典型低功耗無線智能設(shè)備的一般功耗模型

劉 建， 歐陽曾愷， 田正其， 段梅梅 ， 王 越， 吳義鵬*

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 南京 211103； 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務(wù)中心， 南京 210019；3.國家電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室， 南京 210019； 4.南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院， 南京 210006)

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展及萬物物聯(lián)概念的普及，智能穿戴、家居，無線傳感器等設(shè)備的市場占有率不斷上升，數(shù)量越來越多[1-2]。目前上述無線設(shè)備使用的通信技術(shù)協(xié)議主要有Wifi、ZigBee、Bluetooth(藍(lán)牙)、LoRa、NB-IoT等[3-6]。將基于低功耗藍(lán)牙協(xié)議開發(fā)一種典型的無線溫濕度傳感器節(jié)點，通過周期性地采集節(jié)點周圍環(huán)境溫、濕度信息并發(fā)送給移動電話或平板電腦，使設(shè)備擁有者及時獲知環(huán)境的基本物理信息。低功耗藍(lán)牙通信協(xié)議具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸率高，延遲低、可交互等優(yōu)點，獲得了相對較快的發(fā)展[7]。目前大部分智能穿戴設(shè)備和智能家居設(shè)備均選擇使用低功耗藍(lán)牙作為主要通信協(xié)議[8]，在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等方面也有不少應(yīng)用[9-11]。研究低功耗藍(lán)牙無線智能設(shè)備中的相關(guān)技術(shù)具有較高的工程應(yīng)用價值[12]。

采用低功耗藍(lán)牙通信協(xié)議的無線傳感器節(jié)點是一種可以實現(xiàn)信息共享，具有感知、通信以及數(shù)據(jù)運算處理的獨立智能節(jié)點[13]。相比有線傳感器設(shè)備，其不需要與主機(jī)甚至電源進(jìn)行有線連接，從而使用更加便捷、布置環(huán)境更加廣泛。但在一些較為苛刻的環(huán)境下安裝無線傳感器節(jié)點，又無電網(wǎng)接入電源，為延長使用時間、降低電池更換維護(hù)成本，對設(shè)備的功耗要求將極其嚴(yán)苛。為降低上述設(shè)備的平均功耗同時確保設(shè)備性能，F(xiàn)eng等[14]選擇研究了數(shù)據(jù)包封裝優(yōu)化策略；陳志國等[15]則在降低無線傳輸時延上進(jìn)行了深入挖掘；藍(lán)牙廣播模式功耗、廣播參數(shù)設(shè)置等對設(shè)備長期功耗的影響機(jī)制及優(yōu)化策略也被提了出來[16-17]；Liu等[18]還對無線節(jié)點掃描發(fā)現(xiàn)臨近設(shè)備過程的能耗進(jìn)行了定量分析。與此同時，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)可靠性與效率調(diào)節(jié)[19]，網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制等[20]也得到了關(guān)注與討論。

總體說來，以上研究主要集中在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、藍(lán)牙通信協(xié)議架構(gòu)與優(yōu)化等方面，針對藍(lán)牙設(shè)備實際工作狀態(tài)中的功耗模型研究還比較少。難以直觀量化平均功耗值并指導(dǎo)針對不同工作環(huán)境條件下的無線節(jié)點設(shè)備開發(fā)。為此，設(shè)計并開發(fā)了一款典型的無線傳感器設(shè)備，根據(jù)其工作特征自定義了無線數(shù)據(jù)吞吐率(wireless data throughput，WDT)及工作占空比(operation duty cycle，ODC)兩個基本參數(shù)。在此基礎(chǔ)上建立了基于上述參數(shù)的無線傳感器設(shè)備一般功耗模型，同時借助所搭建的功耗測試平臺，實驗測量了無線傳感器設(shè)備在不同工況下的平均功耗值，實驗結(jié)果驗證了一般功耗模型，對于無線節(jié)點的功耗分析以及實際功耗優(yōu)化具有一定意義，最終為低功耗無線設(shè)備的功耗分析和優(yōu)化提供了研究基礎(chǔ)和指導(dǎo)方案。

1 典型低功耗無線智能設(shè)備介紹

圖1為所開發(fā)的典型低功耗無線傳感器及其與主機(jī)設(shè)備通信示意圖，傳感器節(jié)點通過藍(lán)牙通信協(xié)議與平板電腦、手機(jī)等主機(jī)設(shè)備連接，將采集得到的環(huán)境溫、濕度，節(jié)點自身供電電壓等信息直觀顯示出來。主機(jī)設(shè)備還可以通過用戶交互界面對傳感器節(jié)點進(jìn)行參數(shù)配置，如采集精度配置、采集物理量選擇等。用戶交互界面及功能實現(xiàn)為獨立開發(fā)的微信小程序，該小程序開發(fā)平臺完善，程序靈活度高、適應(yīng)性強(qiáng)，同時支持在配備藍(lán)牙功能的設(shè)備上運行。

圖1 典型低功耗無線傳感器節(jié)點及其工作示意圖

無線傳感器智能節(jié)點主要由德州儀器公司的CC2640R2F模塊和盛思銳公司的SHT30溫濕度傳感器模塊組成。其中CC2640R2F主要適用于Bluetooth 4.2和Bluetooth 5.0的低功耗應(yīng)用，內(nèi)部含有一個32 位ARM Cortex-M3 內(nèi)核作為主處理器，其射頻核心由一個ARM Cortex-M0 內(nèi)核單獨控制，支持1.8～3.8 V的寬電源電壓工作范圍。 SHT30溫濕度傳感器結(jié)合了多種功能和各種接口，提供了增強(qiáng)信號處理、兩個獨特和用戶可選I2C地址、一個可編程溫濕度極限的報警模式等功能，可同樣在2.15～5.5 V的寬電源電壓范圍內(nèi)工作。所述無線傳感器智能節(jié)點還保留了所有的GPIO口可以提供給更多的外接設(shè)備，具有強(qiáng)大的可拓展性。無線傳感器智能節(jié)點硬件設(shè)計基于以上描述的CC2640R2F模塊和SHT30模塊。最終通過Altium Designer 19電子產(chǎn)品PCB開發(fā)軟件，設(shè)計了一款基于藍(lán)牙協(xié)議的典型無線傳感器智能節(jié)點。

上述無線傳感器智能節(jié)點主要的工作是對真實環(huán)境下的溫度、濕度及供電電壓3個物理量進(jìn)行測量，并進(jìn)行一定的邏輯運算處理，然后通過藍(lán)牙通信協(xié)議傳遞給主機(jī)設(shè)備。根據(jù)CC2640R2F模塊提供的開發(fā)案例，本傳感器節(jié)點實際工作狀態(tài)可分為無線數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)采集及邏輯運算兩個進(jìn)程，分別對應(yīng)ARM Cortex-M0和ARM Cortex-M3兩個內(nèi)核，兩個進(jìn)程“互不干擾、同時進(jìn)行”，如圖2所示。傳感器節(jié)點上電復(fù)位后，首先作為藍(lán)牙從機(jī)設(shè)備進(jìn)入廣播狀態(tài)，使周圍作為主機(jī)的藍(lán)牙設(shè)備可以搜索并與其連接。一旦建立連接，傳感器節(jié)點的射頻部分將以固定間隔時間進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信；若超出規(guī)定時間無數(shù)據(jù)通信，節(jié)點則根據(jù)低功耗藍(lán)牙通信協(xié)議認(rèn)為其與主機(jī)設(shè)備之間的通信連接已經(jīng)斷開。傳感器自身根據(jù)程序設(shè)計進(jìn)行“休眠-采集、運算”的工作狀態(tài)循環(huán)，采集結(jié)束立即將數(shù)據(jù)邏輯運算(取平均值)后寫入藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲器中，在下一次無線數(shù)據(jù)通信進(jìn)行時發(fā)送給主機(jī)設(shè)備。

RX為接收；TX為發(fā)送

2 無線設(shè)備一般功耗模型

通過以上描述可以發(fā)現(xiàn)，若認(rèn)為設(shè)備在休眠狀態(tài)下功耗優(yōu)化得當(dāng)，I1和I2比I3要高出3、4個數(shù)量級，因此可認(rèn)為傳感器節(jié)點的平均功耗主要由無線數(shù)據(jù)通信和傳感器采集、計算導(dǎo)致。即使考慮到休眠狀態(tài)下存在漏電流，I1和I2也要高出1到2個數(shù)量級，是設(shè)備功耗的主要形成因素。為此，這里自定義了傳感器設(shè)備的無線數(shù)據(jù)吞吐率和工作占空比兩個關(guān)鍵參數(shù)。其中，WDT為設(shè)備在單位時間內(nèi)發(fā)送一定的數(shù)據(jù)字節(jié)所占用的時間，其表達(dá)式如式(1)所示；ODC為設(shè)備在單位時間內(nèi)采集、運算所占用的時間，其表達(dá)式如式(2)所示。

(1)

(2)

式中：TRF和Twork分別為傳感器節(jié)點兩個進(jìn)程上的循環(huán)周期；Rrate為藍(lán)牙的傳輸速率；D為節(jié)點在單無線通信周期內(nèi)發(fā)送的字節(jié)數(shù)；twork為節(jié)點在單采集運算周期內(nèi)工作的時長。考慮到設(shè)備節(jié)點的低功耗要求，WDT和ODC在實際設(shè)備中應(yīng)該遠(yuǎn)小于1，表明節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài)。

根據(jù)基本物理定義，最終一般無線傳感器設(shè)備的一般功耗模型可以用式(3)表示，其中P為設(shè)備節(jié)點的平均功耗，Vcc為節(jié)點的供電電壓，SLEEP則為設(shè)備節(jié)點的休眠占空比。

P=Vcc(WDTI1+ODCI2+SLEEPI3)

(3)

SLEEP=1-WDT-ODC

(4)

表1給出了考慮漏電流，即設(shè)備節(jié)點休眠期間模塊GPIO口未設(shè)置成低電平，在3種典型供電電壓Vcc下，功耗電流I1、I2、I3的值。以此為基礎(chǔ)，圖3討論了無線傳感器設(shè)備在不同WDT和ODC條件下，平均功耗P的變化。需要說明的是，根據(jù)所提供的技術(shù)手冊可知SHT30模塊單次采集數(shù)據(jù)所需的時間為4.5 ms，通過程序設(shè)計重復(fù)采集的次數(shù)，同時忽略處理器邏輯運算所需的時間，即可知單采集運算周期內(nèi)節(jié)點的工作時間twork，繼而得到ODC的值；單無線通信周期內(nèi)發(fā)送的字節(jié)數(shù)D可以通過程序設(shè)置，因此也可得到WDT的值。

表1 不同工作電壓下節(jié)點各部分功耗電流

由圖3可知，當(dāng)工作電壓Vcc為3.3 V時，所述傳感器設(shè)備的理論平均功耗可高達(dá)40 mW，表明WDT和ODC接近1時，設(shè)備平均功耗較高。而當(dāng)WDT和ODC趨向0時，由于漏電流存在，節(jié)點大約有不低于1 mW的平均功耗。受上述兩參數(shù)的影響，設(shè)備節(jié)點平均功耗變化范圍達(dá)到了39 mW，這在低功耗的獨立設(shè)備中相當(dāng)可觀。通過比較兩幅圖的斜率也可發(fā)現(xiàn)，設(shè)備無線數(shù)據(jù)傳輸對平均功耗的影響要大于其正常采集、運算產(chǎn)生的影響，若在功耗優(yōu)化時應(yīng)注意優(yōu)先減少無線數(shù)據(jù)發(fā)送量，例如將一些數(shù)據(jù)的邏輯運算下放至傳感器節(jié)點，只在主、從設(shè)備之間發(fā)送運算結(jié)果和配置信息數(shù)據(jù)。

圖3 3.3 V工作電壓下無線傳感器節(jié)點的平均功耗與WDT和ODC相關(guān)的變化曲線

3 無線節(jié)點實際功耗測試及驗證

3.1 功耗測試平臺

根據(jù)前文描述，所開發(fā)的無線傳感器設(shè)備節(jié)點最大工作電壓范圍是2.15～3.8 V，考慮到一般功耗測試平臺的易用性[21]，這里基于LTC3588-1電源管理芯片和超級電容器儲能模塊設(shè)計了一款低成本功耗測試平臺，如圖4所示。其中儲能模塊由10個額定電壓2.7 V，標(biāo)稱容量0.5 F的超級電容器串聯(lián)組成，等效額定電壓達(dá)到27 V，等效容量為0.05 F。該儲能模塊設(shè)計即滿足了LTC3588-1芯片輸入端的電壓變化需求，又給單體電容器留有了安全余量。LTC3588-1電源管理芯片的輸出端電壓有1.8、2.5、3.3、3.6 V 4種選擇，根據(jù)上述工作電壓范圍，實際測試時用到了后3種直流供電電壓，這也是前文給出的3種典型工作電壓值。

圖4 基于LTC3588-1電源管理芯片開發(fā)的功耗測試平臺

當(dāng)儲能模塊充電至最大輸入電壓(20 V)時，斷開充電用直流穩(wěn)壓電源(KEITHLEY 2260B-30-72)，一旦接入到測試平臺的無線傳感器設(shè)備開始工作，系統(tǒng)將消耗電能，儲能模塊兩端的電壓值(即LTC3588-1輸入端電壓)將不斷下降，通過臺式數(shù)字萬用表(KEITHLEY 34410A)和帶有LabVIEW 軟件的計算機(jī)記錄儲能模塊兩端電壓值隨時間的的變化曲線，就可以得到系統(tǒng)在這段時間能消耗電能的具體值，通過修正儲能模塊自放電、LTC3588-1工作效率引入的誤差，最終即可求得傳感器設(shè)備在這段時間內(nèi)的平均功耗。功耗測試平臺中，臺式數(shù)字萬用表通過USB 接口連接計算機(jī)，通過專門設(shè)計的測試程序記錄萬用表所測電壓值的變化。該方法與專用功耗測試儀器相比，在成本上具有極大優(yōu)勢，同時測試過程簡單方便、精度良好。

3.2 節(jié)點平均功耗測試方法介紹

圖5為傳感器設(shè)備節(jié)點在不同工作電壓條件下，平臺計算機(jī)獲得的儲能模塊兩端電壓值隨時間的變化曲線。圖5中黑色虛線則為不接入傳感器設(shè)備和電源管理芯片時，儲能模塊受到電荷再分配和自放電現(xiàn)象影響的電壓變化曲線，計算平均功耗時，將會以該曲線為誤差修正標(biāo)準(zhǔn)，減去電荷再分配和自放電現(xiàn)象的影響。

圖5 典型工作狀態(tài)不同工作電壓下電源管理單元電壓變化對比

無線傳感器節(jié)點的平均功耗P計算公式為

(5)

式(5)中：P′為未考慮到誤差修正時的功耗；ΔE為儲能模塊中存儲電能的變化量，通過圖5中曲線給出的數(shù)據(jù)計算求得，Δt為對應(yīng)的時間變化量。

實際研究中可發(fā)現(xiàn)若Δt為取值為極小的時間間隔時，還可得到系統(tǒng)的瞬時功率值。繼續(xù)觀察圖5中的曲線，當(dāng)時間大于240 s時，儲能模塊電荷再分配基本結(jié)束，自放電現(xiàn)象也因為兩端電壓值的下降有所減緩。為了避免修正儲能模塊引入的誤差，也可求240 s之后的設(shè)備瞬時功率再取平均獲得P′的值。對于LTC3588-1電源管理芯片工作效率引入的誤差，可直接對照該芯片數(shù)據(jù)手冊計算修正，根據(jù)估算的平均輸出電流，芯片在2.5 V輸出電壓下的效率約為78%，3.3 V輸出電壓下約為81%，3.6 V 輸出電壓下約為84%。實驗功耗值均簡單采用了上述效率值進(jìn)行了修正。

根據(jù)類似圖5的電壓直觀變化曲線，考慮誤差修正，圖6最終給出了無線傳感器設(shè)備節(jié)點在3種不同WDT、ODC條件和不同工作電壓下，平均功耗的比較圖，可見工作電壓越高，節(jié)點的平均功耗越大。因此，雖然工作電壓較低時芯片相應(yīng)的耗電電流會有所增加，但設(shè)備整體的平均功耗還是會隨著供電電壓的下降而降低。在芯片運行的工作電壓范圍內(nèi)，為優(yōu)化設(shè)備功耗，可以盡可能降低工作電壓。

圖6 3種典型參數(shù)下不同工作電壓功耗對比

3.3 一般功耗模型驗證

通過對于無線傳感器智能節(jié)點的軟件修改，設(shè)置不同的WDT、ODC參數(shù)進(jìn)行多次實驗，依靠上述測試方法得到了其實際功率并將其與相同參數(shù)下理論模型得到的功耗進(jìn)行對比。根據(jù)不同參數(shù)下實際實驗測試，計算得到的實測平均功率與通過模型帶入?yún)?shù)計算得到的理論功率的具體對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實際測試與模型功耗對比

根據(jù)不同電壓實際測試值與理論模型公式，圖7為在2.5、3.3、3.6 V電壓供電條件下，設(shè)備在WDT和ODC參數(shù)變化時，平均功耗的實驗值和模型理論計算值。從圖7結(jié)果可以看出，實驗測試結(jié)果基本符合基于一般功耗模型計算得到的理論結(jié)果，誤差基本在5%以內(nèi)，僅一處結(jié)果最大誤差達(dá)到6.25%。在功耗測試實驗中，受到低功耗藍(lán)牙通信協(xié)議的約束，傳感器設(shè)備節(jié)點的平均功耗值在1.33～2.20 mW變化。

圖7 3.6 V工作電壓下實測與計算功耗對比

4 結(jié)論

基于低功耗藍(lán)牙通信協(xié)議開發(fā)了一種典型的無線傳感器設(shè)備節(jié)點，可直接獲取周圍環(huán)境的溫、濕度信息及自身的供電電壓值，并將上述信息發(fā)送給主機(jī)設(shè)備直觀顯示出來。對傳感器設(shè)備節(jié)點的功率消耗進(jìn)行了討論，針對無線獨立設(shè)備的工作特征，提出了普適性的無線數(shù)據(jù)吞吐率及工作占空比兩個基本參數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立了一般功耗模型，并通過了實驗驗證。研究成果對一般無線傳感器設(shè)備的功耗分析及優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。