鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：289次 | 2023年07月11日
如何在雙模Wi-Fi /藍(lán)牙IoT設(shè)計(jì)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(jì)人員被要求滿足持續(xù)無(wú)線連接和延長(zhǎng)電池壽命的相互矛盾的要求。對(duì)同一設(shè)備中的藍(lán)牙5和Wi-Fi連接的需求不斷增長(zhǎng)，進(jìn)一步擴(kuò)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(wú)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(jì)復(fù)雜化。然后，它將展示賽普拉斯半導(dǎo)體公司的開(kāi)發(fā)板和相關(guān)軟件如何用于開(kāi)發(fā)具有連續(xù)連接性和更長(zhǎng)電池壽命的雙模Wi-Fi/藍(lán)牙IoT設(shè)備。
對(duì)雙模Wi-Fi/藍(lán)牙連續(xù)連接的需求不斷增長(zhǎng)
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(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)。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)訪問(wèn)無(wú)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(duì)等設(shè)備和主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)才需要連接到WLAN或藍(lán)牙主機(jī)，那么開(kāi)發(fā)者延長(zhǎng)電池壽命的能力就會(huì)更直接了。因?yàn)樵S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(guò)主要在低功耗睡眠模式下運(yùn)行來(lái)延長(zhǎng)電池壽命，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(shí)中，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要快速響應(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的命令和數(shù)據(jù)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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(duì)傳入的流量保持警覺(jué)，以便它們能在可接受的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)。如果開(kāi)發(fā)者試圖通過(guò)反復(fù)喚醒他們的設(shè)備以接收傳入的流量來(lái)滿足這一基本要求，他們?cè)O(shè)備的電池將很快被耗盡。事實(shí)上，電池供電的Wi-Fi設(shè)備中的無(wú)線電接收器通常會(huì)隨著時(shí)間的推移比無(wú)線電發(fā)射器消耗更多的電力，盡管與單個(gè)傳輸操作相關(guān)的電力消耗更高。當(dāng)然，設(shè)備的主機(jī)處理器在每個(gè)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(yùn)的是，無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)定義了一些協(xié)議，讓開(kāi)發(fā)者在降低功率的同時(shí)仍能保持持續(xù)連接的假象。
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)閉大多數(shù)Wi-Fi子系統(tǒng)的電源來(lái)節(jié)省功率。因?yàn)樵L問(wèn)點(diǎn)（AP）緩沖了休眠的STA的幀，所以不會(huì)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(huì)定期發(fā)送包含一個(gè)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(gè)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(jì)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?yàn)樗鼈兛赡茉趩拘呀邮掌髦笆盏礁L(zhǎng)時(shí)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(jī)制背后的基本方法。
藍(lán)牙低能量（BLE）讓設(shè)備通過(guò)優(yōu)化其藍(lán)牙廣告頻率和有效載荷來(lái)降低功耗。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)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(shí)間。當(dāng)然，不是每個(gè)應(yīng)用都能容忍長(zhǎng)的廣告間隔或最小的有效載荷。例如，在音頻或?qū)崟r(shí)傳感設(shè)備中，長(zhǎng)的廣告間隔意味著延遲連接，可能對(duì)整個(gè)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(gè)稱為從屬延遲的BLE功能，它允許外圍設(shè)備跳過(guò)連接事件。與Wi-FiDTIM一樣，BLE從屬延遲允許設(shè)備在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)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，而是允許外圍設(shè)備跳過(guò)與主機(jī)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(huì)產(chǎn)生額外的延遲。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
支持雙模式連接并延長(zhǎng)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(yùn)行的時(shí)間和頻率，但開(kāi)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)全面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(kāi)發(fā)人員立即評(píng)估并快速部署各種復(fù)雜的電源管理功能。
除了多個(gè)接口連接器、按鈕和LED之外，該套件的電路板還集成了一個(gè)CY8C5868LTI-LP038PSoC5LP器件，提供賽普拉斯KitProg3板上編程和調(diào)試。對(duì)于額外的板載存儲(chǔ)，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(jī)存取存儲(chǔ)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(wú)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(gè)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(wú)源組件的MurataElectronics1LVLBEE59B1LV型無(wú)線連接模塊。射頻（RF）開(kāi)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(mén)設(shè)計(jì)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(gè)100兆赫的ARMCortex-M0+，其手柄低功耗運(yùn)行。除了集成的閃存和靜態(tài)RAM（SRAM），PSoC6還包括一個(gè)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(gè)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(lái)滿足應(yīng)用程序處理和低功耗實(shí)時(shí)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(gè)完整的無(wú)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(wú)線Internet連接Wi-Fi+藍(lán)牙設(shè)備，參考時(shí)鐘和濾波器（圖3）。
圖3：Murata1LVLBEE59B1LV型無(wú)線連接模塊提供了一個(gè)完整的，經(jīng)過(guò)預(yù)先認(rèn)證的Wi-Fi+藍(lán)牙無(wú)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(guò)藍(lán)牙5.0和Wi-Fi802.11a/b/g/n支持2.4GHz和5GHz無(wú)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(kāi)發(fā)速度，已在多個(gè)地區(qū)進(jìn)行了預(yù)認(rèn)證，從而消除了與合規(guī)性測(cè)試和認(rèn)證相關(guān)的冗長(zhǎng)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(yùn)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(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)行使用賽普拉斯WICED軟件開(kāi)發(fā)套件（SDK）編程的客戶代碼。
在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中使用省電方法
PSoC6和無(wú)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(lái)支持這一高能效的硬件平臺(tái)，旨在簡(jiǎn)化無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中省電方法的使用。例如，開(kāi)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)前面提到的省電投票方法。
開(kāi)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(shí)，STA會(huì)通知AP它已經(jīng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如前所述，接入點(diǎn)會(huì)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(lái)檢查信標(biāo)時(shí)，它開(kāi)始一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程來(lái)檢索這些幀。
盡管省電輪詢機(jī)制是為低占空比的STA設(shè)計(jì)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(gè)空函數(shù)數(shù)據(jù)幀，它啟動(dòng)了來(lái)自AP的幀傳輸。
省電輪詢和省電不輪詢?cè)试S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(kāi)銷(xiāo)有關(guān)的不需要的交易。例如，包括物聯(lián)網(wǎng)無(wú)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(shí)，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(jī)處理器的情況下，在通信子系統(tǒng)內(nèi)過(guò)濾掉這些數(shù)據(jù)包的能力將使主機(jī)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(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）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(wèn)控制（MAC）地址。這種操作對(duì)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(cè)重復(fù)的IP地址，并在一個(gè)IP地址因任何原因而改變時(shí)通知其他設(shè)備。
ARP請(qǐng)求和響應(yīng)數(shù)據(jù)包對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行非常重要，以至于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主機(jī)處理器僅僅處理ARP請(qǐng)求和響應(yīng)就會(huì)變得不堪重負(fù)。如果設(shè)備的WLAN接口只是在主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間傳遞請(qǐng)求和響應(yīng)，每個(gè)ARP請(qǐng)求都會(huì)喚醒主機(jī)，有時(shí)是不必要的。
相比之下，Murata無(wú)線連接模塊介入了這一交換，從PSoC6微控制器中卸載了ARP請(qǐng)求處理。當(dāng)PSoC6從事其主要的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能時(shí)，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(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗。通過(guò)啟用具有對(duì)等自動(dòng)回復(fù)功能的ARP卸載，Murata模塊只有在傳入的ARP請(qǐng)求無(wú)法由Murata模塊中的緩存條目滿足時(shí)才會(huì)喚醒PSoC6（圖4，左側(cè)）。
圖4：?jiǎn)⒂煤?，ARP卸載會(huì)攔截來(lái)自網(wǎng)絡(luò)（左）或主機(jī)處理器（右）的ARP請(qǐng)求，當(dāng)高速緩存滿足請(qǐng)求時(shí)自動(dòng)響應(yīng)（頂部），并且僅在高速緩存未命中時(shí)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(tīng)）網(wǎng)絡(luò)流量并從其他ARP響應(yīng)中緩存IP：MAC對(duì)。使用主機(jī)自動(dòng)答復(fù)，Murata模塊可以答復(fù)來(lái)自PSoC6的ARP請(qǐng)求，僅當(dāng)無(wú)法通過(guò)ARP緩存滿足PSoC6的請(qǐng)求時(shí)才調(diào)用其無(wú)線電子系統(tǒng)（右圖4）。
基于菜單的節(jié)能功能的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)
使用Pioneer套件實(shí)現(xiàn)ARP卸載非常簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）中，使開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)幾個(gè)菜單選項(xiàng)來(lái)部署此功能。賽普拉斯提供了預(yù)構(gòu)建的配置文件，使開(kāi)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(jiǎn)單的。開(kāi)發(fā)人員使用該工具的菜單選項(xiàng)來(lái)啟用主機(jī)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(kāi)發(fā)人員使用菜單來(lái)設(shè)置先鋒板提供的節(jié)能選項(xiàng)。（：賽普拉斯半導(dǎo)體）
在該工具的Wi-Fi標(biāo)簽中，開(kāi)發(fā)人員啟用主機(jī)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(duì)等自動(dòng)應(yīng)答，啟用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)以及設(shè)置緩存條目的有效時(shí)間（圖6）。
圖6：使用Cypress設(shè)備配置器工具中的其他菜單選項(xiàng)卡，開(kāi)發(fā)人員可以啟用ARP卸載功能和對(duì)等自動(dòng)回復(fù)等特定功能。（：賽普拉斯半導(dǎo)體）
保存配置后，開(kāi)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板進(jìn)行編程。使用類似的過(guò)程，開(kāi)發(fā)人員可以將Murata模塊配置為減輕Wi-Fi數(shù)據(jù)包過(guò)濾的負(fù)擔(dān)，并處理其他常見(jiàn)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(dòng)協(xié)議，而無(wú)需喚醒IoT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)的數(shù)據(jù)包來(lái)維護(hù)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(jī)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(lái)不斷重新建立連接。
與ARP卸載一樣，開(kāi)發(fā)人員可以使用DeviceConfigurator工具來(lái)啟用TCP保持活動(dòng)卸載。啟用此功能后，Murata模塊將自動(dòng)執(zhí)行keepalive協(xié)議，而無(wú)需喚醒PSoC6（圖7）。
圖7：?jiǎn)⒂肨CP保持活動(dòng)卸載后，無(wú)線連接模塊（WLAN設(shè)備）將自動(dòng)執(zhí)行保持活動(dòng)協(xié)議，從而允許主機(jī)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(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)途徑，但開(kāi)發(fā)人員也可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)賽普拉斯平臺(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。
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(kāi)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后，LPA固件對(duì)應(yīng)用程序透明運(yùn)行，自動(dòng)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(duì)持續(xù)無(wú)線連接和延長(zhǎng)電池壽命的需求給設(shè)計(jì)人員提出了相互矛盾的要求，而僅同時(shí)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(guò)將能夠分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)的無(wú)線電子系統(tǒng)與低功耗微控制器相結(jié)合，使設(shè)計(jì)人員可以滿足他們的IoT無(wú)線連接和低功耗要求。
