智能手機(jī)的耗電特征及APP耗電量測(cè)試的兩種方法

美國(guó)著名手機(jī)公司Palm的CEO JonRubinstein曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“手機(jī)未來(lái)的發(fā)展取決于兩個(gè)因數(shù)，一是手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度;二就是手機(jī)待機(jī)時(shí)長(zhǎng)。”

為什么手機(jī)待機(jī)時(shí)長(zhǎng)如此重要呢?

現(xiàn)在，手機(jī)上網(wǎng)速度已經(jīng)有很大的提升，而且還在馬不停蹄的發(fā)展4G，5G。4G網(wǎng)絡(luò)可以將手機(jī)的上網(wǎng)速度提高到100Mbps以上，簡(jiǎn)單的說(shuō)，下載一首歌曲不用1秒鐘，下載一部電影不到1分鐘?，F(xiàn)在正在制定和規(guī)劃的5G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)手機(jī)上網(wǎng)的速度甚至可以達(dá)到1Gbps。所以可以想象，在數(shù)據(jù)速度不再受到限制的情況下，“智能手機(jī)”結(jié)合各種應(yīng)用軟件以及“云”計(jì)算，未來(lái)的手機(jī)將成為真正的“移動(dòng)終端”。手機(jī)身份證，手機(jī)銀行，手機(jī)錢包、手機(jī)交通卡，手機(jī)導(dǎo)航，手機(jī)智能駕駛……，所有的事情都使用這個(gè)“手機(jī)”通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成。

當(dāng)“手機(jī)”已經(jīng)變成了你時(shí)時(shí)刻刻都離不開(kāi)“終端”，手機(jī)沒(méi)電是不是非常致命?

導(dǎo)致手機(jī)的待機(jī)時(shí)間短的原因比較復(fù)雜，包括手機(jī)待機(jī)狀態(tài)功耗，通話時(shí)間，上網(wǎng)時(shí)間，無(wú)線信號(hào)強(qiáng)弱，GPS導(dǎo)航，顯示屏亮度，各種軟件后臺(tái)運(yùn)行，電池容量大小等都會(huì)影響待機(jī)時(shí)間。通常我們最關(guān)心的是手機(jī)從上一次充電到手機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)或提示電量不足的時(shí)間長(zhǎng)短。

要全面分析和優(yōu)化手機(jī)的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，手機(jī)、電池、充電管理一個(gè)都不能少，暫且讓我們稱它們是“手機(jī)三件套”吧。那就讓我們從手機(jī)的耗電特性開(kāi)始!

手機(jī)發(fā)展趨勢(shì)和耗電特性

智能手機(jī)越來(lái)越普及，硬件處理能力越來(lái)越強(qiáng)，支持的軟件應(yīng)用越來(lái)越多。

我們不免也有另一種擔(dān)心，現(xiàn)在的智能手機(jī)的待機(jī)時(shí)間已經(jīng)是一個(gè)短板，未來(lái)的智能手機(jī)待機(jī)時(shí)間變得更加短呢?

從理論上來(lái)說(shuō)，更大的顯示屏、更多核的處理器、更多樣化的無(wú)線連接技術(shù)等肯定會(huì)增加手機(jī)的耗電量。同時(shí)，手機(jī)的功能也越來(lái)越多，手機(jī)使用的頻率也會(huì)越來(lái)越頻繁，因此對(duì)手機(jī)的耗電性能進(jìn)行優(yōu)化和管理也變得更加重要。譬如在不操作手機(jī)時(shí)更快的進(jìn)入休眠，采用脈沖形式發(fā)射無(wú)線信號(hào)，非連續(xù)接收及非連續(xù)發(fā)射等。

為了優(yōu)化和改善手機(jī)的耗電，就必須先了解手機(jī)耗電的特征或發(fā)現(xiàn)手機(jī)存在哪些耗電性能上的缺陷，做到有的放矢。

手機(jī)耗電的特征可以歸納為以下幾個(gè)方面：

1.電流幅度波動(dòng)大：

a) 關(guān)機(jī)漏電流：～10 to 100nA

b) 休眠電流: ~100 μA to 10mA

c) 待機(jī)電流: ~5 to 50 mA

d) 接收狀態(tài): ~100 to 300 mA (脈沖)

e) 發(fā)射狀態(tài): ~1 to 2.5 A(脈沖)

f) 應(yīng)用軟件運(yùn)行：~100mA to 2A

2.電流變化的速度快、動(dòng)態(tài)大：

上圖是GPRS手機(jī)發(fā)射Tx和接收Rx的電流波形：

a) 發(fā)射TX電流脈沖為0.58 ms,電流 2.02A;

b) 接收RX 電流脈沖為1.2ms,電流143 mA

c) 連續(xù)發(fā)射Tx電流脈沖間隔為 4.6 ms;

d) 空閑Idle狀態(tài)的電流為1mA。

3.電流是多種功能綜合，難以區(qū)分是誰(shuí)引起的電流：

上圖是手機(jī)從Idle到顯示屏點(diǎn)亮，再到撥號(hào)打電話過(guò)程的電流波形;在顯示打開(kāi)且手機(jī)發(fā)射的位置，電流時(shí)二者疊加的組合電流。

4.通常需要長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)電流進(jìn)行跟蹤和觀察

如上圖需要測(cè)試手機(jī)通話時(shí)長(zhǎng)，要持續(xù)4個(gè)小時(shí)連續(xù)記錄電流、電壓的變化，分析通話過(guò)程消耗的電量(843mAh)，而且還需要準(zhǔn)確測(cè)量脈沖電流，往往變得非常困難。

應(yīng)用軟件在手機(jī)上的耗電

運(yùn)營(yíng)商為什么說(shuō)提出收取微信的費(fèi)用?

一般Android手機(jī)每天有超過(guò)15-20%的電量被消耗在發(fā)送過(guò)度頻繁的心跳上

微信，你一定不陌生吧?網(wǎng)上是這樣介紹微信的：

微信是一種更快速的即時(shí)通訊工具，具有零資費(fèi)、跨平臺(tái)溝通、顯示實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)等功能，與傳統(tǒng)的短信溝通方式相比，更靈活、智能，且節(jié)省資費(fèi)。針對(duì)圖片、語(yǔ)音和視頻優(yōu)化，1M可發(fā)約1000條文字信息，1000秒語(yǔ)音信息，約1分鐘視頻信息;微信有著精心設(shè)計(jì)過(guò)的通信協(xié)議，在后臺(tái)運(yùn)行時(shí)僅消耗極少流量，一個(gè)月消耗約1.7M流量。

此前，曾冒出來(lái)一條新聞?wù)f微信要開(kāi)始收費(fèi)。大家會(huì)好奇——為什么要收費(fèi)?誰(shuí)要收費(fèi)?收的是什么費(fèi)?下面我們來(lái)說(shuō)說(shuō)這個(gè)事兒。

微信是通過(guò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將文字、圖片、語(yǔ)音或視頻等內(nèi)容傳輸出去的，因此，只要通過(guò)WIFI或者數(shù)據(jù)包月就可以實(shí)現(xiàn)完全的免費(fèi)。因此，只要軟件開(kāi)發(fā)商如騰訊不收取軟件費(fèi)用，理論上用戶就沒(méi)有理由支付任何的費(fèi)用。

然而，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中由于用戶眾多、資源稀缺，每個(gè)用戶都是動(dòng)態(tài)占用資源，比如IP地址以及無(wú)線信道。為了實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，微信軟件采用向移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)周期性的發(fā)送資源分配請(qǐng)求，即使后臺(tái)運(yùn)行，也保持在線狀態(tài)。這種機(jī)制也稱作為“心跳機(jī)制”。

最早的心跳機(jī)制用于服務(wù)器的安全備份機(jī)制，是為了防止服務(wù)器死機(jī)，而在服務(wù)器之間采用專用的端口和線路，周期性傳送簡(jiǎn)短的信息，心跳就是形象的比喻。一旦收不到對(duì)方的心跳信息，服務(wù)器可以接管對(duì)方的業(yè)務(wù)，避免業(yè)務(wù)的停滯。為了業(yè)務(wù)的順暢進(jìn)行，服務(wù)器發(fā)送的心跳信息可以非常頻密。

這種機(jī)制被手機(jī)上的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所借用，無(wú)論是Android的原生應(yīng)用，還是QQ、微博和微信，都采用了這種心跳機(jī)制，也就是終端定時(shí)向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送簡(jiǎn)短的信息。諸如舊版QQ的心跳周期為30秒，新版QQ為3分鐘，微信為5分鐘，Google原生應(yīng)用為28分鐘左右。而手機(jī)每次發(fā)送心跳包，都需要移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為用戶分配資源，分配的過(guò)程體現(xiàn)在信令的發(fā)送和接收上。一次心跳包的發(fā)送過(guò)程，牽涉的信令多達(dá)幾十條。這些網(wǎng)絡(luò)資源分配的信令信息運(yùn)營(yíng)商是不能進(jìn)行收費(fèi)的，就好比手機(jī)撥電話沒(méi)有接通的時(shí)候，也是很多信令信息的交互而用戶不用付費(fèi)。

中國(guó)移動(dòng)研究院院長(zhǎng)黃曉慶在接受媒體采訪時(shí)，道出了微信業(yè)務(wù)給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)的壓力，稱微信僅為中國(guó)移動(dòng)帶了10%的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量，卻占用其60%的信令資源。這也被外界理解為向微信收費(fèi)的直接原因。

現(xiàn)在我們終于明白了，中國(guó)移動(dòng)等運(yùn)營(yíng)商為什么說(shuō)要收取微信的費(fèi)用?收發(fā)微信的內(nèi)容如圖片、語(yǔ)音或視頻等的數(shù)據(jù)流量費(fèi)用，這個(gè)已經(jīng)收取了(只是算在我們包月數(shù)據(jù)流量套餐里面)，還要收取微信的“心跳”費(fèi)用!

其實(shí)運(yùn)營(yíng)商也不想一想，沒(méi)有這種“心跳”，哪里后面的數(shù)據(jù)流量的收費(fèi)啊?

當(dāng)然，微信等創(chuàng)新的交流軟件平臺(tái)，的確是影響了運(yùn)營(yíng)商的短信、彩信甚至通話等收入，但這是歷史發(fā)展的趨勢(shì)，誰(shuí)也無(wú)法阻擋。

不管收不收費(fèi),這種“心跳”還意味著每天你的手機(jī)將被從待機(jī)省電狀態(tài)喚醒近300次，每次相當(dāng)于打一個(gè)幾秒鐘的電話。粗略測(cè)算，一般的Android手機(jī)每天有超過(guò)15-20%的電量被消耗在發(fā)送過(guò)度頻繁的心跳上。

為了延長(zhǎng)手機(jī)的待機(jī)時(shí)間，建議如果長(zhǎng)時(shí)間不用的話，還是連后臺(tái)運(yùn)行也關(guān)閉吧。

應(yīng)用軟件在手機(jī)上的耗電能測(cè)量嗎?

相信大家對(duì)某運(yùn)營(yíng)商投放的這段電視廣告應(yīng)該再熟悉不過(guò)了——“xxx手機(jī)已經(jīng)有10萬(wàn)個(gè)應(yīng)用程序”!與之相應(yīng)的是網(wǎng)絡(luò)上熱議的話題——5G技術(shù)最高理論下載速率可10Gbps。

這兩個(gè)信息提示我們“移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代”時(shí)代真的要來(lái)了……

“移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代”的手機(jī)就更加有理由成為真正意義上的“移動(dòng)終端”，在未來(lái)通信速度不再受限制的情況下，通過(guò)安裝什么樣的應(yīng)用軟件，手機(jī)就可以變成什么樣的終端。雖然在3G時(shí)代，通信速率還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到帶寬不受限制，但現(xiàn)在的“智能手機(jī)”走在“移動(dòng)終端”蛻變的路上，已經(jīng)有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的應(yīng)用軟件可以下載安裝，使手機(jī)變成各種功能獨(dú)特的“終端”。

手機(jī)之所以區(qū)別于電腦或其他通訊工具，最突出的優(yōu)勢(shì)就在于其移動(dòng)性、便攜性。而采用鋰電池供電又是其移動(dòng)性、便攜性的基礎(chǔ)，可以說(shuō)鋰電池的出現(xiàn)成就了手機(jī)，但鋰電池的容量瓶頸已經(jīng)讓手機(jī)待機(jī)時(shí)間短成為一個(gè)突出問(wèn)題。

其實(shí)，鋰電池的容量已經(jīng)出當(dāng)初的數(shù)百mAh提高到了現(xiàn)在的數(shù)千mAh,待機(jī)時(shí)間變得越來(lái)越短，根本原因在手機(jī)的耗電比原來(lái)大了更多，包括手機(jī)更耗電的硬件——之前的博文“手機(jī)發(fā)展趨勢(shì)和耗電特性”已經(jīng)做過(guò)相關(guān)的介紹。

另一個(gè)突出的變化就是手機(jī)需要安裝和運(yùn)行更多的應(yīng)該軟件，有些運(yùn)用軟件運(yùn)行時(shí)需要消耗大量的電能，如前面提到的微信，QQ，微博等。

應(yīng)用軟件需要消耗電量，大家都容易理解，但究竟哪個(gè)軟件耗電大，哪個(gè)耗電量小，如何定量的評(píng)估呢?估計(jì)這個(gè)問(wèn)題一直困擾著很多軟件開(kāi)發(fā)者。相比硬件的耗電非常的直觀，如顯示屏的亮度等級(jí)耗電是非常容易對(duì)比和測(cè)量。軟件的耗電比較抽象和難以測(cè)試，是因?yàn)檐浖仨氝\(yùn)行在手機(jī)硬件的基礎(chǔ)上，測(cè)量到的耗電量是軟件與手機(jī)的硬件綜合疊加的耗電總和。對(duì)于耗電來(lái)所我們無(wú)法認(rèn)為的剔除硬件的耗電而單獨(dú)測(cè)試軟件的耗電。

所以，如何測(cè)試軟件的耗電?我建議軟件開(kāi)發(fā)者可以有以下兩種方法：

一、橫向?qū)Ρ确ǎ悍謨刹綔y(cè)試，第一步測(cè)量手機(jī)硬件運(yùn)行消耗的電量;第二步測(cè)試手機(jī)硬件和軟件運(yùn)行綜合的耗電量。最后將兩次的耗電進(jìn)行對(duì)比，得出軟件消耗的電量大小;

二、縱向?qū)Ρ确ǎ和瑫r(shí)進(jìn)行兩臺(tái)手機(jī)，其中一臺(tái)手機(jī)不運(yùn)行軟件，另一臺(tái)手機(jī)運(yùn)行軟件;分別獲得兩臺(tái)手機(jī)的耗電量，對(duì)比兩臺(tái)手機(jī)耗電量差異，得出軟件消耗的電量大小。

這兩種方法在測(cè)試上有一定的差異，很多應(yīng)用軟件都是需要移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的支持，而手機(jī)接收的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)會(huì)隨時(shí)間變化的。

因此、第一種方法的誤差主要來(lái)源于手機(jī)在不同的基站網(wǎng)絡(luò)下工作狀態(tài)的變化。

第二種方法的差異則體現(xiàn)在兩臺(tái)手機(jī)本身硬件消耗的電量可能存在差異，所以需要盡可能使用同一型號(hào)，同一批次的手機(jī)。而且需要使用多通道的耗電測(cè)試儀表，如之前提到的安捷倫N6705B可以最多同時(shí)支持4臺(tái)手機(jī)并行測(cè)試。