設(shè)計(jì)Wi-Fi節(jié)能設(shè)備時(shí)需要考慮的細(xì)節(jié)

我們最近發(fā)布了一篇博客文章和一份白皮書，解釋了Wi-Fi在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)中日益增長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。隨著Wi-Fi芯片的成本和功耗的降低，它們成為節(jié)能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的理想選擇。在這篇博客文章中，我們將分享更多關(guān)于設(shè)計(jì)Wi-Fi節(jié)能設(shè)備時(shí)需要考慮的細(xì)節(jié)，例如，可穿戴應(yīng)用。

智能手表等小型設(shè)備在空間和電池壽命方面帶來了額外的挑戰(zhàn)。小尺寸的SiP模塊是推進(jìn)產(chǎn)品快速上市的理想選擇?？纱┐髟O(shè)備，需要GPS連接以進(jìn)行位置跟蹤，需要Wi-Fi以進(jìn)行云連接，BT/A2DP連接以進(jìn)行音樂流，還需要BLE連接到傳感器。所有這些操作都需通過無線(Over-The-Air, OTA)進(jìn)行更新之外，同時(shí)通過單次充電盡可能地延長(zhǎng)電池壽命。Wi-Fi客戶端設(shè)備在監(jiān)聽模式下的功耗與接收數(shù)據(jù)時(shí)消耗的相同。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)

Wi-Fi是一種廣泛部署的協(xié)議，擁有超過220億臺(tái)部署設(shè)備，這意味著它在大多數(shù)家庭和商業(yè)環(huán)境中幾乎無處不在且皆可使用。它的數(shù)據(jù)吞吐量明顯更高——幾乎是大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的10-100倍——允許幾乎沒有延遲地傳輸音頻和視頻流。高數(shù)據(jù)速率和范圍支持許多應(yīng)用。最后，Wi-Fi提供了持續(xù)的云連接，使得網(wǎng)關(guān)成為不必要。憑借這些優(yōu)勢(shì)，Wi-Fi是嵌入式解決方案最明顯的選擇。

然而，這些好處確實(shí)是有代價(jià)的。由于Wi-Fi提供的范圍和吞吐量要求更高的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，Wi-Fi產(chǎn)品通常比藍(lán)牙低功耗和Zigbee等物聯(lián)網(wǎng)特定協(xié)議具有更高的功耗和實(shí)施成本。然而，大多數(shù)這種復(fù)雜性可以通過使用預(yù)先認(rèn)證的模塊來管理。此外，Wi-Fi設(shè)備的成本和功耗正在下降，目前已成為許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

Wi-Fi規(guī)格的演變—物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6

從Wi-Fi規(guī)格的演變來看，802.11n (Wi-Fi 4)比802.11ac (Wi-Fi 5)更適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，因?yàn)?02.11n是雙頻段(2.4 GHz和5 GHz)，而802.11ac是基于5 GHz的單頻段。對(duì)于嵌入式應(yīng)用，2.4 GHz的范圍和更好的對(duì)象穿透性比5 GHz頻率更方便。此外，由于更高的協(xié)議復(fù)雜性，基于802.11ac的系統(tǒng)成本和功耗更高。雖然11ac確實(shí)提供了增強(qiáng)的吞吐量，但802.11n提供的數(shù)據(jù)速率對(duì)于大多數(shù)電池供電的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。

802.11ax (Wi-Fi 6) 是該規(guī)格的最新版本，承諾最大吞吐量速度為9.6 Gbps，而Wi-Fi 5為3.5 Gbps，Wi-Fi 4為600 Mbps。Wi-Fi 6的推出主要是為了解決因物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求不斷增長(zhǎng)而導(dǎo)致Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備數(shù)量迅速增加的問題。

Wi-Fi 6能有效利用可用頻譜針對(duì)有效利用可用頻譜，Wi-Fi 6通過引入目標(biāo)喚醒時(shí)間(TWT)、OFDMA和MU-MIMO專門解決了物聯(lián)網(wǎng)問題。TWT (見下圖) 在接入點(diǎn)和設(shè)備之間有計(jì)劃的傳輸時(shí)間，這大大節(jié)省了電池壽命。設(shè)備不需要一直在網(wǎng)絡(luò)上等待傳輸機(jī)會(huì)，只需在特定時(shí)間喚醒進(jìn)行傳輸。

通過正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)，信道被細(xì)分為更小的頻率分配，從而可以同時(shí)向多個(gè)設(shè)備傳輸幀。這減少了在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接收到整個(gè)幀，只是為了向其發(fā)送少量的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸插槽的浪費(fèi)。

另一方面，MU-MIMO依賴于空間流來同時(shí)傳輸?shù)蕉鄠€(gè)設(shè)備。由于復(fù)雜性僅存在于接入點(diǎn)中(Access Point)，MU-MIMO允許具有單個(gè)天線的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接收AP傳輸多個(gè)流中的一個(gè)。下行鏈路側(cè)的MU-MIMO支持單天線客戶端設(shè)備。

為現(xiàn)有的電池供電設(shè)備添加任何物聯(lián)網(wǎng)無線協(xié)議連接都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)樘砑拥?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信將增加電力開銷。通過高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和平衡權(quán)衡，將低功耗Wi-Fi集成到現(xiàn)有設(shè)備以及獨(dú)立的Wi-Fi解決方案中是很有可能的。

使用Wi-Fi降低功耗的步驟

首先，確定電池的最佳尺寸：根據(jù)產(chǎn)品選擇電池的尺寸。你必須考慮電池是否可以充電，設(shè)備是否需要在一定的延遲時(shí)間內(nèi)接收數(shù)據(jù)，以及要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量等因素。在不同的操作模式之間轉(zhuǎn)換所需的能量取決于設(shè)備中存儲(chǔ)的電荷量。這決定了設(shè)備在需要充電或換掉電池之前能工作多長(zhǎng)時(shí)間。

確定最佳的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：Wi-Fi和Internet幾乎可以互換使用，因?yàn)樗鼈円黄鹗褂谩Ｒ环N思考方式是，互聯(lián)網(wǎng)就是數(shù)據(jù)，當(dāng)Wi-Fi提供了獲取從A點(diǎn)到B點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸可以更快、更簡(jiǎn)單，和無連接 (UDP)，導(dǎo)致更少的能耗，或者是可靠、安全和面向連接 (TCP)，導(dǎo)致更多的能耗。兩者之間的有效切換將提供最佳的功耗。

將活躍的發(fā)送(TX)和接收(RX)模式所花費(fèi)的時(shí)間最小化：在Wi-Fi的高數(shù)據(jù)速率下，不頻繁地聚合數(shù)據(jù)和發(fā)送/接收數(shù)據(jù)可能是有意義的。使用更高的數(shù)據(jù)速率來更快地傳輸數(shù)據(jù)，并減少在高功率傳輸模式下花費(fèi)的時(shí)間，也可能是有意義的。應(yīng)用程序可以在低占空比下工作，并且僅在連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)才能傳輸。通常，無線電接收器在一段時(shí)間內(nèi)往往比無線電發(fā)射器消耗更多的能量，因?yàn)榕c主動(dòng)傳輸相比，處于接收模式的時(shí)間更長(zhǎng)。在Wi-Fi 5之前，定義的省電機(jī)制PS-POLL為省電輪詢(Power Save Polling) 。Wi-Fi接入點(diǎn)定期發(fā)送帶有DTIM周期值的信標(biāo)，該值指示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是否存在緩沖幀。預(yù)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將在DTIM周期值內(nèi)間隔喚醒，以接收此信標(biāo)。DTIM值越高，設(shè)備處于休眠狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，從而節(jié)省能源。

Silicon Labs RS9116 Wi-Fi收發(fā)器在DTIM10處有55 uA備用關(guān)聯(lián)電流(即每10個(gè)信標(biāo)廣播1個(gè)DTIM，典型信標(biāo)間隔為十分之一秒) ，或者可以選擇一秒信標(biāo)收聽間隔。要更深入地了解我們低功耗Wi-Fi開發(fā)方法的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱Novus Labs的AWS物聯(lián)網(wǎng)無線互操作性報(bào)告，該報(bào)告介紹了Silicon Labs的RS9116 Wi-Fi收發(fā)器模塊，以測(cè)量各種條件下的電流消耗。

選擇正確的設(shè)備：并不是所有Wi-Fi芯片組都是相同的，因此請(qǐng)確保為你感興趣的TX、RX、sleep和DTIM模式選擇盡可能低的電流消耗設(shè)備。注意數(shù)據(jù)表中的技巧，確保你是在蘋果進(jìn)行比較——這在查看“睡眠”和“相關(guān)”的當(dāng)前定義時(shí)尤其重要，因?yàn)楣?yīng)商對(duì)它們的定義不同。

考慮系統(tǒng)級(jí)別：如果你可以容忍延遲，那么可以在系統(tǒng)級(jí)別上找到最佳的功率優(yōu)化，方法是查看是否可以關(guān)閉收音機(jī)，只偶爾打開它，或者使用信標(biāo)跳過等技術(shù)來減少空閑/睡眠電流。在電源打開和關(guān)閉模式之間切換時(shí)，需要將延遲降至最低，同時(shí)消耗最少的電源。

使用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)中提供的低功耗功能：Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)具有許多功耗優(yōu)化功能，包括DTIM休眠模式和節(jié)能功能，可以為你節(jié)省大量電力。有了Wi-Fi 6，TWT也可以發(fā)揮作用。

專門物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗Wi-Fi設(shè)計(jì)決策

使用這些策略，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備似乎可以“一直開著”，并連接到Wi-Fi，由于超低功耗，電池壽命延長(zhǎng)。例如，支持Wi-Fi/BLE的智能鎖應(yīng)用通過Wi-Fi連接到云端進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，并通過藍(lán)牙LE將鎖設(shè)置到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上。請(qǐng)記住，諸如安全云連接(TLS證書交換)、網(wǎng)絡(luò)通信(與云通信的MQTT)和OTA更新等操作都是在后臺(tái)進(jìn)行的，這會(huì)進(jìn)一步影響系統(tǒng)當(dāng)前的消耗。通過優(yōu)化功耗，智能鎖保持“始終連接”模式下的典型電池壽命在低擁塞環(huán)境下為三年，在密集和擁塞的無線環(huán)境下為兩年。

此外，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，邊緣設(shè)備將變得比現(xiàn)在更節(jié)能。可能有人會(huì)擔(dān)心，對(duì)于AI/ML，節(jié)能機(jī)制可能不再是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。以xG24為例，它通過內(nèi)置的專用AI/ML硬件加速器，在保持超低功耗的同時(shí)，專注于快速高效地處理復(fù)雜的計(jì)算，從而緩解了這些問題。

原文標(biāo)題：【IoT干貨】利用Wi-Fi開發(fā)節(jié)能的可穿戴設(shè)備

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