如何在雙模Wi-Fi /藍(lán)牙IoT設(shè)計中最大化電池壽命？

電池供電的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備和其他連接產(chǎn)品的設(shè)計人員被要求滿足持續(xù)無線連接和延長電池壽命的相互矛盾的要求。對同一設(shè)備中的藍(lán)牙5和Wi-Fi連接的需求不斷增長，進一步擴大了已經(jīng)受限制的功率限制。盡管Wi-Fi和Bluetooth協(xié)議提供了有助于降低功耗的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但更直接的支持是以體系結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)的，該體系結(jié)構(gòu)結(jié)合了可以將網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)與低功耗微控制器分擔(dān)的無線電子系統(tǒng)。

本文將概述雙模Wi-Fi/藍(lán)牙連接的重要性以及它如何使IoT設(shè)計復(fù)雜化。然后，它將展示賽普拉斯半導(dǎo)體公司的開發(fā)板和相關(guān)軟件如何用于開發(fā)具有連續(xù)連接性和更長電池壽命的雙模Wi-Fi/藍(lán)牙IoT設(shè)備。

對雙模Wi-Fi/藍(lán)牙連續(xù)連接的需求不斷增長

藍(lán)牙連接被認(rèn)為是許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)要求，旨在通過支持藍(lán)牙的智能手機和其他移動設(shè)備與用戶互動。然而，對于許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要Wi-Fi連接來訪問無線局域網(wǎng)（WLAN）以直接到達(dá)互聯(lián)網(wǎng)，或與同一網(wǎng)絡(luò)上的其他對等設(shè)備和主機系統(tǒng)進行交互。

在許多方面，如果這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只在需要傳輸其數(shù)據(jù)或其他信息時才需要連接到WLAN或藍(lán)牙主機，那么開發(fā)者延長電池壽命的能力就會更直接了。因為許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的有效工作周期通常很低，這些設(shè)備可以通過主要在低功耗睡眠模式下運行來延長電池壽命，喚醒足夠長的時間來執(zhí)行傳感器測量，完成相關(guān)的處理任務(wù)，并在返回低功耗模式之前傳輸所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實中，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要快速響應(yīng)來自對等設(shè)備、主機系統(tǒng)和終端用戶的異步傳入的命令和數(shù)據(jù)。

為了保持響應(yīng)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要提供持續(xù)連接的外觀，對傳入的流量保持警覺，以便它們能在可接受的時間內(nèi)做出響應(yīng)。如果開發(fā)者試圖通過反復(fù)喚醒他們的設(shè)備以接收傳入的流量來滿足這一基本要求，他們設(shè)備的電池將很快被耗盡。事實上，電池供電的Wi-Fi設(shè)備中的無線電接收器通常會隨著時間的推移比無線電發(fā)射器消耗更多的電力，盡管與單個傳輸操作相關(guān)的電力消耗更高。當(dāng)然，設(shè)備的主機處理器在每個接收操作中所消耗的功率，也給功率預(yù)算增加了自己的大量負(fù)荷。幸運的是，無線標(biāo)準(zhǔn)定義了一些協(xié)議，讓開發(fā)者在降低功率的同時仍能保持持續(xù)連接的假象。

無線連接標(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）通過關(guān)閉大多數(shù)Wi-Fi子系統(tǒng)的電源來節(jié)省功率。因為訪問點（AP）緩沖了休眠的STA的幀，所以不會丟失任何消息。作為其正常網(wǎng)絡(luò)管理操作的一部分，AP會定期發(fā)送包含一個位圖的信標(biāo)，該位圖稱為流量指示圖（TIM），該位圖指示AP是否具有每個STA的等待流量。AP還定期發(fā)送包含傳遞流量指示圖（DTIM）的信標(biāo)，該指示指示緩沖的多播或廣播數(shù)據(jù)的可用性。預(yù)計STA將在DTIM周期值（正常信標(biāo)間隔的幾倍）內(nèi)有規(guī)律地喚醒。配置了較高DTIM周期值的IoT網(wǎng)絡(luò)將使網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備能夠降低功耗，因為它們可能在喚醒接收器之前收到更長時間的睡眠，以接收指示AP正在為其保持幀的信標(biāo)。這是下面討論的標(biāo)準(zhǔn)802.11節(jié)能輪詢機制背后的基本方法。

藍(lán)牙低能量（BLE）讓設(shè)備通過優(yōu)化其藍(lán)牙廣告頻率和有效載荷來降低功耗。通過增加廣告間隔，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以延遲發(fā)射器操作；通過減少有效載荷，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以減少發(fā)射器事件的持續(xù)時間。當(dāng)然，不是每個應(yīng)用都能容忍長的廣告間隔或最小的有效載荷。例如，在音頻或?qū)崟r傳感設(shè)備中，長的廣告間隔意味著延遲連接，可能對整個應(yīng)用的行為產(chǎn)生不利影響。

外圍設(shè)備可以使用另一個稱為從屬延遲的BLE功能，它允許外圍設(shè)備跳過連接事件。與Wi-FiDTIM一樣，BLE從屬延遲允許設(shè)備在更長的時間內(nèi)保持低功耗模式。這種特殊模式不是簡單地增加連接間隔，而是允許外圍設(shè)備跳過與主機的連接事件，但仍然可以根據(jù)需要喚醒和發(fā)送數(shù)據(jù)，而不會產(chǎn)生額外的延遲。

支持雙模式連接并延長電池壽命

這些方法有助于減少Wi-Fi和藍(lán)牙設(shè)備中全功率運行的時間和頻率，但開發(fā)人員可以利用賽普拉斯半導(dǎo)體CY8CKIT-062S2-43012Wi-FiBT先鋒套件中展示的硬件和軟件功能做得更多，以延長電池壽命。除了跳線和USB電纜外，賽普拉斯套件還包括PSoC62S2Wi-FiBT先鋒板，它為實現(xiàn)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計提供了一個全面的開發(fā)平臺和全功能的硬件系統(tǒng)。與賽普拉斯軟件一起使用，賽普拉斯套件允許開發(fā)人員立即評估并快速部署各種復(fù)雜的電源管理功能。

除了多個接口連接器、按鈕和LED之外，該套件的電路板還集成了一個CY8C5868LTI-LP038PSoC5LP器件，提供賽普拉斯KitProg3板上編程和調(diào)試。對于額外的板載存儲，賽普拉斯集成了其S25FL512S512兆（Mbit）串行NOR閃存器件和CY15B1044Mbit串行鐵電隨機存取存儲器（FRAM）（圖1）。

圖1：賽普拉斯PSoC62S2Wi-FiBTPioneer板提供了圍繞圍繞集成PSoC6微控制器和Wi-Fi/Bluetooth無線連接模塊的載體模塊構(gòu)建的一套全面的系統(tǒng)功能。（：賽普拉斯半導(dǎo)體）

電路板的核心是一個載板模塊，該模塊集成了賽普拉斯半導(dǎo)體PSoC6微控制器和帶有無源組件的MurataElectronics1LVLBEE59B1LV型無線連接模塊。射頻（RF）開關(guān)和雙頻2.45GHz（GHz）/5GHz迷你芯片天線完善了支持設(shè)備。

專門設(shè)計成消除處理性能和功率消耗，在PSoC6集成了150兆赫茲（MHz）之間的常規(guī)折衷ARM?Cortex?-M4，其作為主要的應(yīng)用程序的處理器，和一個100兆赫的ARMCortex-M0+，其手柄低功耗運行。除了集成的閃存和靜態(tài)RAM（SRAM），PSoC6還包括一個加密引擎，可編程的模擬和數(shù)字外設(shè)，CapSense觸摸感應(yīng)支持以及多個系統(tǒng)接口（圖2）。

圖2：PSoC6微控制器內(nèi)置于賽普拉斯PSoC62S2Wi-FiBTPioneer板的載體模塊中，它使用多核架構(gòu)來滿足應(yīng)用程序處理和低功耗實時執(zhí)行的要求。（：賽普拉斯半導(dǎo)體）

MurataLBEE59B1LV模塊以10.0x7.2x1.4毫米（mm）的封裝提供了一個完整的無線電子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)可容納用于嵌入式設(shè)備（WICED）的賽普拉斯CYW43012無線Internet連接Wi-Fi+藍(lán)牙設(shè)備，參考時鐘和濾波器（圖3）。

圖3：Murata1LVLBEE59B1LV型無線連接模塊提供了一個完整的，經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證的Wi-Fi+藍(lán)牙無線電子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)圍繞CypressCYW43012WICED設(shè)備構(gòu)建。（：村田電子）

該模塊通過藍(lán)牙5.0和Wi-Fi802.11a/b/g/n支持2.4GHz和5GHz無線連接。此外，該模塊提供了一種802.11ac友好模式，該模式支持802.11ac的256正交幅度調(diào)制（QAM），用于5GHz頻帶中的20MHz信道，與純802.11n產(chǎn)品相比，具有更高的吞吐量和更低的每比特能量。MurataLBEE59B1LV模塊旨在加快開發(fā)速度，已在多個地區(qū)進行了預(yù)認(rèn)證，從而消除了與合規(guī)性測試和認(rèn)證相關(guān)的冗長延遲。

在該模塊內(nèi)，賽普拉斯WICED設(shè)備分別在Wi-Fi和藍(lán)牙子系統(tǒng)中集成了ArmCortex-M3處理器和ArmCortex-M4處理器。盡管不適用于客戶代碼，但ArmCortex-M3處理器運行賽普拉斯固件，該固件支持Wi-Fi操作和其他功能，包括以下所述的卸載功能。藍(lán)牙子系統(tǒng)中的ArmCortex-M4運行藍(lán)牙控制器固件，藍(lán)牙堆棧和配置文件。此外，該內(nèi)核可以運行使用賽普拉斯WICED軟件開發(fā)套件（SDK）編程的客戶代碼。

在無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中使用省電方法

PSoC6和無線連接模塊旨在最大限度地降低功耗，具有一套全面的電源模式和降功耗功能。賽普拉斯以大量的軟件來支持這一高能效的硬件平臺，旨在簡化無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中省電方法的使用。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)前面提到的省電投票方法。

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()即可啟用省電輪詢，隨后調(diào)用whd_wifi_disable_powersave()即可在設(shè)備中禁用它。當(dāng)啟用時，STA會通知AP它已經(jīng)進入睡眠狀態(tài)。如前所述，接入點會緩沖任何為睡眠中的STA準(zhǔn)備的幀，并配置其定期信標(biāo)以指示幀的可用性。當(dāng)STA醒來檢查信標(biāo)時，它開始一個標(biāo)準(zhǔn)過程來檢索這些幀。

盡管省電輪詢機制是為低占空比的STA設(shè)計的，但一種類似的方法，稱為省電不輪詢，支持具有更高吞吐量要求的STA。在這里，STA發(fā)送一個空函數(shù)數(shù)據(jù)幀，它啟動了來自AP的幀傳輸。

省電輪詢和省電不輪詢允許設(shè)備減少接收器操作，但無助于消除與網(wǎng)絡(luò)操作開銷有關(guān)的不需要的交易。例如，包括物聯(lián)網(wǎng)無線局域網(wǎng)在內(nèi)的任何網(wǎng)絡(luò)在連接到外部網(wǎng)絡(luò)，特別是公共互聯(lián)網(wǎng)時，將攜帶不需要的數(shù)據(jù)包流量。在不涉及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主機處理器的情況下，在通信子系統(tǒng)內(nèi)過濾掉這些數(shù)據(jù)包的能力將使主機處理器保持在低功耗睡眠模式。

除了不需要的數(shù)據(jù)包，合法的網(wǎng)絡(luò)流量也可能導(dǎo)致主機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）使用廣播數(shù)據(jù)包作為其功能的一部分，將與設(shè)備相關(guān)的IP地址映射到設(shè)備的媒體訪問控制（MAC）地址。這種操作對正常的WLAN功能至關(guān)重要，它允許設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的其他人聯(lián)系，檢測重復(fù)的IP地址，并在一個IP地址因任何原因而改變時通知其他設(shè)備。

ARP請求和響應(yīng)數(shù)據(jù)包對網(wǎng)絡(luò)運行非常重要，以至于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主機處理器僅僅處理ARP請求和響應(yīng)就會變得不堪重負(fù)。如果設(shè)備的WLAN接口只是在主機和網(wǎng)絡(luò)之間傳遞請求和響應(yīng)，每個ARP請求都會喚醒主機，有時是不必要的。

相比之下，Murata無線連接模塊介入了這一交換，從PSoC6微控制器中卸載了ARP請求處理。當(dāng)PSoC6從事其主要的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能時，這種能力為應(yīng)用執(zhí)行保留了處理器周期。如果PSoC6處于睡眠模式，該功能有助于降低整個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗。通過啟用具有對等自動回復(fù)功能的ARP卸載，Murata模塊只有在傳入的ARP請求無法由Murata模塊中的緩存條目滿足時才會喚醒PSoC6（圖4，左側(cè)）。

圖4：啟用后，ARP卸載會攔截來自網(wǎng)絡(luò)（左）或主機處理器（右）的ARP請求，當(dāng)高速緩存滿足請求時自動響應(yīng)（頂部），并且僅在高速緩存未命中時喚醒處理器（底部）。（：賽普拉斯半導(dǎo)體）

同樣的方法也可以幫助減少WLAN功耗。在正常操作中，村田模塊可以監(jiān)視（監(jiān)聽）網(wǎng)絡(luò)流量并從其他ARP響應(yīng)中緩存IP：MAC對。使用主機自動答復(fù)，Murata模塊可以答復(fù)來自PSoC6的ARP請求，僅當(dāng)無法通過ARP緩存滿足PSoC6的請求時才調(diào)用其無線電子系統(tǒng)（右圖4）。

基于菜單的節(jié)能功能的簡單實現(xiàn)

使用Pioneer套件實現(xiàn)ARP卸載非常簡單。賽普拉斯設(shè)備配置器工具包含在賽普拉斯ModusToolBox（MTB）集成開發(fā)環(huán)境（IDE）中，使開發(fā)人員可以通過幾個菜單選項來部署此功能。賽普拉斯提供了預(yù)構(gòu)建的配置文件，使開發(fā)人員可以快速選擇不同的配置，包括ARP卸載。

使用設(shè)備配置器工具顯式定義配置幾乎是很簡單的。開發(fā)人員使用該工具的菜單選項來啟用主機喚醒引腳，命名該引腳（CYBSP_WIFI_HOST_WAKE）并設(shè)置引腳參數(shù)（圖5）。

圖5：賽普拉斯器件配置器工具允許開發(fā)人員使用菜單來設(shè)置先鋒板提供的節(jié)能選項。（：賽普拉斯半導(dǎo)體）

在該工具的Wi-Fi標(biāo)簽中，開發(fā)人員啟用主機喚醒功能并將中斷引腳設(shè)置為之前輸入的名稱（CYBSP_WIFI_HOST_WAKE）。其他菜單條目支持ARP卸載，將功能設(shè)置為對等自動應(yīng)答，啟用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽以及設(shè)置緩存條目的有效時間（圖6）。

圖6：使用Cypress設(shè)備配置器工具中的其他菜單選項卡，開發(fā)人員可以啟用ARP卸載功能和對等自動回復(fù)等特定功能。（：賽普拉斯半導(dǎo)體）

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板進行編程。使用類似的過程，開發(fā)人員可以將Murata模塊配置為減輕Wi-Fi數(shù)據(jù)包過濾的負(fù)擔(dān)，并處理其他常見類型的網(wǎng)絡(luò)操作。相同的方法甚至允許IoT設(shè)備執(zhí)行維持Wi-Fi連接所需的Wi-FiTCP保持活動協(xié)議，而無需喚醒IoT主機處理器。

在正常的WLAN操作中，客戶端設(shè)備和主機服務(wù)器通過交換保持活動的數(shù)據(jù)包來維護TCP連接。如果幾次嘗試后此交換的任何一方均未收到響應(yīng)，則它將終止連接。即使在功率受限的IoT設(shè)備中，主機處理器也必須不斷喚醒以參與此交換，或者使用更多功率來不斷重新建立連接。

與ARP卸載一樣，開發(fā)人員可以使用DeviceConfigurator工具來啟用TCP保持活動卸載。啟用此功能后，Murata模塊將自動執(zhí)行keepalive協(xié)議，而無需喚醒PSoC6（圖7）。

圖7：啟用TCP保持活動卸載后，無線連接模塊（WLAN設(shè)備）將自動執(zhí)行保持活動協(xié)議，從而允許主機處理器保持低功耗睡眠模式。（：賽普拉斯半導(dǎo)體）

盡管賽普拉斯建議使用設(shè)備配置器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)賽普拉斯平臺的節(jié)能功能，包括ARP卸載，數(shù)據(jù)包過濾，TCP保持活動卸載等。

賽普拉斯的低功耗助手（LPA）中間件是這兩種方法的基礎(chǔ)，該中間件支持Wi-Fi，藍(lán)牙和PSoC6微控制器的這些節(jié)電功能，以及此處未提及的其他功能。

開發(fā)人員使用菜單或通過手動添加配置代碼定義配置后，LPA固件對應(yīng)用程序透明運行，自動協(xié)調(diào)使用低功耗硬件功能和軟件功能。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中對持續(xù)無線連接和延長電池壽命的需求給設(shè)計人員提出了相互矛盾的要求，而僅同時需要支持Wi-Fi和藍(lán)牙，這一要求就更加惡化。如圖所示，賽普拉斯CY8CKIT-062S2-43012Wi-FiBT先鋒套件通過將能夠分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)的無線電子系統(tǒng)與低功耗微控制器相結(jié)合，使設(shè)計人員可以滿足他們的IoT無線連接和低功耗要求。