移动智能终端功耗优化设计与测试
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5G 技术、无线通信集成电路的发展和移动智能终端的能力提升，大幅提升了移动通信的计算存储能力，也推动了智能终端市场的发展和销售量的不断增加[1]。移动智能终端将计算机、通信和娱乐功能合为一体，可以实现语音通话、多媒体通信和数据传输，具有便携性和智能性。移动智能终端包括智能手机、平板电脑以及可穿戴设备等。这些产品通过无线网络连接到互联网，除了在日常生活中得到广泛应用外，在生产制造、医疗健康和教育等领域也有广阔的发展空间。以智能手机为例，根据Strategy Analytics 发布的数据，2022年全球智能手机出售量达12.5亿部。在中国，智能手机用户数已超过9.7亿。
在市场需求的推动下，移动智能终端的性能和功耗逐年提高[2]。目前，市面上的移动智能终端大多采用电池供电，电池电量受电池技术、材料和工艺、电池自身体积、终端的便携性和移动性等因素的制约[3]。电池电量的增长跟不上设备性能的提高，使续航时间成为终端体验的最大瓶颈，影响了终端的应用与发展。就目前情况来看，最适合延长设备续航时间的方法就是在保证终端电量一定的情况下，优化功耗，节约系统能量。
经验数据显示，访问无线网络是移动智能终端功率消耗大的重要因素。据此，该文提出从软件角度对移动智能终端访问网络的功耗进行精细管理，从而延长续航时间，并通过测试试验加以验证。
1 移动智能终端访问网络功耗研究
移动智能终端是一类具有智能操作系统的嵌入式计算机设备，可以实现多媒体处理和人机交互等多种功能，目前正在成为5G 和人工智能等新技术的重要载体，应用场景非常广泛。其所具有的便携性、多功能性和网络化，通过连接无线网络与互联网，用户可以随时随地获取信息，在满足人们日常需求的同时也提高了工作效率。
因为具有了访问网络的功能，以智能手机为代表的移动智能终端的使用时长空前提高，很多终端的日常作业时间超过20h 。设备性能的不断提升加大了功率消耗，而电池储能技术发展相对滞后，严重影响了用户的使用体验和行业的进一步发展。
在电池技术短时间内难以突破的情况下，就需要通过降低功耗来延长续航时间。移动智能终端的功率消耗主要来自硬件资源的能耗（包括CPU 、存储器、显示屏幕和传感器
等）和通信功能的能耗（包括Wi-Fi 、蓝牙和移动数据等）
。通常认为长时间使用移动智能终端的软件和功能才会
造成功率消耗，但功耗最直接的来源是用户的操作行为，它是通过运行软件产生的，而软件功能的使用要通过底层硬件来实现，因此真正消耗功率的还是底层软件。因为软件功能和底层硬件之间的关联性，所以优化软件功耗就具有了重要的实用价值。在分析移动智能终端功率消耗的过程中，可以从软件功能的使用方面来分析终端如何产生功耗、何种软件功能造成的功耗更大以及如何有效降低功耗。
以智能手机为例，用户在使用过程中打开一个新的应用程序时，常常不会及时关闭上一个应用程序，这就导致经常会同时打开多个应用程序，但是用户很少会注意这些程序是否在后台继续运行。运行的程序数量越多，CPU 的负荷越重，如果未能及时关闭这些程序，就会导致手机的耗电增加。因此通过及时关闭未在使用中的应用程序，降低CPU 负荷可以达到降低功耗的效果。但移动智能终端最大的功率消耗因素还不是一直运行的各类软件，而是网络访问模式的不断切换。
为了实现上网，智能手机一般会提供3类移动网络访问模式。第一，使用移动数据上网；第二，连接Wi-Fi 上网；第三，使用移动热点、蓝牙共享和USB 共享等。由于使用移动数据上网会花费手机的流量，如果超出流量，将产生额外的费用。使用移动热点等方式同样会花费手机的流量，还会造成手机发热、电量消耗快等问题，因此在3种模式中通常会以连接Wi-Fi 上网的模式为主。
但是，当智能手机脱离了固定的环境、处在移动状态或未知环境中，会因为网络环境和通信质量的变化，又自主地切换到使用移动数据上网的网络访问模式。随着位置的不断变化，智能手机可能在已知环
境和未知环境中来回转换，在该过程中也要不断切换访问网络的模式。该模式切换正是智能手机最主要的功率消耗因素。因此，如何有效控制访问网络模式切换中的功率消耗，并缓解用户的终端续航焦虑，是控制智能手机等移动智能终端功率消耗的最重要工作。
2 移动智能终端功耗优化设计
以CPU 为例，由于用户没有及时关闭未在使用中的应用程序，因此导致CPU 的负荷加重，成为增加移动智能终端功率消耗的重要因素之一。而由于位置变化引起网络环境和通信质量变化导致的访问网络模式的频繁切换，则成为增加移动智能终端功率消耗的最主要因素。为此，该文以智能手机为例，从上述2个角度入手，分别在软件上设计对应的
移动智能终端功耗优化设计与测试
陈 婷
（福建信息职业技术学院，福建  福州  350000）
摘  要：随着5G 时代的到来，移动智能终端的应用日益广泛，其承载的功能也越来越丰富。用户在享受移动智能终端带来便捷的同时，也面临设备续航能力不足的问题。该文对如何进行移动智能终端功耗优化进行了研究，首先分析了引起终端功率消耗的主要因素，其次设计了软件功耗优化方案：第一，及时
清除后台未使用的程序；第二，访问网络模式切换控制。对比测试结果显示，优化后的终端功耗明显降低，续航能力有效提升。关键词：移动智能终端；功耗优化；访问模式切换；功耗测试中图分类号：TN 929    文献标志码：A
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功耗优化方法，来尽可能地节省设备的功耗，改善系统的续航表现。
首先，优化一。针对后台未在使用中的程序堆积过多的问题，在智能手机的内存中植入常驻的清除程序，定时搜索已不使用但仍处于运行状态的软件，对满足清除条件的进行强制关闭，让CPU 进入省电状态，从而达到节省功耗的目的。清除程序的执行流程如图1所示。
图1  清除程序的执行流程
每隔120s系统自动执行一次清除程序
判断非主运行软件运行时间
判断非主运行软件运行时间近120s 内访问次数
强制关闭满足清除条件的软件
从图1可以看出，清除程序每隔120s 自动执行一次。执行时先确定非主运行软件的已运行时间，判断其是否超过运行时间判断阈值，具体操作如公式（1）所示。
><=T t T t Sym 101                              （1）式中：
t 为非主运行软件已运行的时间；T 为设定的运行时间判断阈值；
Sym 1为第一个标识符。当非主运行软件已运行时间小于时间判断阈值，
Sym 1标识符标记为0；当非主运行软件已运行时间大于时间判断阈值，Sym 1标识符标记为1。
接下来进一步确定非主运行软件近120s 内的访问次数，判断其是否超过设定的访问次数，具体操作如公式（2）所示。
<>=N
n N n m S 10y 2
（2）式中：
n 为非主运行软件近120s 内的访问次数；N 为设定的访问次数的判断阈值；
Sym 2为第二个标识符。当非主运行软件近120s 内的访问次数大于访问次数的判断阈值，Sym 2标识符标记为0；当非主运行软件近120s 内的访问次数小于访问次数的判断阈值，Sym 2标识符标记为1。
如果非主运行软件的第一个标识符Sym 1
和第二个标识符Sym 2同时满足为1，则判定该软件为后台未在使用中的应用软件，对其进行强制关闭处理，具体如公式（3）所示。
<>=other 0&&1N
n T t Close
（3）
其次，优化二。为减少由网络访问模式的
不断切换引起的高功耗，在智能手机的内存中植入常驻的访问网络模式切换控制程序。如前所述，智能手机通常会选择连接Wi-Fi 上网的模式访问网络。当位置信息发生改变时启动切换判断程序，通过智能手机的定位功能获取当前位置信息，并结合存储的经验
Wi-Fi 配置的位置信息，判断当前位置是否存在有效Wi-Fi ，从而决定智能手机是否进行访问网络模式切换。该优化方案可以最大限度地减少访问网络模式的切换次数，避免消耗大量电量。访问网络模式切换控制程序的执行流程如图2所示。
图2  访问网络模式切换控制程序的执行流程
发现位置改变启动切换判断程序
获取当前位置信息
判断当前位置是否存在有效Wi-Fi
有则选择Wi-Fi 模式无则选择其他
从图2可以看出，借助终端的定位功能，控制程序如果
发现带有经验标记的Wi-Fi 包括当前位置时，直接选择该访问模式，不再进行多余的搜索；如果没有，则选择其他访问模式。该操作可以避免频繁切换访问网络模式，有效降低智能手机的功耗。
3 移动智能终端功耗优化测试与结果分析
完成功耗优化程序设计后，需要对程序执行效果进行测试。主要测试对后台未在使用中的程序的清除和采取访问网络模式切换控制后移动智能终端功耗的优化情况。为此该文进行了3组测试试验。
第一组测试试验，分别记录植入清除程序前和植入清除程序后，在智能手机后台运行的未在使用中的软件数量的变化，结果如图3所示。
对比2条曲线可以看出，在没有采取优化措施前，智能手机后台运行的未使用软件的数量一直保持在高位，为6~14个。采用该文设计的优化清除程序后，未使用软件的数量明显下降，为1~4个，有效地降低了系统功耗。
图3  智能手机后台运行的未使用软件数量
16 14 12 108 6 4 2 09:00
10:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00
手机运行时段
优化前
优化后
后台未使用的软件数量/个
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第二组测试试验，对比采取该文设计的2项优化措施前、后智能手机功耗下降的情况，结果如图4所示。
从图4可以看出，采取该文设计的优化措施后，智能手机的功耗显著下降。9:00时功耗下降30%，13:00时功耗下降了78%，极大地保存了手机电量，为缓解功耗焦虑创造了基础条件。
第三组测试试验，对比采取该文设计的2项优化措施前后智能手机续航时间的变化情况，结果如图5所示。
对比2条曲线可以看出，9:00时，没有优化前智能手机续航时间为22h ，其后随时间推移续航时长快速下降，到13:00时，续航时间降为12h ，其后继续下降，到17：00，续航时间只余1h 。采取该文功耗优化方法后，曲线趋于平缓，智能手机的续航时间下降幅度明显放慢。至17:00，续航时间仍然保持在12h 左右。
4 结语
该文剖析了移动智能终端访问网络时的功耗主要来源
于后台未及时关闭的程序和网络访问模式的不断切换。在该基础上，从软件入手，采取2项针对性优化措施。第一，及时清除后台未使用的程序；第二，访问网络模式切换控制。3组测试结果显示，采用该文功耗优化方案后，智能手机后台运行的未使用程序数量大幅减少，功耗下降明显，续航时间显著提升，达到了预期的研究目的。
参考文献
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[2]Tang H，Tang Y，Wan Z，et al.Review of applications and developments of Ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling[J].Applied energy，2018，223（15）：383–400.
[3]李秀凤，吴建辉，李艳.基于WiFi 的移动智能终端低功耗研究与改进[J].龙岩学院学报，2018，36（5）：23-30.
图5  智能手机的续航时间变化
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
手机运行时间段
优化前
优化后
手机续航时间/h
24 21 18 15 12 19 16 13 0图4  智能手机功耗降低幅度
9:00
10:00
11:00
12:00
计算机功耗
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
手机运行时间段
手机功耗/%
80 70 60 50
40 30 20 10 0
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