如何最大限度提高 Wi-Fi/藍(lán)牙雙模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的電池續(xù)航時(shí)間

作者：Stephen Evanczuk

在設(shè)計(jì)電池供電型物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備和其他互連產(chǎn)品時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要滿足持續(xù)無(wú)線連接和更長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間這兩個(gè)相互沖突的需求。在同一設(shè)備中，同時(shí)需要藍(lán)牙5 和 Wi-Fi 連接的需求不斷增加，這使本已捉襟見肘的功耗限制雪上加霜。雖然 Wi-Fi和藍(lán)牙協(xié)議提供了有關(guān)幫助降低功耗的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但以架構(gòu)形式提供才是更直接的支持，在這種架構(gòu)中會(huì)將可分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)的無(wú)線電子系統(tǒng)與低功耗微控制器結(jié)合在一起。

本文將概述雙模 Wi-Fi/藍(lán)牙連接的重要性，并說(shuō)明它們?yōu)楹巫屛锫?lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化。隨后文中將展示來(lái)自 Cypress Semiconductor的開發(fā)板和相關(guān)軟件，以及如何使用它們來(lái)開發(fā)能夠持續(xù)連接并具有更長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間的雙模 Wi-Fi/藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

雙模 Wi-Fi/藍(lán)牙持續(xù)連接日益增長(zhǎng)的需求

對(duì)于旨在通過(guò)支持藍(lán)牙的智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備與用戶互動(dòng)的許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙連接被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)要求。然而，對(duì)于許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要Wi-Fi 連接來(lái)接入無(wú)線局域網(wǎng) （WLAN） 以直接訪問互聯(lián)網(wǎng)，或者與同一網(wǎng)絡(luò)上的其他對(duì)等設(shè)備和主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互。

在很多方面，如果這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只需要根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)或其他信息的需求而連接至 WLAN或藍(lán)牙主機(jī)，則開發(fā)人員就能夠更簡(jiǎn)單直接地延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。由于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的有效占空比通常較低，這些設(shè)備可以通過(guò)在多數(shù)情況下采用低功耗休眠模式運(yùn)行，喚醒足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)執(zhí)行傳感器測(cè)量、完成相關(guān)的處理任務(wù)并傳輸所得數(shù)據(jù)，然后再返回低功耗模式，以此來(lái)延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。在現(xiàn)實(shí)中，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都需要快速響應(yīng)來(lái)自對(duì)等設(shè)備、主機(jī)系統(tǒng)和終端用戶的異步傳入指令和數(shù)據(jù)。

為了保持響應(yīng)能力，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要在表面上提供持續(xù)連接，并一直保持檢測(cè)傳入流量，以便能夠在可接受的時(shí)間段內(nèi)作出響應(yīng)。如果開發(fā)人員試圖通過(guò)反復(fù)喚醒設(shè)備接收傳入流量來(lái)滿足這一基本要求，則設(shè)備的電池將很快耗盡。事實(shí)上，盡管單次發(fā)射操作消耗的電量更高，但隨著時(shí)間的推移，電池供電型Wi-Fi設(shè)備中的無(wú)線電接收器通常會(huì)比無(wú)線電發(fā)射器消耗更多的電量。當(dāng)然，設(shè)備主機(jī)處理器在每次接收操作中所消耗的電量也將其自身的大量負(fù)載添加到功耗預(yù)算中。幸運(yùn)的是，無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)定義了一些協(xié)議，讓開發(fā)人員在降低功耗的同時(shí)，還能從表面上保持持續(xù)連接。

無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)如何幫助設(shè)備降低功耗

在正常操作中，Wi-Fi 接收站 （STA） 通過(guò)關(guān)閉其大部分 Wi-Fi 子系統(tǒng)來(lái)節(jié)省電量。由于接入點(diǎn) （AP） 會(huì)緩存休眠 STA的幀，因此不會(huì)丟失消息。作為其正常網(wǎng)絡(luò)管理操作的一部分，AP 會(huì)定期發(fā)送包含位圖（稱為流量指示圖 （TIM））的信標(biāo)，位圖將指示 AP 是否有每個(gè) STA的等待流量。AP 還會(huì)周期性地發(fā)送包含傳送流量指示圖 （DTIM） 的信標(biāo)，指示存在緩存多播或廣播數(shù)據(jù)。STA 預(yù)期會(huì)在 DTIM周期值內(nèi)定期喚醒，此值是正常信標(biāo)間隔的某個(gè)倍數(shù)。若物聯(lián)網(wǎng)配置有高 DTIM 周期值，則網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備能夠降低功耗，因?yàn)樵趩拘?a target="_blank">接收器接收信標(biāo)（指示 AP中有為其暫存的幀）之前，這些設(shè)備可以休眠更長(zhǎng)時(shí)間。這就是下文討論的標(biāo)準(zhǔn) 802.11 節(jié)能輪詢機(jī)制背后的基本方法。

低功耗藍(lán)牙 （BLE）
通過(guò)優(yōu)化藍(lán)牙廣告頻率和有效載荷來(lái)降低設(shè)備的功耗。通過(guò)增加廣告間隔，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以延遲發(fā)射器操作；通過(guò)降低有效載荷，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以縮短發(fā)射器事件的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)然，并不是每種應(yīng)用都能容忍長(zhǎng)廣告間隔或最小有效載荷。例如，在音頻或?qū)崟r(shí)感測(cè)設(shè)備中，長(zhǎng)廣告間隔意味著連接延遲，這可能會(huì)對(duì)整個(gè)應(yīng)用的表現(xiàn)產(chǎn)生不利影響。

外設(shè)可以使用另一種名為“從設(shè)備延遲”的 BLE 功能，這種功能允許外設(shè)跳過(guò)連接事件。與 Wi-Fi DTIM 一樣，BLE從設(shè)備延遲允許設(shè)備更長(zhǎng)時(shí)間地保持低功耗模式。這種特殊模式不是簡(jiǎn)單地增加連接間隔，而是允許外設(shè)跳過(guò)與主機(jī)的連接事件，但仍可根據(jù)需要喚醒和發(fā)送數(shù)據(jù)，而不會(huì)引起額外的延遲。

支持雙模連接和延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間

這些方法有助于減少 Wi-Fi 和藍(lán)牙設(shè)備的滿功率運(yùn)行持續(xù)時(shí)間和頻率，但是開發(fā)人員可以利用 Cypress Semiconductor 的CY8CKIT-062S2-43012 Wi-Fi BT Pioneer 套件中所展現(xiàn)出的硬件和軟件功能進(jìn)一步延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。除了跳線和 USB 電纜，該Cypress 套件還包含 PSoC 62S2 Wi-Fi BT Pioneer 開發(fā)板，后者為實(shí)現(xiàn)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)提供了全面的開發(fā)平臺(tái)和功能齊全的硬件系統(tǒng)。與Cypress 軟件配合使用，Cypress 套件允許開發(fā)人員即時(shí)評(píng)估和快速部署各種復(fù)雜的電源管理功能。

除了多個(gè)接口連接器、按鈕和 LED，該套件的開發(fā)板還集成了 CY8C5868LTI-LP038 PSoC 5LP 器件，提供 CypressKitProg3 板載編程和調(diào)試功能。為了增加板載存儲(chǔ)空間，Cypress 集成了其 S25FL512S 512 Mb 串行 NOR 閃存器件及其CY15B104 4 Mb 串行鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （FRAM）（圖 1）。

在開發(fā)板的核心，一個(gè)載波模塊集成了 Cypress Semiconductor 的 PSoC 6 微控制器和 Murata Electronics 的1LV 型 LBEE59B1LV 無(wú)線連接模塊與無(wú)源元器件。一個(gè)射頻 （RF） 開關(guān)和一個(gè)雙頻 2.45 GHz/5 GHz小型片式天線完善了支持器件。

PSoC 6 專為消除處理性能與功耗之間的傳統(tǒng)權(quán)衡而設(shè)計(jì)，集成了用作主應(yīng)用處理器的 150 MHz Arm?
Cortex?-M4，以及用于處理低功耗操作的 100 MHz Arm Cortex-M0+。除了集成的閃存和靜態(tài) RAM （SRAM），PSoC6還包括加密引擎、可編程模擬和數(shù)字外設(shè)，CapSense 觸摸感應(yīng)支持和多個(gè)系統(tǒng)接口（圖 2）。

Murata 的 LBEE59B1LV 模塊在 10.0 x 7.2 x 1.4 毫米 （mm） 的封裝中提供了完整的無(wú)線電子系統(tǒng)，內(nèi)置 Cypress CYW43012 嵌入式設(shè)備無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)連接 （WICED） Wi-Fi + 藍(lán)牙設(shè)備、參考時(shí)鐘和濾波器（圖 3）。

該模塊支持藍(lán)牙 5.0 和 Wi-Fi 802.11a/b/g/n 的 2.4 GHz 和 5 GHz 無(wú)線連接。此外，該模塊還提供 802.11ac友好模式，支持 5 GHz 頻段中 20 MHz 通道的 802.11ac 256 正交調(diào)幅 （QAM），比僅支持 802.11n的產(chǎn)品提供了更高的吞吐量和更低的每比特能耗。Murata 的 LBEE59B1LV模塊獲得了多個(gè)地區(qū)的預(yù)認(rèn)證，消除了與合規(guī)性測(cè)試和認(rèn)證相關(guān)的漫長(zhǎng)延遲，加快了開發(fā)速度。

在模塊內(nèi)，Cypress 的 WICED 設(shè)備在 Wi-Fi 和藍(lán)牙子系統(tǒng)中分別集成了 Arm Cortex-M3 處理器和 Arm Cortex-M4處理器。雖然不適用客戶代碼，但 Arm Cortex-M3 處理器運(yùn)行 Cypress 固件，支持 Wi-Fi
操作和其他功能，包括下文所述的卸載功能。藍(lán)牙子系統(tǒng)中的 Arm Cortex-M4 運(yùn)行藍(lán)牙控制器固件、藍(lán)牙堆棧和配置文件。此外，該內(nèi)核可以運(yùn)行使用Cypress 的 WICED 軟件開發(fā)套件 （SDK） 編寫的客戶代碼。

在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中使用節(jié)能方法

PSoC 6 和無(wú)線連接模塊設(shè)計(jì)用于最大限度地降低功耗，并具有一整套功率模式和降功耗功能。Cypress
為這一高能效硬件平臺(tái)提供了大量的軟件支持，旨在簡(jiǎn)化節(jié)能方法在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中的使用。例如，開發(fā)人員可以使用獨(dú)立的嵌入式 Wi-Fi 主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 （WHD）庫(kù)輕松實(shí)現(xiàn)前文所述的節(jié)能輪詢方法。

開發(fā)人員只需調(diào)用 WHD 應(yīng)用編程接口 （API） 函數(shù) whd_wifi_enable_powersave（） 即可啟用節(jié)能輪詢，之后調(diào)用whd_wifi_disable_powersave（） 即可在器件中禁用節(jié)能輪詢。啟用后，STA 會(huì)通知 AP 其已進(jìn)入休眠狀態(tài)。如前所述，AP會(huì)緩存發(fā)送給休眠中 STA 的任何幀，并配置周期性信標(biāo)以指示存在待處理的幀。當(dāng) STA 喚醒來(lái)檢查信標(biāo)時(shí)，即會(huì)開始一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程來(lái)獲取這些幀。

雖然節(jié)能輪詢機(jī)制旨在用于低占空比的 STA，但還有一種稱為無(wú)輪詢節(jié)能的類似方法，支持具有更高吞吐量要求的 STA。使用這種方法，STA發(fā)送一個(gè)空函數(shù)數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀會(huì)啟動(dòng)來(lái)自 AP 的幀傳輸。

節(jié)能輪詢和無(wú)輪詢節(jié)能允許設(shè)備減少接收器操作，但無(wú)助于消除與網(wǎng)絡(luò)操作開銷相關(guān)的非必要事務(wù)。例如，在連接到外部網(wǎng)絡(luò)（特別是公共互聯(lián)網(wǎng)）時(shí)，任何包含物聯(lián)網(wǎng)WLAN的網(wǎng)絡(luò)都會(huì)攜帶非必要的數(shù)據(jù)包流量。若能在通信子系統(tǒng)內(nèi)過(guò)濾掉這些數(shù)據(jù)包，而不影響到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主機(jī)處理器，則能讓主處理器更多時(shí)間保持在低功耗休眠模式。

除了非必要的數(shù)據(jù)包外，合法的網(wǎng)絡(luò)流量也會(huì)導(dǎo)致主機(jī)處理器不必要地喚醒。例如，Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)地址解析協(xié)議 （ARP） 可使用廣播數(shù)據(jù)包將與設(shè)備相關(guān)聯(lián)的 IP地址映射到設(shè)備的媒體訪問控制 （MAC） 地址。此操作對(duì)于 WLAN 的正常運(yùn)行必不可少，可以讓設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備聯(lián)系、檢測(cè)重復(fù)的 IP 地址，并在 IP地址因任何原因改變時(shí)通知其他設(shè)備。

ARP 請(qǐng)求和響應(yīng)數(shù)據(jù)包是網(wǎng)絡(luò)操作中基本的數(shù)據(jù)包，以至于僅僅處理 ARP 請(qǐng)求和響應(yīng)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主機(jī)處理器就會(huì)不堪重負(fù)。如果設(shè)備的 WLAN接口只是在主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)之間傳遞請(qǐng)求和響應(yīng)，則每個(gè) ARP 請(qǐng)求都會(huì)喚醒主機(jī)，有時(shí)這是不必要的。

相比之下，Murata 的無(wú)線連接模塊介入該交換過(guò)程，從而解除了 PSoC 6 微控制器的 ARP 請(qǐng)求處理負(fù)載。當(dāng) PSoC 6以其他方式參與其主物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能時(shí)，該功能可為應(yīng)用執(zhí)行保留處理器周期。如果 PSoC 6 處于休眠模式，該功能有助于降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的整體功耗。Murata模塊通過(guò)對(duì)等設(shè)備自動(dòng)應(yīng)答功能啟用 ARP 卸載，只有在其緩存的條目不能滿足傳入的 ARP 請(qǐng)求時(shí)，才會(huì)喚醒 PSoC 6（圖 4 左）。

同樣的方法也有助于降低 WLAN 功耗。在正常操作中，Murata 模塊可以監(jiān)視（窺探）網(wǎng)絡(luò)流量，并緩存來(lái)自其他 ARP 響應(yīng)的 IP:MAC對(duì)。通過(guò)使用主機(jī)自動(dòng)應(yīng)答，Murata 模塊可以響應(yīng)來(lái)自 PSoC 6 的 ARP 請(qǐng)求，只有當(dāng) ARP 緩存無(wú)法滿足 PSoC 6的請(qǐng)求時(shí)才調(diào)用其無(wú)線電子系統(tǒng)（圖 4 右）。

節(jié)能功能的簡(jiǎn)單菜單式實(shí)現(xiàn)

利用 Pioneer 套件實(shí)現(xiàn) ARP 卸載非常簡(jiǎn)單。Cypress 的 Device Configurator 工具包含在 Cypress 的
ModusToolBox （MTB） 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 中，能夠讓開發(fā)人員通過(guò)幾個(gè)菜單選擇即可部署此功能。Cypress提供預(yù)建配置文件，允許開發(fā)人員快速選擇包括 ARP 卸載在內(nèi)的不同配置。

使用 Device Configurator 工具進(jìn)行顯式定義配置幾乎同樣簡(jiǎn)單。開發(fā)人員可使用該工具的菜單選項(xiàng)來(lái)啟用主機(jī)喚醒引腳、命名引腳（CYBSP_WIFI_HOST_WAKE），并設(shè)置引腳參數(shù)（圖 5）。

在該工具的 Wi-Fi 選項(xiàng)卡中，開發(fā)人員可啟用主機(jī)喚醒，并將中斷引腳設(shè)置為先前輸入的名稱（CYBSP_WIFI_HOST_WAKE）。其他菜單條目可用于啟用 ARP 卸載，將功能設(shè)置為對(duì)等設(shè)備自動(dòng)應(yīng)答，啟用網(wǎng)絡(luò)窺探，以及設(shè)置緩存條目過(guò)期時(shí)間（圖6）。

保存配置后，開發(fā)人員只需生成源文件、構(gòu)建修改后的項(xiàng)目，并對(duì) Pioneer 開發(fā)板進(jìn)行編程。使用類似的程序，開發(fā)人員可以配置 Murata 模塊，以卸載Wi-Fi 數(shù)據(jù)包過(guò)濾，并處理其他常見類型的網(wǎng)絡(luò)操作。同樣的方法甚至允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備執(zhí)行維持 Wi-Fi 連接所需的 Wi-Fi TCP保持活動(dòng)協(xié)議——所有這些都無(wú)需喚醒物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)處理器。

在正常的 WLAN 操作中，客戶端設(shè)備和主機(jī)服務(wù)器通過(guò)交換保持活動(dòng)數(shù)據(jù)包來(lái)維持 TCP連接。如果此交換的任一方在幾次嘗試后沒有收到響應(yīng)，其將終止連接。即使在功耗受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，主機(jī)處理器也必須不斷地喚醒以參與這種交換，或者消耗更多的電量來(lái)不斷地重建連接。

與 ARP 卸載一樣，開發(fā)人員可以使用 Device Configurator 工具來(lái)啟用 TCP 保持活動(dòng)卸載。啟用此功能后，Murata模塊會(huì)自動(dòng)執(zhí)行保持活動(dòng)協(xié)議，而不喚醒 PSoC 6（圖 7）。

盡管 Cypress 推薦使用 Device Configurator 工具作為最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)途徑，但開發(fā)人員也可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn) Cypress平臺(tái)的節(jié)能功能，包括 ARP 卸載、數(shù)據(jù)包過(guò)濾、TCP 保持活動(dòng)卸載等。

這兩種方法的基礎(chǔ)都是 Cypress 的低功耗助理 （LPA） 中間件，該中間件支持用于 Wi-Fi、藍(lán)牙和 PSoC 6微控制器的節(jié)能功能，以及本文未提到的其他功能。

在開發(fā)人員使用菜單或通過(guò)手動(dòng)添加配置代碼定義配置之后，LPA 固件會(huì)對(duì)應(yīng)用執(zhí)行透明操作，自動(dòng)協(xié)調(diào)使用低功耗硬件功能和軟件功能。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)持續(xù)無(wú)線連接和延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間的需求為設(shè)計(jì)人員提出了相互矛盾的要求，而同時(shí)支持 Wi-Fi和藍(lán)牙的需求只會(huì)加劇這種矛盾。如上所述，通過(guò)將可卸載網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)的無(wú)線電子系統(tǒng)與低功耗微控制器相結(jié)合，Cypress Semiconductor 的CY8CKIT-062S2-43012 Wi-Fi BT Pioneer 套件能夠讓設(shè)計(jì)人員滿足物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線連接和低功耗需求。