CN104333891A - 一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片及其方法，所述通信芯片包括WiFi通信模块和无源唤醒模块；所述WiFi通信模块包括微控制器、WiFi射频收发电路、WiFi基带处理器和电源供应单元。所述方法包括(1)传感器定时采集电力设备数据；(2)数据集中器向通信芯片发射数据传输请求信号；(3)通信芯片接收到请求信号后，判断是否需要唤醒；(4)唤醒信号生成，从睡眠状态中恢复到正常工作模式；(5)数据传输完毕，通信芯片自动转为睡眠状态。通过外加独立的无源唤醒模块，使得WiFi通信模块可以在不工作时完全处于关闭状态，而不需要定时检查是否有新的数据传输任务，大大降低整个通信系统的功耗。

Description

一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片及其方法
技术领域
本发明涉及一种WiFi通信芯片，具体讲涉及一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片及其方法。
背景技术
为了保证电力系统的可靠性和稳定性，长期以来，电网公司都对电力设备执行定期检修制度，这种根据计划时间周期对设备进行维护和检修，不仅耗时耗力，影响工业生产和居民生活，而且很容易出现检修过度和检修不足的弊病。随着智能电网的建设与发展，电网中各个电力设备的状态监测开始全面走向自动化、智能化。通过在电力设备上配置相应的传感器与通信芯片，采集并传输设备的实时状态信息，为电力设备管理提供基础数据支撑，可实现电力设备智能自诊断功能，在减轻了设备检修负担的同时，进一步保障了电网的运行安全。
在各种应用于电力设备状态检测的通信技术中，WiFi技术因其属于无线通信，不需要铺设通信路线，同时具有传输数据率高，传输距离适中，直接支持TCP/IP协议，联网成本低等优势，成为最适合于电力设备状态监测的通信方式之一。但目前基于WiFi的无线通信系统普遍存在功耗较高的问题，而电力设备状态监测中普遍采用电池供电。如果不进行有针对性的低功耗优化，电池电量将很快耗尽，无法达到3-5年的最低使用年限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片及其方法，通过无源唤醒模块控制WiFi通信模块何时从功耗极低的睡眠模式中恢复，由此保证WiFi通信模块在需要传输数据时正常工作，而没有传输数据时，将整个通信系统尽可能维持在睡眠模式，同时因为无源性，唤醒模块不会额外消耗任何能量，进而使得整个WiFi通信系统的功耗大大降低。将其使用在电力设备状态监测系统中，电池使用寿命将得到极大的提高，避免了系统进行频繁的维护与更新。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片，其改进之处在于，所述通信芯片包括WiFi通信模块和无源唤醒模块；
所述WiFi通信模块包括微控制器、WiFi射频收发电路、WiFi基带处理器和电源供应单元；
所述无源唤醒模块包括电源恢复电路、电源稳压电路、启动信号产生电路、时钟产生器、控制逻辑电路、存储器和数据解调电路；
所述电源供应单元分别与微控制器、WiFi射频收发电路、WiFi基带处理器连接；
所述存储器及控制逻辑电路分别与电源恢复电路、启动信号产生电路、时钟产生器、数据解调电路相连接；电源恢复电路分别与电源稳压电路、启动信号产生电路、时钟产生器、数据解调电路相连接。
优选的，所述WiFi基带处理器分别与微控制器、WiFi射频收发电路连接。
优选的，所述电源恢复电路分别与电源稳压电路、启动信号产生电路、时钟产生器、数据解调电路相连接。
优选的，所述通信芯片处于睡眠模式，微控制器控制电源供应单元停止对WiFi射频收发电路和WiFi基带处理器的电源供应。
优选的，所述通信芯片接收到有效唤醒信号，微控制器控制电源供应单元恢复对WiFi射频收发电路和WiFi基带处理器的供电。
本发明基于另一目的提供的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法，其特征在于，所述方法包括
(1)传感器定时采集电力设备数据；
(2)数据集中器向通信芯片发射数据传输请求信号；
(3)通信芯片接收到请求信号后，判断是否需要唤醒；
(4)唤醒信号生成，从睡眠状态中恢复到正常工作模式；
(5)数据传输完毕，通信芯片自动转为睡眠状态。
优选的，所述步骤(2)包括主站需要读取电力设备当前状态，通过连接主站的数据集中器，向区域内的通信芯片发射数据传输请求信号，其中，数据传输请求信号为射频信号。
优选的，所述步骤(3)包括
(3.1)无源唤醒模块探测到数据传输请求信号，电磁波能量通过电源恢复电路和电源稳压电路，部分转化为稳定的电源电压，供应给模块中其它各子电路；
(3.2)电源电压恢复到电路正常工作阈值范围内，启动信号产生电路将产生一个启动信号，各子电路开始正常工作；
(3.3)数据解调电路捕获数据传输请求信号并将其解调为数字信号，输出至控制逻辑电路与存储器；
(3.4)解调后的数字信号中包含相应的唤醒信息，控制逻辑电路将输出相应的响应结果，与无源唤醒模块存储器中存储的设备ID进行匹配，确定当前设备的传感器数据是否需要被读取。
优选的，所述步骤(4)包括
匹配成功，则根据相应的设备ID，等待一段时间后，生成有效唤醒信号，唤醒WiFi通信模块，读取传感器中数据，传输至数据集中器。
优选的，所述步骤(5)包括当数据传输结束时，通信芯片会自动恢复到睡眠状态，微控制器控制电源供应单元停止电源供应。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1、通过外加独立的无源唤醒模块，使得WiFi通信模块可以在不工作时完全处于关闭状态，而不需要定时检查是否有新的数据传输任务，大大降低整个通信系统的功耗。
2、无源唤醒模块所需的能量由外界射频信号提供，不会给系统增加任何额外的功耗。
3、无源唤醒模块与WiFi通信模块集成在同一芯片上，降低最终产品外围电路的复杂性度，并降低最终产品的成本。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信系统结构图。
图2为本发明提供的WiFi通信模块的结构示意图。
图3为本发明提供的无源唤醒模块的结构示意图。
图4为本发明提供的通信芯片工作状态变化示意图。
图5为本发明提供的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法流程图。
图6为发明提供的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法在电力设备状态监测系统中的一个应用实例示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片，通信芯片内包括WiFi通信模块和无源唤醒模块，当通信芯片不需要进行数据传输时，WiFi通信模块处于关闭状态，通信芯片进入睡眠模式。当外界对通信芯片发出数据传输请求，无源唤醒模块对数据传输请求信号进行处理，如果处理结果表明应唤醒当前WiFi通信模块，则产生一个唤醒信号发送给WiFi通信模块，整个系统迅速恢复到工作模式。
如图2所示，WiFi通信模块包括微控制器、WiFi射频收发电路、WiFi基带处理器、电源供应单元，其中电源供应单元分别与微控制器、WiFi射频收发电路、WiFi基带处理器连接，微控制器分别与WiFi基带处理器、WiFi射频收发电路连接，WiFi基带处理器与WiFi射频收发电路连接。
如图3所示，无源唤醒模块包括电源恢复电路、电源稳压电路、启动信号产生电路、时钟产生器、控制逻辑电路、存储器、数据解调电路，存储器及控制逻辑电路分别与电源恢复电路、启动信号产生电路、时钟产生器、数据解调电路相连接，电源恢复电路分别与电源稳压电路、启动信号产生电路、时钟产生器、数据解调电路相连接。
如图4所示，当通信芯片处于睡眠模式，微控制器控制电源供应单元停止对WiFi射频收发电路和WiFi基带处理器的电源供应，当通信芯片接收到有效唤醒信号，微控制器控制电源供应单元恢复对WiFi射频收发电路和WiFi基带处理器的供电。并依次启动射频收发电路与基带处理器，通信芯片进入正常工作模式，开始与外界进行数据传输交互，当数据传输结束时，通信芯片会自动恢复到睡眠模式。
如图5所示，本发明一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法具体流程为：
(1)传感器定时采集电力设备数据；
(2)数据集中器向通信芯片发射数据传输请求信号；
主站需要读取电力设备当前状态，通过连接主站的数据集中器，向区域内的通信芯片发射数据传输请求信号，其中，数据传输请求信号为射频信号。
(3)通信芯片接收到请求信号后，判断是否需要唤醒；
(3.1)无源唤醒模块探测到数据传输请求信号，电磁波能量通过电源恢复电路和电源稳压电路，部分转化为稳定的电源电压，供应给模块中其它各子电路；
(3.2)电源电压恢复到电路正常工作阈值范围内，启动信号产生电路将产生一个启动信号，各子电路开始正常工作；
(3.3)数据解调电路捕获数据传输请求信号并将其解调为数字信号，输出至控制逻辑电路与存储器；
(3.4)解调后的数字信号中包含相应的唤醒信息，控制逻辑电路将输出相应的响应结果，与无源唤醒模块存储器中存储的设备ID进行匹配，确定当前设备的传感器数据是否需要被读取。
(4)唤醒信号生成，从睡眠状态中恢复到正常工作模式；
匹配成功，则根据相应的设备ID，等待一段时间后，生成有效唤醒信号，唤醒WiFi通信模块，读取传感器中数据，传输至数据集中器。
(5)数据传输完毕，通信芯片自动转为睡眠状态。
当数据传输结束时，通信芯片会自动恢复到睡眠状态，微控制器控制电源供应单元停止电源供应。
实施例
如图6所示，为本发明一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法在电力设备状态监测系统中的一个应用实例，具体流程如下：
1、安置在多个不同电力设备中的温湿度传感器，定时采集这些电力设备的温湿度数据。
2、当主站需要读取相应电力设备当前的温湿度状态，则通过连接主站的数据集中器，向区域内的所有通信芯片发射数据传输请求信号，其中，数据传输请求信号为射频信号。
3、通信芯片接收到请求信号后，通过一定的唤醒流程来判断是否需要唤醒，一旦唤醒信号生成，则即刻从睡眠状态中恢复到正常工作模式，读取传感器中的温湿度数据，传输至数据集中器；
具体为：
(1)当无源唤醒模块探测到数据传输请求信号，其中的电磁波能量将通过电源恢复电路和电源稳压电路，部分转化为稳定的电源电压，供应给模块中其它各个子电路；
(2)当电源电压恢复到电路正常工作阈值范围内，启动信号产生电路将产生一个“启动信号”，各子电路开始正常工作；
(3)与此同时，数据解调电路捕获数据传输请求信号并将其解调为数字信号，输出至控制逻辑电路与存储器；
(4)如果解调后的数字信号中包含相应的唤醒信息，控制逻辑电路将输出相应的响应结果，并与无源唤醒模块存储器中存储的设备ID进行匹配，以确定当前设备的传感器数据是否需要被读取。
4、匹配失败则停止处理，一旦匹配成功，则根据相应的设备ID，等待一小段时间之后，生成有效唤醒信号，从而唤醒WiFi通信模块，读取温湿度传感器中的温湿度数据，传输至数据集中器。其中，等待一小段时间，主要用于防止当主站同时采集多个设备的温湿度数据时，不同通信芯片发射的数据发生碰撞。
5、在数据传输完毕后，本发明所述通信芯片又将自动转为睡眠状态。
由于一般情况下，电力设备的温湿度状态一个小时读取一次就已足够，所以本实施例中的功耗消耗很小，能够较好的保障3-5年的使用年限。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片，其特征在于，所述通信芯片包括WiFi通信模块和无源唤醒模块；
所述WiFi通信模块包括微控制器、WiFi射频收发电路、WiFi基带处理器和电源供应单元；
所述无源唤醒模块包括电源恢复电路、电源稳压电路、启动信号产生电路、时钟产生器、控制逻辑电路、存储器和数据解调电路；
所述电源供应单元分别与微控制器、WiFi射频收发电路、WiFi基带处理器连接；
所述存储器及控制逻辑电路分别与电源恢复电路、启动信号产生电路、时钟产生器、数据解调电路相连接；电源恢复电路分别与电源稳压电路、启动信号产生电路、时钟产生器、数据解调电路相连接。
2.如权利要求1所述的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片，其特征在于，所述WiFi基带处理器分别与微控制器、WiFi射频收发电路连接。
3.如权利要求1所述的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片，其特征在于，所述电源恢复电路分别与电源稳压电路、启动信号产生电路、时钟产生器、数据解调电路相连接。
4.如权利要求1所述的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片，其特征在于，所述通信芯片处于睡眠模式，微控制器控制电源供应单元停止对WiFi射频收发电路和WiFi基带处理器的电源供应。
5.如权利要求1所述的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信芯片，其特征在于，所述通信芯片接收到有效唤醒信号，微控制器控制电源供应单元恢复对WiFi射频收发电路和WiFi基带处理器的供电。
6.一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法，其特征在于，所述方法包括
(1)传感器定时采集电力设备数据；
(2)数据集中器向通信芯片发射数据传输请求信号；
(3)通信芯片接收到请求信号后，判断是否需要唤醒；
(4)唤醒信号生成，从睡眠状态中恢复到正常工作模式；
(5)数据传输完毕，通信芯片自动转为睡眠状态。
7.如权利要求6所述的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法，其特征在于，所述步骤(2)包括主站需要读取电力设备当前状态，通过连接主站的数据集中器，向区域内的通信芯片发射数据传输请求信号，其中，数据传输请求信号为射频信号。
8.如权利要求6所述的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法，其特征在于，所述步骤(3)包括
(3.1)无源唤醒模块探测到数据传输请求信号，电磁波能量通过电源恢复电路和电源稳压电路，部分转化为稳定的电源电压，供应给模块中其它各子电路；
(3.2)电源电压恢复到电路正常工作阈值范围内，启动信号产生电路将产生一个启动信号，各子电路开始正常工作；
(3.3)数据解调电路捕获数据传输请求信号并将其解调为数字信号，输出至控制逻辑电路与存储器；
(3.4)解调后的数字信号中包含相应的唤醒信息，控制逻辑电路将输出相应的响应结果，与无源唤醒模块存储器中存储的设备ID进行匹配，确定当前设备的传感器数据是否需要被读取。
9.如权利要求6所述的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法，其特征在于，所述步骤(4)包括
匹配成功，则根据相应的设备ID，等待一段时间后，生成有效唤醒信号，唤醒WiFi通信模块，读取传感器中数据，传输至数据集中器。
10.如权利要求6所述的一种基于无源唤醒的低功耗WiFi通信方法，其特征在于，所述步骤(5)包括当数据传输结束时，通信芯片会自动恢复到睡眠状态，微控制器控制电源供应单元停止电源供应。
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