鉅大LARGE | 點擊量：280次 | 2023年07月11日
如何在雙模Wi-Fi /藍牙IoT設計中最大化電池壽命？
電池供電的物聯網（IoT）設備和其他連接產品的設計人員被要求滿足持續無線連接和延長電池壽命的相互矛盾的要求。對同一設備中的藍牙5和Wi-Fi連接的需求不斷增長，進一步擴大了已經受限制的功率限制。盡管Wi-Fi和Bluetooth協議提供了有助于降低功耗的標準協議，但更直接的支持是以體系結構的形式出現的，該體系結構結合了可以將網絡處理任務與低功耗微控制器分擔的無線電子系統。
本文將概述雙模Wi-Fi/藍牙連接的重要性以及它如何使IoT設計復雜化。然后，它將展示賽普拉斯半導體公司的開發板和相關軟件如何用于開發具有連續連接性和更長電池壽命的雙模Wi-Fi/藍牙IoT設備。
對雙模Wi-Fi/藍牙連續連接的需求不斷增長
藍牙連接被認為是許多物聯網設備的標準要求，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。然而，對于許多物聯網應用來說，物聯網設備需要Wi-Fi連接來訪問無線局域網（WLAN）以直接到達互聯網，或與同一網絡上的其他對等設備和主機系統進行交互。
在許多方面，如果這些物聯網設備只在需要傳輸其數據或其他信息時才需要連接到WLAN或藍牙主機，那么開發者延長電池壽命的能力就會更直接了。因為許多物聯網設備的有效工作周期通常很低，這些設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行傳感器測量，完成相關的處理任務，并在返回低功耗模式之前傳輸所產生的數據。在現實中，大多數物聯網設備需要快速響應來自對等設備、主機系統和終端用戶的異步傳入的命令和數據。
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為了保持響應，物聯網設備需要提供持續連接的外觀，對傳入的流量保持警覺，以便它們能在可接受的時間內做出響應。如果開發者試圖通過反復喚醒他們的設備以接收傳入的流量來滿足這一基本要求，他們設備的電池將很快被耗盡。事實上，電池供電的Wi-Fi設備中的無線電接收器通常會隨著時間的推移比無線電發射器消耗更多的電力，盡管與單個傳輸操作相關的電力消耗更高。當然，設備的主機處理器在每個接收操作中所消耗的功率，也給功率預算增加了自己的大量負荷。幸運的是，無線標準定義了一些協議，讓開發者在降低功率的同時仍能保持持續連接的假象。
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）通過關閉大多數Wi-Fi子系統的電源來節省功率。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。作為其正常網絡管理操作的一部分，AP會定期發送包含一個位圖的信標，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還定期發送包含傳遞流量指示圖（DTIM）的信標，該指示指示緩沖的多播或廣播數據的可用性。預計STA將在DTIM周期值（正常信標間隔的幾倍）內有規律地喚醒。配置了較高DTIM周期值的IoT網絡將使網絡中的設備能夠降低功耗，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。這是下面討論的標準802.11節能輪詢機制背后的基本方法。
藍牙低能量（BLE）讓設備通過優化其藍牙廣告頻率和有效載荷來降低功耗。通過增加廣告間隔，物聯網設備可以延遲發射器操作；通過減少有效載荷，物聯網設備可以減少發射器事件的持續時間。當然，不是每個應用都能容忍長的廣告間隔或最小的有效載荷。例如，在音頻或實時傳感設備中，長的廣告間隔意味著延遲連接，可能對整個應用的行為產生不利影響。
外圍設備可以使用另一個稱為從屬延遲的BLE功能，它允許外圍設備跳過連接事件。與Wi-FiDTIM一樣，BLE從屬延遲允許設備在更長的時間內保持低功耗模式。這種特殊模式不是簡單地增加連接間隔，而是允許外圍設備跳過與主機的連接事件，但仍然可以根據需要喚醒和發送數據，而不會產生額外的延遲。
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和藍牙設備中全功率運行的時間和頻率，但開發人員可以利用賽普拉斯半導體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，它為實現低功耗物聯網設計提供了一個全面的開發平臺和全功能的硬件系統。與賽普拉斯軟件一起使用，賽普拉斯套件允許開發人員立即評估并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建的一套全面的系統功能。（：賽普拉斯半導體）
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）開關和雙頻2.45GHz（GHz）/5GHz迷你芯片天線完善了支持設備。
專門設計成消除處理性能和功率消耗，在PSoC6集成了150兆赫茲（MHz）之間的常規折衷ARM?Cortex?-M4，其作為主要的應用程序的處理器，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RAM（SRAM），PSoC6還包括一個加密引擎，可編程的模擬和數字外設，CapSense觸摸感應支持以及多個系統接口（圖2）。
圖2：PSoC6微控制器內置于賽普拉斯PSoC62S2Wi-FiBTPioneer板的載體模塊中，它使用多核架構來滿足應用程序處理和低功耗實時執行的要求。（：賽普拉斯半導體）
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，該子系統可容納用于嵌入式設備（WICED）的賽普拉斯CYW43012無線Internet連接Wi-Fi+藍牙設備，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，經過預先認證的Wi-Fi+藍牙無線電子系統，該子系統圍繞CypressCYW43012WICED設備構建。（：村田電子）
該模塊通過藍牙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正交幅度調制（QAM），用于5GHz頻帶中的20MHz信道，與純802.11n產品相比，具有更高的吞吐量和更低的每比特能量。MurataLBEE59B1LV模塊旨在加快開發速度，已在多個地區進行了預認證，從而消除了與合規性測試和認證相關的冗長延遲。
在該模塊內，賽普拉斯WICED設備分別在Wi-Fi和藍牙子系統中集成了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。藍牙子系統中的ArmCortex-M4運行藍牙控制器固件，藍牙堆棧和配置文件。此外，該內核可以運行使用賽普拉斯WICED軟件開發套件（SDK）編程的客戶代碼。
在無線物聯網設計中使用省電方法
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，旨在簡化無線物聯網設計中省電方法的使用。例如，開發人員可以使用獨立的嵌入式Wi-Fi主機驅動程序（WHD）庫輕松實現前面提到的省電投票方法。
開發人員只需調用WHD應用編程接口（API）函數whd_wifi_enable_powersave()即可啟用省電輪詢，隨后調用whd_wifi_disable_powersave()即可在設備中禁用它。當啟用時，STA會通知AP它已經進入睡眠狀態。如前所述，接入點會緩沖任何為睡眠中的STA準備的幀，并配置其定期信標以指示幀的可用性。當STA醒來檢查信標時，它開始一個標準過程來檢索這些幀。
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發送一個空函數數據幀，它啟動了來自AP的幀傳輸。
省電輪詢和省電不輪詢允許設備減少接收器操作，但無助于消除與網絡操作開銷有關的不需要的交易。例如，包括物聯網無線局域網在內的任何網絡在連接到外部網絡，特別是公共互聯網時，將攜帶不需要的數據包流量。在不涉及物聯網設備的主機處理器的情況下，在通信子系統內過濾掉這些數據包的能力將使主機處理器保持在低功耗睡眠模式。
除了不需要的數據包，合法的網絡流量也可能導致主機處理器不必要地喚醒。例如，Wi-Fi標準地址解析協議（ARP）使用廣播數據包作為其功能的一部分，將與設備相關的IP地址映射到設備的媒體訪問控制（MAC）地址。這種操作對正常的WLAN功能至關重要，它允許設備與網絡中的其他人聯系，檢測重復的IP地址，并在一個IP地址因任何原因而改變時通知其他設備。
ARP請求和響應數據包對網絡運行非常重要，以至于物聯網設備的主機處理器僅僅處理ARP請求和響應就會變得不堪重負。如果設備的WLAN接口只是在主機和網絡之間傳遞請求和響應，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PSoC6從事其主要的物聯網應用功能時，這種能力為應用執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網設備的功耗。通過啟用具有對等自動回復功能的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）。
圖4：啟用后，ARP卸載會攔截來自網絡（左）或主機處理器（右）的ARP請求，當高速緩存滿足請求時自動響應（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，村田模塊可以監視（監聽）網絡流量并從其他ARP響應中緩存IP：MAC對。使用主機自動答復，Murata模塊可以答復來自PSoC6的ARP請求，僅當無法通過ARP緩存滿足PSoC6的請求時才調用其無線電子系統（右圖4）。
基于菜單的節能功能的簡單實現
使用Pioneer套件實現ARP卸載非常簡單。賽普拉斯設備配置器工具包含在賽普拉斯ModusToolBox（MTB）集成開發環境（IDE）中，使開發人員可以通過幾個菜單選項來部署此功能。賽普拉斯提供了預構建的配置文件，使開發人員可以快速選擇不同的配置，包括ARP卸載。
使用設備配置器工具顯式定義配置幾乎是很簡單的。開發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）并設置引腳參數（圖5）。
圖5：賽普拉斯器件配置器工具允許開發人員使用菜單來設置先鋒板提供的節能選項。（：賽普拉斯半導體）
在該工具的Wi-Fi標簽中，開發人員啟用主機喚醒功能并將中斷引腳設置為之前輸入的名稱（CYBSP_WIFI_HOST_WAKE）。其他菜單條目支持ARP卸載，將功能設置為對等自動應答，啟用網絡監聽以及設置緩存條目的有效時間（圖6）。
圖6：使用Cypress設備配置器工具中的其他菜單選項卡，開發人員可以啟用ARP卸載功能和對等自動回復等特定功能。（：賽普拉斯半導體）
保存配置后，開發人員只需生成源文件，構建修改后的項目并對Pioneer板進行編程。使用類似的過程，開發人員可以將Murata模塊配置為減輕Wi-Fi數據包過濾的負擔，并處理其他常見類型的網絡操作。相同的方法甚至允許IoT設備執行維持Wi-Fi連接所需的Wi-FiTCP保持活動協議，而無需喚醒IoT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的數據包來維護TCP連接。如果幾次嘗試后此交換的任何一方均未收到響應，則它將終止連接。即使在功率受限的IoT設備中，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模塊將自動執行keepalive協議，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設備）將自動執行保持活動協議，從而允許主機處理器保持低功耗睡眠模式。（：賽普拉斯半導體）
盡管賽普拉斯建議使用設備配置器工具作為最簡單的實現途徑，但開發人員也可以手動實現賽普拉斯平臺的節能功能，包括ARP卸載，數據包過濾，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，該中間件支持Wi-Fi，藍牙和PSoC6微控制器的這些節電功能，以及此處未提及的其他功能。
開發人員使用菜單或通過手動添加配置代碼定義配置后，LPA固件對應用程序透明運行，自動協調使用低功耗硬件功能和軟件功能。
結論
物聯網設備中對持續無線連接和延長電池壽命的需求給設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網絡處理任務的無線電子系統與低功耗微控制器相結合，使設計人員可以滿足他們的IoT無線連接和低功耗要求。
