短距离无线数据低功耗传输协议分析

有数据需要进行传输时，从设备接收到信标后直接进入下一周期的休眠时间，而主设备等待Twait后没有收到从设备的任何数据，也会进入下一个周期的休眠时间。在这种情况下，由于从设备会比主设备早休眠Twait的时间，因此从设备的休眠时间为Twait+Tsleep。另外为了防止失去同步，从设备醒来后就将射频模块设置为接收状态，直到接收到信标帧，或者超时继续进入休眠。这个超时阈值至少为Tsleep，从而保证了重新同步。如果从设备N次都没有收到信标帧，可以认为周围没有主设备，因此可以进行一次长时间的休眠Thibernate。具体流程如图3所示。

图3 低功耗改进后的主、从设备软件流程

经过该协议优化后，主、从设备在一个周期内的工作状态如图4所示。

改进前的平均工作电流：

图4 改进前后主从设备无数据传输时一个周期内的工作状态

改进后的平均工作电流：

表1 2.7 V工作电压下测得的主、从设备工作电流

其中：

射频模块接收状态时的工作电流IRF(Rx)≈37 mA；
射频模块发送状态时的工作电流IRF(Tx)≈30 mA；
射频模块深度睡眠的工作电流IRF(sleep)≈35 μA；
处理器正常工作电流Imcu≈2 mA；
处理器休眠工作电流Imcu(sleep)≈5 μA；
射频模块发送1个数据包需要的最大时间Td≈4 ms。

因此，当Twait=5 ms，Tsleep=200 ms时，I后（主）≈1.58 mA，I后（从）≈0.79 mA。远小于改进前的I前≈39 mA。

4 实验结果和总结

采用了低功耗的传输协议后，在Tsleep分别为200 ms、500 ms和1 s情况下，无数据传输和每10 s互传一个数据 包时测量得到的电流如表1所列。可见，采用了低功耗的传输协议后在保证了数据可靠、稳定传输的同时，大大降低了设备的功耗。休眠时间Tsleep 增大，功耗就会下降，同时数据传输的延时性就会增加。而且当只有从设备在工作时，Tsleep太长反而会增大从设备的功耗。一般地，只有满足：

才能保证主设备不工作时，从设备功耗不会增加。上式中N表示多次未收到信标就进行一次Thibernate的长时间休眠。在实际应用中可以根据需要找到最优点。