物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點功耗測量及電池壽命分析

樓亮亮 金彥亮 周 苗 鮑星合 趙 康

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1，上海 200072;中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所2，上海 200050;中國科學(xué)院無線傳感網(wǎng)與通信重點實驗室3，上海 201800)

0 引言

目前，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能量測量模型按用途分為3 類:分析模型、仿真模型、應(yīng)用模型［1］。在實際應(yīng)用中以應(yīng)用模型為主，應(yīng)用模型主要原理體現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)軟件測量方案，如SPOT［2］和DUTTA［3］，在應(yīng)用程序中插入功耗測量代碼并進行評估。此方案容易受硬件的計算能力和軟件的效率影響，增加了開發(fā)難度，且增加的代碼測試導(dǎo)致了不必要的功耗增加。

(2)物理接觸式測量方案，通過高精度專用電流表對電路板整體功耗進行測量。此方案具有測量精度高、容易實現(xiàn)等優(yōu)點［4］，但是必須有昂貴的電流表來支撐，因此在設(shè)備方面存在一定的局限性。

本文采用物理接觸式測量原理。首先分析出物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電路板上的硬件組件的功耗模型;然后利用示波器測量各個硬件組件的工作電流，特別對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備兩個典型硬件組件、無線通信及傳感器數(shù)據(jù)采樣進行了詳細的分析;接著采用普通電流表來測量設(shè)備在休眠模式下的電流;最后計算出整個設(shè)備的電流消耗狀況，進而分析出電池中的電量所能支撐的工作時間。實驗表明，該方案具有很高的實用性，并且操作簡單，非常適合低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗測量與分析。

1 測試方案

本文采用接觸式的電流測量原理，具體原理如圖1 所示。該測量模型由如下兩種測量方案組成。

(1)通過示波器獲取竄入電路中采樣電阻上的電壓，并計算出電路實際消耗電流。該采樣電阻竄入電池與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電路板之間，設(shè)備工作時會在該電阻上產(chǎn)生一定的壓降，最后根據(jù)歐姆定律即可計算出對應(yīng)工作電流的大小。該方案主要利用示波器的高響應(yīng)特性來測量響應(yīng)速度較快的硬件組件在不同工作模式下的電流，如無線模塊與傳感器的瞬時工作電流。該方案適用于大電流、響應(yīng)速度快的場合，但是分辨率較低，不適合微安級別的電流測量。

(2)電流表測量設(shè)備待機時消耗的電流。該方案用來測量設(shè)備在休眠模式的工作電流，精度較高，但實時性比較差，很難對無線模塊和傳感器的實際工作電流實現(xiàn)精確測量。電流表測量方案可以與示波器測量方案互補。為了對低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能耗進行測量和評估，在實際應(yīng)用場合中，需要將上述兩種方案結(jié)合使用。

圖1 測量方案Fig.1 Measurement scheme

因為竄入的采樣電阻，若采用方案(1)對低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電路板進行功耗測量，會使電源到電路板之間產(chǎn)生一定的壓降，這會導(dǎo)致兩個方面的問題:一方面在采樣電阻上產(chǎn)生的壓降與采樣電阻阻值的大小會直接影響到瞬時電流測量的精度;另一方面也因為該采樣電阻上的壓降，影響到設(shè)備正常工作所需的電壓。這兩方面的關(guān)系可以由式(1)表示。

式中:U電路板為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備硬件電路系統(tǒng)上的供電電壓;U電源為電路板供電的電源電壓;U壓降為采樣電阻上產(chǎn)生的電壓壓降;I 為系統(tǒng)工作電流;R 為采樣電阻的阻值。

由式(1)可知，為了保證硬件系統(tǒng)穩(wěn)定正常的工作，必須保證U電路板的電壓大于該設(shè)備硬件系統(tǒng)電路板上每個組件的最低工作電壓。即采樣電阻帶來的壓降對硬件系統(tǒng)電壓影響要非常小，那么該采樣電阻必須滿足式(2)。

式中:Umax組件最低工作電壓為硬件系統(tǒng)上所有組件最低工作電壓中的最大值。

如果滿足式(2)，系統(tǒng)就可以認為竄入的采樣電阻對系統(tǒng)測量方案的影響是可以忽略的。在本文的測量系統(tǒng)中采用了電壓為3.6 V 的鋰亞電池作為系統(tǒng)的供電電源，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電路板硬件是由MSP430、CC1101 及各類傳感器等組成。查閱芯片的數(shù)據(jù)手冊可知，該設(shè)備硬件電路板上的電子元器件的最低可工作電壓最大值為2. 4 V，電路板最大瞬時電流約為60 mA。根據(jù)式(2)得，如果選用了10 Ω 的電阻竄入電路板與電池之間，在硬件電路板最大電流的工作模式下，輸入電路板U電路板的電壓可達到3 V 以上，保證了該硬件系統(tǒng)的正常工作。為此，本文設(shè)計的測試系統(tǒng)選用了一個阻值為10.62 Ω 的電阻，作為方案(1)示波器測量的采樣電阻。

2 能耗模型

低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備是一種典型的嵌入式設(shè)備，一般都是由電池供電［5］。設(shè)備硬件的電路活動會直接導(dǎo)致電池的放電行為，不同的硬件組件在不同的工作模式下會產(chǎn)生不同的電流消耗，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗的產(chǎn)生。

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備包含豐富的硬件組件，如單片機、無線模塊及各類傳感器等。因為同一個硬件具有多種工作模式，并表現(xiàn)出不同的電流消耗，所以物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)備具有復(fù)雜的功耗特性。為此，一個可靠和實用的能耗模型和測量方案，對整個物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備能耗測量和評估的精確性具有重要的作用。

設(shè)集合D={d1，d2，…，dj，…，dn}表示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所包含的n 類硬件組件，集合S={s1，s2，…，si，…，sk}表示每類組件包含的k 種工作狀態(tài)，集合P = {p1，p2，…，pi，…，pk}表示組件在k 種工作狀態(tài)下對應(yīng)的非遞增排列的k 種功耗值［6］。組件在不同功耗狀態(tài)間切換會產(chǎn)生額外能耗成本，圖2 所示為一般硬件組件在時間段t0到t7之間，組件dj的在不同工作模式下切換所產(chǎn)生的電流消耗，圖3 表示一般硬件組件工作狀態(tài)切換模型。其中，sw分別表示組件dj在各個狀態(tài)切換過程中產(chǎn)生的能耗。

圖2 硬件組件的電流消耗圖Fig.2 Current consumption of the hardware components

圖3 硬件組件的工作狀態(tài)切換圖Fig.3 Switching of the working states of thehardware components

通過圖2 和圖3 可以得到對應(yīng)dj類硬件組件的系統(tǒng)功耗模型，可以用式(3)表示。

式中:Ew、Esw及Ej分別為dj硬件組件在特定工作狀態(tài)、模式狀態(tài)切換及一個完整工作周期的電流消耗模型;pi為組件在某一工作模式下所消耗的電流。

假設(shè)dj硬件組件工作持續(xù)的時間為ΔTj，可以得出整個系統(tǒng)的工作電流消耗模型如式(4)所示。

式中:Isleep為電路板休眠模式下的電流;t 為設(shè)備運行的累計時間;j 為電路上各個硬件組件的編號。

在式(4)中，硬件組件的各個工作狀態(tài)切換時間非常短，并且電流消耗狀況具有很大的不確定性，為了簡化模型，在實際應(yīng)用中可以將該參數(shù)省略。

3 測試分析

3.1 硬件組件能耗模型驗證

本文測試系統(tǒng)的方案(1)是通過示波器測量竄入電阻器上(10.62 Ω)的電壓，為了驗證模型的正確性，通過示波器抓取無線模塊及傳感器工作時采樣電阻上產(chǎn)生的電壓波形，如圖4 所示。

根據(jù)圖4 的波形，可以很直觀地得出無線模塊在一個發(fā)送接收周期和傳感器一個采樣周期在不同工作模式下的電流消耗狀況，即各個硬件組件在每個工作狀態(tài)持續(xù)的時間及所消耗的電流，進而可以分析出無線模塊與傳感器工作電流消耗狀況，如表1 和表2所示。

圖4 在不同工作狀態(tài)下的電流消耗波形Fig.4 Current consumption waveforms under different working conditions

表1 無線模塊在不同工作狀態(tài)下的電流消耗狀況Tab.1 Current consumption status of wireless module under different working conditions

表2 傳感器在不同工作狀態(tài)下的電流消耗狀況Tab.2 Current consumption status of sensor under different working conditions

3.2 系統(tǒng)休眠模式功耗測量

低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備硬件系統(tǒng)在休眠模式下的待機電流非常小。由于示波器分辨率的局限性及外部噪聲的干擾，采用示波器獲取低功耗模式下硬件電路板上采樣電阻的電壓，很難得到較為精確的測量值，所以測量系統(tǒng)休眠模式下的待機電流，需要把系統(tǒng)硬件電路板上的組件全部設(shè)置成低功耗模式，如把無線模塊、單片機及傳感器等設(shè)置為休眠模式;接著去除竄入電池與電路板之間的采樣電阻，用電流表竄入電池與電路板，測量系統(tǒng)在休眠模式下的電流［7］。經(jīng)過多次測量求平均，本系統(tǒng)測量得到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在休眠模式下的電流為15 μA。

3.3 電池壽命分析

本文采用的電池容量為2 400 mAh，在計算過程中不考慮電池的效率和自放電參數(shù)。假設(shè)傳感器采樣周期為1 s，射頻發(fā)送周期為1 min，根據(jù)式(4)可以計算出該電池可以為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供能量的時間。

由以上條件可知，在1 min 內(nèi)電路板消耗的平均功率為:

式中:Pavr為某一組件消耗的平均功率，mA·ms。進而可以得出電池所能支持設(shè)備工作的天數(shù):

低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所消耗的電流大小是由該設(shè)備的功能所決定的，如設(shè)備的無線數(shù)據(jù)包發(fā)送的頻率、傳感器的采樣周期都對設(shè)備的功耗起到?jīng)Q定性的作用。為了進一步了解設(shè)備功耗與各類硬件組件的關(guān)系，給出了電池壽命與無線數(shù)據(jù)包發(fā)送的頻率及傳感器采樣間隔周期之間的關(guān)系。從關(guān)系圖可以看出，降低無線數(shù)據(jù)包的發(fā)送頻率及增大傳感器采樣間隔周期可以大大地提升電池的壽命。

4 結(jié)束語

本文歸納出低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備硬件組件的特點，把硬件組件工作過程劃分為不同的狀態(tài)，分析出硬件組件模塊的功耗特征并建立功耗模型，通過示波器和具有電流測量功能的萬用表分別測量硬件組件每個狀態(tài)的實際功耗，特別是對無線模塊和傳感器工作狀態(tài)的功耗模型進行了細致的研究，驗證了功耗模型的有效性。所提出的功耗測試模型和分析方法符合實際情況，并對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗分析給出了可靠的數(shù)據(jù)，為進一步構(gòu)建能耗模型奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提升了低功耗設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

［1］ 成小良，鄧志東，董志然.基于無線通信和計算特征分析的能耗模型［J］.計算機研究與發(fā)展，2009(12):1985 -1993.

［2］ Milenkovic A，Milenkovic M，Jovanov E，et al. An environment for runtime power monitoring of wireless sensor network platforms［C］//System Theory，2005. SSST＇05. Proceedings of the Thirty-Seventh Southeastern Symposium on.IEEE，2005:406-410.

［3］ Hohlt B，Doherty L，Brewer E.Flexible power scheduling for sensor networks［C］//Proceedings of the 3rd International Symposium on Information Processing in Sensor Networks.ACM，2004:205 -214.

［4］ 劉紅煜.工程測試中如何用示波器測量電流［J］.計量與測試技術(shù)，2011，38(6):36 -37.

［5］ 張帆，李文鋒，宋威.無線傳感器節(jié)點實時能耗監(jiān)測［J］.計算機工程與科學(xué)，2010(11):51 -55.

［6］ 段林濤，郭兵，沈艷，等.Android 應(yīng)用程序能耗分析與建模研究［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，2014，43(2):272-277.

［7］ Lajara R，Pelegrí-Sebastiá J，Solano J J P. Power consumption analysis of operating systems for wireless sensor networks［J］.Sensors，2010，10(6):5809 -5826.