【内容摘要】随着微电子技术的迅速发展，使得嵌入式系统体系越来越完善。本文分析了嵌入式技术的发展; 嵌入式电子通信设备节能控制系统组成，控制系统主要包括传输端、控制端、应用端、终端; 阐述了嵌入式技术在电子通信的电源调度管理、电子通信功耗降低、安全功耗降低、显示功耗降低等方面的应用实例。
【关键词】嵌入式技术; 电子通信; 节能控制
系统微处理器出现在 20 世纪 70 年代，随着微处理器的出现使得微型机可以在对象体系中嵌入并且实现对对象体系的智能化控制。最初的嵌入式定义如下: “以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统”。随着微电子技术的迅速发展，计算机技术和各行各业的相互融合越来越深入，加快了嵌入式技术的应用和发展，也使得嵌入式系统体系越来越完善。嵌入式技术在发展过程中融合了计算机技术、微电子技术及软件技术等，本文主要研究嵌入式技术在电子通信节能中的应用。
一、嵌入式技术的发展概述
( 一) 微处理器是嵌入式系统的基础。发展之初的嵌入式技术主要应用在自动化控制、仪表控制及工业装备等方面，随着嵌入式技术的发展，当前的嵌入式技术已经应用在了虚拟现实、人脸识别、智能家具、自动驾驶、机器人、智慧城市等多个方面和场景。2010 年之后，嵌入式系统芯片的发展也十分迅速，芯片的复杂度表现出指数升级的现象，出现了应用场景的定制专用处理器。随着嵌入式技术的发展，为了满足可信任性、安全性等方面的需求，仍然加强对嵌入式技术的探索。
( 二) 计算机技术是嵌入式系统的核心。嵌入式系统的发展需要计算机软硬件技术的支撑。微处理器诞生之初形成了以 CPU 为核心、集成各种 I/O 接口的微控制器，在家电及工业控制中快速应用。21 世纪形成了以 CPU、GPU 为核心嵌入式系统，实现了工业的可视化控制。2010 年 形 成 了CPU、DSP、GPU 为核心的可视 化 移 动 通 信 嵌 入 式 系 统，促 进了智能手机的快速发展，出现了智能手机的热潮。2017 年诞生了神经网络处理器，该处理器已经应用到了智能手机 So C中，增强了智能手机的智能拍照及人脸识别等功能。技术的创新提升了嵌入式技术的活力，并且丰富了嵌入式系统的功能，提高了嵌入式系统的应用能效。
( 三) 软件技术是嵌入式系统的灵魂。嵌入式技术的主要特征是软硬件协同，除了硬件技术之外，软件技术的发展也十分重要。软件的编程语言早期以汇编、C 语言为主，现阶段已经发展到了 JAVA、C + + 、Python 等编程语言，同时嵌入式系统如嵌入式 Linux、Vx Works 也发展势头良好。现阶段，嵌入式软件以 Android 手机终端生态、以 ROS 机器人生态、以Apollo 无人驾驶生态等为代表，这些嵌入式软件的发展，为嵌入式系统的应用提供了灵魂。嵌入式系统的发展需要软件和硬件技术的深度融合，可信软硬件生态协同设计将成为研究热点。
二、嵌入式技术在电子通信节能中的应用分析
( 一) 嵌入式电子通信设备节能控制系统框架。嵌入式电子通信设备节能控制系统框架主要包括传输端、控制端、应用端、终端。传输端的主要作用是实现通信数据的传输;控制端主要包括设备控制器，控制端根据嵌入式理论，通过软硬件相结合的控制方式实现电子通信设备的节能控制; 终端主要包括网关服务器和无线通信设备，主要功能是嵌入式数据的通信和解析; 应用端主要负责对嵌入式通信设备的线路监控、设备监控、环境监控。传输端是嵌入式电子通信设备节能控制系统的核心，传输端主要包括一个控制芯片，芯片控制不同的嵌入式设备，传输端与控制端的链接通过不同的总线传输接口，如 RS488 总线、RS232 总线等; 网关服务器是传输端、控制端、终端、应用端的通信枢纽。应用端获取嵌入式电子通信设备的数据，数据终端的传输协议为 TCP/IP协议。传输端的芯片采集电子通信设备的相关运行信息，将这些信息传输至设备控制器、处理器，处理器根据设备相应的节能需求下达相应的节能指令。嵌入式电子通信设备节能控制系统的软件包括多个功能模块，如用户界面( 用户登录、用户注册、系统退出) 、节能控制界面( 节能控制方案、节能控制结果) 、嵌入式设备信息查询功能模块、系统使用说明功能模块等。通过该系统可以实时显示电子通信设备的运行状态及节能效果图。
( 二) 电子通信节能低功耗方案设计。为了实现电子通信节能的低功耗要求，必须根据电子通信设备运行的具体情况实现节能操作。在嵌入式平台下，设定软硬件环境及电子通信设备的系统状态和实施策略。基于实际需求将电子通信设备的运行状态定义为 On、Sleep、Deep_sleep、Off 四种状态。当状态为 On 时，电子通信设备正常运行，设备的用户程序也全部在运行状态。当系统状态为 Sleep 时，设备处于关闭状态。当系统状态为 Deep_sleep 时，只有一些特定的硬件处于中断模式，其余设备全部处于关闭状态。当系统状态为Off 时，此时的设备全部处于断电状态，功耗为零。如果电子通信设备在某段时间内比较空闲，不需要执行核心功能程序，则可以让相应的设备停止工作，嵌入式微处理的时钟信号不停止，此时进入 Sleep 状态。在 Deep_sleep 状态下，嵌入式微处理的时钟信号关闭，节能效果更好。当系统处于 On 状态时，需要不断监控嵌入式微处理的运行状态和通信系统的请求来判定是否让通信系统进入 Sleep 状态，Sleep 状态的功耗水平较低，如果接收到通信请求则通信系统由 Sleep 状态唤醒到 On 状态。系统从状态 On 转换到 Deep_sleep 需要用户进行手动触发。系统处于 Sleep 状态时，如果 Sleep 状态保持超过一定的时间阈值则系统可以自动切换到 Deep_sleep 状态。从 Deep_sleep 唤醒到 On 状态，必须按照系统启动的流程从启动代码开始运行，并且系统在启动时，不要重复初始化硬件，否则将会延长系统的唤醒时间。
( 三) 节能效果分析。为了实际分析嵌入式电子通信节能控制系统的节能效果，以基于通信协议的节能控制系统、分布式管理节能控制系统为对比，分析嵌入式电子通信节能控制系统的节能应用效果。选择 3 台电子通信设备作为研究对象，3 台设备正常工作 48h 并记录相应的能耗，3 台设备的 实 际 能 耗 分 别 为 5. 164k W • h ( 额 定 功 率 110W ) ，43. 7k W•h ( 额 定 功 率 1k W ) ，1204. 7k W • h ( 额 定 功 率20k W) 。将嵌入式电子通信节能控制系统、基于通信协议的节能控制系统、分布式管理节能控制系统分别应用在上述 3 台设备中，记录 48h 的节能控制结果，设备 1 应用嵌入式电子通信节能控制系统后的总能耗为 4. 7112，设备 1 应用基于通信协议的节能控制系统后的总能耗为 4. 9255，设备 1 应用分布式管理节能控制系统后的总能耗 5. 3826; 设备 2 应用嵌入式电子通信节能控制系统后的总能耗为 32. 4，设备 2 应用基于通信协议的节能控制系统后的总能耗为 38. 1，设备 2 应用分布式管理节能控制系统后的总能耗 42. 9; 设备 3 应用嵌入式电子通信节能控制系统后的总能耗为 975. 2，设备 3 应用基于通信协议的节能控制系统后的总能耗为 1032. 7，设备 3 应用分布式管理节能控制系统后的总能耗 1106. 9。根据上述的数据分析可知，设备 1、设备 2、设备 3 应用嵌入式电子通信节能控制系统之后，系统的能耗降低幅度最大，节能控制效果优于基于通信协议的节能控制系统、分布式管理节能控制系统。由此可以判定，嵌入式电子通信节能控制系统可以显著降低电子通信设备的能耗，节能效果最优。
三、应用举例分析
( 一) 在电源调度管理中的应用。控制和降低能耗的常用方式为单个或多个任务处理单元的调度，一些轻量级的嵌入式技术可以关闭电子通信系统中未处于工作状态的设备，从而降低能耗，实现节能的目的。相关研究已经表明，通过系统进行电源管理至少可以节约 50% 的电力。部分学者已经提出了电池感知静态调度计划，通过该计划可以优化放电功率配置文件，实现变电压的空闲时间重新分配，降低电池的平均放电率，最终实现节能。在嵌入式 Linux 平台中，核心处理器及设备的选择根据实际需求进行，并根据 APM 和 AC-PI 机制，利用 apm 和 acpi 模块实现电源节能管理。
( 二) 在电子通信功耗降低中的应用。电子通信系统的芯片总线产生功耗的主要来源为无线通信，应用总线编码技术可以降低控制能耗，同时增加数据的吞吐能力。此外，通过低功耗需求的路由协议移动网络可以选择最小功耗协议，提升路径带宽。
( 三) 用于降低安全功耗。电子通信中的安全协议包含了复杂的计算，数据传输的环境具有不确定性，因此，必然要应用嵌入式安全协议。但是，一些传统的安全协议嵌入其中往往存在空间存储空间不足、缺乏有效的计算机单元等问题，再由于电力资源的限制因素，因此需要采用一些低功耗的安全协议。应用嵌入式的低功耗安全协议可以提高低功耗无线传感器网络的执行力。
( 四) 用于降低显示功耗。嵌入式电子通信控制系统在应用过程中，用户之间的互动十分必要，并且需要借助相应的屏幕实现互动，因此，显示器会消耗相应的能耗，为了降低能耗目前已经研发出了嵌入式低功耗图形用户界面及低功耗人际交互技术。目前应用的手持嵌入式系统主要为 LCD液晶显示器，为了降低显示器的能耗，已经开发了低功耗液晶显示方案，通过对比度和亮度增强背光亮度的明暗技术从而降低功耗。
四、结语
当前嵌入式技术的发展较为迅速，并且广泛应用，本文主要分析了嵌入式技术在电子通信节能中的应用，分析了嵌入式电子通信设备节能控制系统框架及应用的具体实例，相信随着嵌入式技术的发展将会不断提高电子通信设备节能效果。
作者：高敏 单位：陕西国防工业职业技术学院
