如何最大限度提高 Wi-Fi/藍牙雙模物聯(lián)網(wǎng)設計的電池續(xù)航時間

作者：Stephen Evanczuk

在設計電池供電型物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設備和其他互連產(chǎn)品時，設計人員需要滿足持續(xù)無線連接和更長電池續(xù)航時間這兩個相互沖突的需求。在同一設備中，同時需要藍牙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和藍牙協(xié)議提供了有關幫助降低功耗的標準協(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)中會將可分擔網(wǎng)絡處理任務的無線電子系統(tǒng)與低功耗微控制器結(jié)合在一起。

本文將概述雙模 Wi-Fi/藍牙連接的重要性，并說明它們?yōu)楹巫屛锫?lián)網(wǎng)設計復雜化。隨后文中將展示來自 Cypress Semiconductor的開發(fā)板和相關軟件，以及如何使用它們來開發(fā)能夠持續(xù)連接并具有更長電池續(xù)航時間的雙模 Wi-Fi/藍牙物聯(lián)網(wǎng)設備。

雙模 Wi-Fi/藍牙持續(xù)連接日益增長的需求

對于旨在通過支持藍牙的智能手機和其他移動設備與用戶互動的許多物聯(lián)網(wǎng)設備來說，藍牙連接被認為是標準要求。然而，對于許多物聯(lián)網(wǎng)應用來說，物聯(lián)網(wǎng)設備需要Wi-Fi 連接來接入無線局域網(wǎng) （WLAN） 以直接訪問互聯(lián)網(wǎng)，或者與同一網(wǎng)絡上的其他對等設備和主機系統(tǒng)進行交互。

在很多方面，如果這些物聯(lián)網(wǎng)設備只需要根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)或其他信息的需求而連接至 WLAN或藍牙主機，則開發(fā)人員就能夠更簡單直接地延長電池續(xù)航時間。由于許多物聯(lián)網(wǎng)設備的有效占空比通常較低，這些設備可以通過在多數(shù)情況下采用低功耗休眠模式運行，喚醒足夠長的時間來執(zhí)行傳感器測量、完成相關的處理任務并傳輸所得數(shù)據(jù)，然后再返回低功耗模式，以此來延長電池續(xù)航時間。在現(xiàn)實中，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備都需要快速響應來自對等設備、主機系統(tǒng)和終端用戶的異步傳入指令和數(shù)據(jù)。

為了保持響應能力，物聯(lián)網(wǎng)設備需要在表面上提供持續(xù)連接，并一直保持檢測傳入流量，以便能夠在可接受的時間段內(nèi)作出響應。如果開發(fā)人員試圖通過反復喚醒設備接收傳入流量來滿足這一基本要求，則設備的電池將很快耗盡。事實上，盡管單次發(fā)射操作消耗的電量更高，但隨著時間的推移，電池供電型Wi-Fi設備中的無線電接收器通常會比無線電發(fā)射器消耗更多的電量。當然，設備主機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載添加到功耗預算中。幸運的是，無線標準定義了一些協(xié)議，讓開發(fā)人員在降低功耗的同時，還能從表面上保持持續(xù)連接。

無線連接標準如何幫助設備降低功耗

在正常操作中，Wi-Fi 接收站 （STA） 通過關閉其大部分 Wi-Fi 子系統(tǒng)來節(jié)省電量。由于接入點 （AP） 會緩存休眠 STA的幀，因此不會丟失消息。作為其正常網(wǎng)絡管理操作的一部分，AP 會定期發(fā)送包含位圖（稱為流量指示圖 （TIM））的信標，位圖將指示 AP 是否有每個 STA的等待流量。AP 還會周期性地發(fā)送包含傳送流量指示圖 （DTIM） 的信標，指示存在緩存多播或廣播數(shù)據(jù)。STA 預期會在 DTIM周期值內(nèi)定期喚醒，此值是正常信標間隔的某個倍數(shù)。若物聯(lián)網(wǎng)配置有高 DTIM 周期值，則網(wǎng)絡中的設備能夠降低功耗，因為在喚醒接收器接收信標（指示 AP中有為其暫存的幀）之前，這些設備可以休眠更長時間。這就是下文討論的標準 802.11 節(jié)能輪詢機制背后的基本方法。

低功耗藍牙 （BLE）
通過優(yōu)化藍牙廣告頻率和有效載荷來降低設備的功耗。通過增加廣告間隔，物聯(lián)網(wǎng)設備可以延遲發(fā)射器操作；通過降低有效載荷，物聯(lián)網(wǎng)設備可以縮短發(fā)射器事件的持續(xù)時間。當然，并不是每種應用都能容忍長廣告間隔或最小有效載荷。例如，在音頻或?qū)崟r感測設備中，長廣告間隔意味著連接延遲，這可能會對整個應用的表現(xiàn)產(chǎn)生不利影響。

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

支持雙模連接和延長電池續(xù)航時間

這些方法有助于減少 Wi-Fi 和藍牙設備的滿功率運行持續(xù)時間和頻率，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一步延長電池續(xù)航時間。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，后者為實現(xiàn)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設計提供了全面的開發(fā)平臺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)人員即時評估和快速部署各種復雜的電源管理功能。

除了多個接口連接器、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 串行鐵電隨機存取存儲器 （FRAM）（圖 1）。

在開發(fā)板的核心，一個載波模塊集成了 Cypress Semiconductor 的 PSoC 6 微控制器和 Murata Electronics 的1LV 型 LBEE59B1LV 無線連接模塊與無源元器件。一個射頻 （RF） 開關和一個雙頻 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)衡而設計，集成了用作主應用處理器的 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，CapSense 觸摸感應支持和多個系統(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線電子系統(tǒng)，內(nèi)置 Cypress CYW43012 嵌入式設備無線互聯(lián)網(wǎng)連接 （WICED） Wi-Fi + 藍牙設備、參考時鐘和濾波器（圖 3）。

該模塊支持藍牙 5.0 和 Wi-Fi 802.11a/b/g/n 的 2.4 GHz 和 5 GHz 無線連接。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模塊獲得了多個地區(qū)的預認證，消除了與合規(guī)性測試和認證相關的漫長延遲，加快了開發(fā)速度。

在模塊內(nèi)，Cypress 的 WICED 設備在 Wi-Fi 和藍牙子系統(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。藍牙子系統(tǒng)中的 Arm Cortex-M4 運行藍牙控制器固件、藍牙堆棧和配置文件。此外，該內(nèi)核可以運行使用Cypress 的 WICED 軟件開發(fā)套件 （SDK） 編寫的客戶代碼。

在無線物聯(lián)網(wǎng)設計中使用節(jié)能方法

PSoC 6 和無線連接模塊設計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提供了大量的軟件支持，旨在簡化節(jié)能方法在無線物聯(lián)網(wǎng)設計中的使用。例如，開發(fā)人員可以使用獨立的嵌入式 Wi-Fi 主機驅(qū)動程序 （WHD）庫輕松實現(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 會通知 AP 其已進入休眠狀態(tài)。如前所述，AP會緩存發(fā)送給休眠中 STA 的任何幀，并配置周期性信標以指示存在待處理的幀。當 STA 喚醒來檢查信標時，即會開始一個標準過程來獲取這些幀。

雖然節(jié)能輪詢機制旨在用于低占空比的 STA，但還有一種稱為無輪詢節(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)送一個空函數(shù)數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀會啟動來自 AP 的幀傳輸。

節(jié)能輪詢和無輪詢節(jié)能允許設備減少接收器操作，但無助于消除與網(wǎng)絡操作開銷相關的非必要事務。例如，在連接到外部網(wǎng)絡（特別是公共互聯(lián)網(wǎng)）時，任何包含物聯(lián)網(wǎng)WLAN的網(wǎng)絡都會攜帶非必要的數(shù)據(jù)包流量。若能在通信子系統(tǒng)內(nèi)過濾掉這些數(shù)據(jù)包，而不影響到物聯(lián)網(wǎng)設備主機處理器，則能讓主處理器更多時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)絡流量也會導致主機處理器不必要地喚醒。例如，Wi-Fi 標準地址解析協(xié)議 （ARP） 可使用廣播數(shù)據(jù)包將與設備相關聯(lián)的 IP地址映射到設備的媒體訪問控制 （MAC） 地址。此操作對于 WLAN 的正常運行必不可少，可以讓設備與網(wǎng)絡中的其他設備聯(lián)系、檢測重復的 IP 地址，并在 IP地址因任何原因改變時通知其他設備。

ARP 請求和響應數(shù)據(jù)包是網(wǎng)絡操作中基本的數(shù)據(jù)包，以至于僅僅處理 ARP 請求和響應，物聯(lián)網(wǎng)設備的主機處理器就會不堪重負。如果設備的 WLAN接口只是在主機與網(wǎng)絡之間傳遞請求和響應，則每個 ARP 請求都會喚醒主機，有時這是不必要的。

相比之下，Murata 的無線連接模塊介入該交換過程，從而解除了 PSoC 6 微控制器的 ARP 請求處理負載。當 PSoC 6以其他方式參與其主物聯(lián)網(wǎng)應用功能時，該功能可為應用執(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)設備的整體功耗。Murata模塊通過對等設備自動應答功能啟用 ARP 卸載，只有在其緩存的條目不能滿足傳入的 ARP 請求時，才會喚醒 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)絡流量，并緩存來自其他 ARP 響應的 IP:MAC對。通過使用主機自動應答，Murata 模塊可以響應來自 PSoC 6 的 ARP 請求，只有當 ARP 緩存無法滿足 PSoC 6的請求時才調(diào)用其無線電子系統(tǒng)（圖 4 右）。

節(jié)能功能的簡單菜單式實現(xiàn)

利用 Pioneer 套件實現(xiàn) ARP 卸載非常簡單。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)人員通過幾個菜單選擇即可部署此功能。Cypress提供預建配置文件，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 工具進行顯式定義配置幾乎同樣簡單。開發(fā)人員可使用該工具的菜單選項來啟用主機喚醒引腳、命名引腳（CYBSP_WIFI_HOST_WAKE），并設置引腳參數(shù)（圖 5）。

在該工具的 Wi-Fi 選項卡中，開發(fā)人員可啟用主機喚醒，并將中斷引腳設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，將功能設置為對等設備自動應答，啟用網(wǎng)絡窺探，以及設置緩存條目過期時間（圖6）。

保存配置后，開發(fā)人員只需生成源文件、構(gòu)建修改后的項目，并對 Pioneer 開發(fā)板進行編程。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)包過濾，并處理其他常見類型的網(wǎng)絡操作。同樣的方法甚至允許物聯(lián)網(wǎng)設備執(zhí)行維持 Wi-Fi 連接所需的 Wi-Fi TCP保持活動協(xié)議——所有這些都無需喚醒物聯(lián)網(wǎng)主機處理器。

在正常的 WLAN 操作中，客戶端設備和主機服務器通過交換保持活動數(shù)據(jù)包來維持 TCP連接。如果此交換的任一方在幾次嘗試后沒有收到響應，其將終止連接。即使在功耗受限的物聯(lián)網(wǎng)設備中，主機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 工具來啟用 TCP 保持活動卸載。啟用此功能后，Murata模塊會自動執(zhí)行保持活動協(xié)議，而不喚醒 PSoC 6（圖 7）。

盡管 Cypress 推薦使用 Device Configurator 工具作為最簡單的實現(xiàn)途徑，但開發(fā)人員也可以手動實現(xiàn) Cypress平臺的節(jié)能功能，包括 ARP 卸載、數(shù)據(jù)包過濾、TCP 保持活動卸載等。

這兩種方法的基礎都是 Cypress 的低功耗助理 （LPA） 中間件，該中間件支持用于 Wi-Fi、藍牙和 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手動添加配置代碼定義配置之后，LPA 固件會對應用執(zhí)行透明操作，自動協(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)設備對持續(xù)無線連接和延長電池續(xù)航時間的需求為設計人員提出了相互矛盾的要求，而同時支持 Wi-Fi和藍牙的需求只會加劇這種矛盾。如上所述，通過將可卸載網(wǎng)絡處理任務的無線電子系統(tǒng)與低功耗微控制器相結(jié)合，Cypress Semiconductor 的CY8CKIT-062S2-43012 Wi-Fi BT Pioneer 套件能夠讓設計人員滿足物聯(lián)網(wǎng)無線連接和低功耗需求。