時消耗的電流近10mA，若是采用Zigbee通信技術(shù)的系統(tǒng)在運(yùn)行時微控制器與無線通信消耗的電流則達(dá)到20mA以上；若采用WiFi通信技術(shù)的通信系統(tǒng)則消耗的電流更高，通常達(dá)到百毫安級；因此在智能硬件系統(tǒng)中特別是智能穿戴設(shè)備中，其電池容量普遍是在1000mAh以下的，即使以1000mah的電池供電，在無功耗處理的連續(xù)工作狀下，可供藍(lán)牙系統(tǒng)使用100小時，可供zigbee系統(tǒng)50小時，而可穿戴設(shè)備要求續(xù)航時間達(dá)到數(shù)天以上甚至是數(shù)月之久，顯然無法讓上述耗電電路一直工作。在智能硬件中無線通信電路成為設(shè)備能量消耗的核心，通常講在無線通信距離無法改變的情況下，僅通過選擇低功耗器件來降低硬件待機(jī)消耗[1]是無法根本解決，因此需要在軟件技術(shù)層面加以進(jìn)一步優(yōu)化功耗來解決。現(xiàn)有技術(shù)中對無線通信電路功耗處理的軟件方法分為兩種，一種是在MAC層上通過協(xié)議[2]上的優(yōu)化來改善功耗，如通過CSMA載波監(jiān)聽防止通信過度競爭與通信碰撞，或者減小通信包的冗余來減小能耗，受限于協(xié)議基本架構(gòu)的不可變性，這種通過在網(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(tǒng)的功率控制技術(shù)，這種方式當(dāng)前最常用的方式是定時周期性休眠與喚醒策略[3]，如圖2。周期性休眠喚醒圖在一個工作周期T時間內(nèi)T0是深度睡眠時區(qū)，其占據(jù)整個工作周期T的80%以上，期間工作電流降低到微安級，待定時間到達(dá)后，喚醒系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理上報等工作，這個工作時間T1極短，但是工作電流達(dá)到數(shù)十毫安，待數(shù)據(jù)處理完畢，進(jìn)入短暫的空閑時間T2后，系統(tǒng)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間周期的數(shù)據(jù)采集與上報系統(tǒng)中的功耗[4]，這種系統(tǒng)一般是單向無線通信的工作系統(tǒng)，但是隨著用戶需求的增加以及技術(shù)發(fā)展，當(dāng)今的可穿戴設(shè)備如應(yīng)用于智能鞋服中的可戴設(shè)備即要求續(xù)航時間長又要求可以雙向?qū)崟r無線通信，對于需要雙向無線通信的工作模式且對實時性要求較高的系統(tǒng)而言，周期性休眠喚醒方法顯然無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題，本文提出可中斷休眠喚醒方法，智能設(shè)備可以根據(jù)當(dāng)前的硬件狀態(tài)選擇休眠的狀態(tài)，如一個穿戴在正在運(yùn)動的人身體上的智能硬件，此時可根據(jù)運(yùn)動狀態(tài)來啟動數(shù)據(jù)實時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)，若是長期靜止則進(jìn)入深度休眠，而設(shè)備可以隨時由一個外部事件激活或喚醒。

2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休眠與定時喚醒的方式，其時間相對固定，對于需要雙向人機(jī)交互的系統(tǒng)而言，其顯得極不便利。而可中斷休眠喚醒可通過外部事件來臨時將設(shè)備從休眠狀態(tài)中喚醒，外部事件可以是運(yùn)動信息、無線激活信號、機(jī)械觸發(fā)也可是外部自然的因素等。可穿戴設(shè)備集成傳感器、無線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，若是長時間工作，電能也將在數(shù)小時內(nèi)耗完，故可穿戴設(shè)備對低功耗處理要求更為嚴(yán)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(shè)備而言尤為重要，如圖3可中斷休眠時序圖，T1、T6是設(shè)備處于工作中的耗能情況，T2時間是設(shè)備完成一次處理后將無線通信電路、傳感器電路關(guān)閉使其進(jìn)入淺睡眠狀態(tài)；T0、T3、T5是設(shè)備進(jìn)入深度睡眠的狀態(tài)；從圖3中可以看出設(shè)備只要空閑就進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)用戶需要使用設(shè)備時可以通過喚醒電路隨時喚醒，如進(jìn)入充電模式時可在T3時刻喚醒設(shè)備進(jìn)入淺睡眠狀態(tài)；或者在任意時刻通過運(yùn)動或者無線的方式喚醒設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)。這種中斷喚醒方式使得設(shè)備絕大部分時間處于休眠狀態(tài)，用戶可以按需的方式激活設(shè)備，并實現(xiàn)雙向無線通信，實現(xiàn)靈活人機(jī)交互與控制，同時做到更省電；如圖4可中斷休眠喚醒狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可將穿戴設(shè)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等三個等級。其中設(shè)備處于工作狀態(tài)L0時，為設(shè)備工作狀態(tài)其最耗電，此時無線電路開啟可以正常通信；處理完數(shù)據(jù)可穿戴設(shè)備可以通過休眠處理進(jìn)入低功耗的L1狀態(tài)，此時設(shè)備上大部分的外設(shè)都處于關(guān)閉狀，如無線通信模塊，此時設(shè)備功耗下降到數(shù)毫安內(nèi)；在工作狀態(tài)L0時，用戶也可以強(qiáng)制讓設(shè)備進(jìn)入L2深度休眠狀態(tài)，此時外設(shè)全關(guān)斷，MCU處于深度休眠狀態(tài)，此時電流下降到幾十微安以內(nèi)；若長時間處于淺休眠L1狀態(tài)時，系統(tǒng)將自動進(jìn)入L2狀態(tài)；此時可通外部喚醒事件將設(shè)備從L1、L2狀態(tài)快速喚醒至L0狀態(tài)。

3低功耗軟件設(shè)計

可中斷休眠喚醒方法在軟件處理上通過實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，并判斷當(dāng)前設(shè)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(shè)備在完成數(shù)據(jù)處理與上報等交互工作后，將關(guān)閉無線通信電路進(jìn)入淺睡眠狀態(tài)，此時啟動計時功能等待外部的觸發(fā)，若長時間無其他操作或者喚醒事件，智能設(shè)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(shè)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)。

4實驗分析

本文中所采用的中斷休眠喚醒方法，已經(jīng)應(yīng)用于一款無線雙向控制的智能穿戴設(shè)備中，其硬件環(huán)境如下，主控芯片STM8S003，2.4G無線通信芯片XN297L，電池800mAh，用戶一天累計使用該設(shè)備工作使用1小時。通過實驗過得到結(jié)果如表2。T3T5T6T2T4T1時間：t電流：mAT0圖3可中斷休眠時間圖休眠1休眠3休眠2喚醒喚醒喚醒深休眠L2淺休眠L1工作L0圖4可中斷休眠喚醒狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖喚醒喚醒是否數(shù)據(jù)處理關(guān)無線電路等進(jìn)入淺睡眠由表2的實驗數(shù)據(jù)可以得出，設(shè)備分別工作在定時休眠與可中斷休眠模式下無論是工作電流還是休眠電流都相差不大，可以認(rèn)為是由電流表讀數(shù)跳動造成誤差，因此可以認(rèn)為它們的工作電流與休眠電流是相同的。通過計算可得可中斷休眠方式除了工作1小時外，期間沒有收到喚醒后全在休眠。而定時休眠除了工作的1小時外，在24小時里又累積工作了2.1小時，因此以800mAh容量的電池計算，采用定時休眠的方法每天耗電68.8mAH，可以續(xù)航11.7天。而采用可中斷休眠的方法每天耗電23.9mAH，可以續(xù)航33天的時間。若是定時休眠的方法想延長待機(jī)時長，則需要增長定時周期，這勢必造成用戶體驗性變差。可見采用可中斷休眠的方法在長時間待機(jī)方面具有定時休眠方法不可比擬的優(yōu)勢。

5結(jié)論

本文重點介紹集成無線通信技術(shù)的智能硬件的休眠喚醒方法，通過分析現(xiàn)有的定時休眠喚醒技術(shù)的特點，提出了可中斷的休眠喚醒方法，并通過產(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(shè)備中可大幅提高電池續(xù)航的時間，同時在可中斷休眠的過程中并沒有影響用戶對設(shè)備的控制，在不降低用戶體驗的前提下使產(chǎn)品整體功耗下降。

作者:林志堂 郭昌堅 張朋濤  單位:廣州市天舟通信技術(shù)有限公司

參考文獻(xiàn)

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