我們最近發布了一篇博客文章和一份白皮書,解釋了Wi-Fi在物聯網設備開發中日益增長的機會。隨著Wi-Fi芯片的成本和功耗的降低,它們成為節能物聯網設備的理想選擇。在這篇博客文章中,我們將分享更多關于設計Wi-Fi節能設備時需要考慮的細節,例如,可穿戴應用。
智能手表等小型設備在空間和電池壽命方面帶來了額外的挑戰。小尺寸的SiP模塊是推進產品快速上市的理想選擇。可穿戴設備,需要GPS連接以進行位置跟蹤,需要Wi-Fi以進行云連接,BT/A2DP連接以進行音樂流,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)進行更新之外,同時通過單次充電盡可能地延長電池壽命。Wi-Fi客戶端設備在監聽模式下的功耗與接收數據時消耗的相同。
機遇與挑戰
Wi-Fi是一種廣泛部署的協議,擁有超過220億臺部署設備,這意味著它在大多數家庭和商業環境中幾乎無處不在且皆可使用。它的數據吞吐量明顯更高——幾乎是大多數物聯網協議的10-100倍——允許幾乎沒有延遲地傳輸音頻和視頻流。高數據速率和范圍支持許多應用。最后,Wi-Fi提供了持續的云連接,使得網關成為不必要。憑借這些優勢,Wi-Fi是嵌入式解決方案最明顯的選擇。
然而,這些好處確實是有代價的。由于Wi-Fi提供的范圍和吞吐量要求更高的設計復雜性,Wi-Fi產品通常比藍牙低功耗和Zigbee等物聯網特定協議具有更高的功耗和實施成本。然而,大多數這種復雜性可以通過使用預先認證的模塊來管理。此外,Wi-Fi設備的成本和功耗正在下降,目前已成為許多物聯網應用的競爭對手。
Wi-Fi規格的演變—物聯網設備的Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6
從Wi-Fi規格的演變來看,802.11n (Wi-Fi 4)比802.11ac (Wi-Fi 5)更適合物聯網應用,因為802.11n是雙頻段(2.4 GHz和5 GHz),而802.11ac是基于5 GHz的單頻段。對于嵌入式應用,2.4 GHz的范圍和更好的對象穿透性比5 GHz頻率更方便。此外,由于更高的協議復雜性,基于802.11ac的系統成本和功耗更高。雖然11ac確實提供了增強的吞吐量,但802.11n提供的數據速率對于大多數電池供電的物聯網應用來說已經足夠了。
802.11ax (Wi-Fi 6) 是該規格的最新版本,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網設備需求不斷增長而導致Wi-Fi網絡上設備數量迅速增加的問題。
Wi-Fi 6能有效利用可用頻譜針對有效利用可用頻譜,Wi-Fi 6通過引入目標喚醒時間(TWT)、OFDMA和MU-MIMO專門解決了物聯網問題。TWT (見下圖) 在接入點和設備之間有計劃的傳輸時間,這大大節省了電池壽命。設備不需要一直在網絡上等待傳輸機會,只需在特定時間喚醒進行傳輸。
通過正交頻分多址(OFDMA)技術,信道被細分為更小的頻率分配,從而可以同時向多個設備傳輸幀。這減少了在物聯網設備接收到整個幀,只是為了向其發送少量的數據時發生數據傳輸插槽的浪費。
另一方面,MU-MIMO依賴于空間流來同時傳輸到多個設備。由于復雜性僅存在于接入點中(Access Point),MU-MIMO允許具有單個天線的物聯網設備接收AP傳輸多個流中的一個。下行鏈路側的MU-MIMO支持單天線客戶端設備。
為現有的電池供電設備添加任何物聯網無線協議連接都是一項挑戰,因為添加的通信將增加電力開銷。通過高效的系統設計和平衡權衡,將低功耗Wi-Fi集成到現有設備以及獨立的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:根據產品選擇電池的尺寸。你必須考慮電池是否可以充電,設備是否需要在一定的延遲時間內接收數據,以及要傳輸的數據量等因素。在不同的操作模式之間轉換所需的能量取決于設備中存儲的電荷量。這決定了設備在需要充電或換掉電池之前能工作多長時間。
確定最佳的網絡協議:Wi-Fi和Internet幾乎可以互換使用,因為它們一起使用。一種思考方式是,互聯網就是數據,當Wi-Fi提供了獲取從A點到B點的數據傳輸。傳輸可以更快、更簡單,和無連接 (UDP),導致更少的能耗,或者是可靠、安全和面向連接 (TCP),導致更多的能耗。兩者之間的有效切換將提供最佳的功耗。
將活躍的發送(TX)和接收(RX)模式所花費的時間最小化:在Wi-Fi的高數據速率下,不頻繁地聚合數據和發送/接收數據可能是有意義的。使用更高的數據速率來更快地傳輸數據,并減少在高功率傳輸模式下花費的時間,也可能是有意義的。應用程序可以在低占空比下工作,并且僅在連接到網絡時才能傳輸。通常,無線電接收器在一段時間內往往比無線電發射器消耗更多的能量,因為與主動傳輸相比,處于接收模式的時間更長。在Wi-Fi 5之前,定義的省電機制PS-POLL為省電輪詢(Power Save Polling) 。Wi-Fi接入點定期發送帶有DTIM周期值的信標,該值指示物聯網設備是否存在緩沖幀。預計物聯網設備將在DTIM周期值內間隔喚醒,以接收此信標。DTIM值越高,設備處于休眠狀態的時間越長,從而節省能源。
Silicon Labs RS9116 Wi-Fi收發器在DTIM10處有55 uA備用關聯電流(即每10個信標廣播1個DTIM,典型信標間隔為十分之一秒) ,或者可以選擇一秒信標收聽間隔。要更深入地了解我們低功耗Wi-Fi開發方法的詳細信息,請參閱Novus Labs的AWS物聯網無線互操作性報告,該報告介紹了Silicon Labs的RS9116 Wi-Fi收發器模塊,以測量各種條件下的電流消耗。
選擇正確的設備:并不是所有Wi-Fi芯片組都是相同的,因此請確保為你感興趣的TX、RX、sleep和DTIM模式選擇盡可能低的電流消耗設備。注意數據表中的技巧,確保你是在蘋果進行比較——這在查看“睡眠”和“相關”的當前定義時尤其重要,因為供應商對它們的定義不同。
考慮系統級別:如果你可以容忍延遲,那么可以在系統級別上找到最佳的功率優化,方法是查看是否可以關閉收音機,只偶爾打開它,或者使用信標跳過等技術來減少空閑/睡眠電流。在電源打開和關閉模式之間切換時,需要將延遲降至最低,同時消耗最少的電源。
使用Wi-Fi標準中提供的低功耗功能:Wi-Fi標準具有許多功耗優化功能,包括DTIM休眠模式和節能功能,可以為你節省大量電力。有了Wi-Fi 6,TWT也可以發揮作用。
專門物聯網應用的低功耗Wi-Fi設計決策
使用這些策略,物聯網設備似乎可以“一直開著”,并連接到Wi-Fi,由于超低功耗,電池壽命延長。例如,支持Wi-Fi/BLE的智能鎖應用通過Wi-Fi連接到云端進行遠程訪問,并通過藍牙LE將鎖設置到Wi-Fi網絡上。請記住,諸如安全云連接(TLS證書交換)、網絡通信(與云通信的MQTT)和OTA更新等操作都是在后臺進行的,這會進一步影響系統當前的消耗。通過優化功耗,智能鎖保持“始終連接”模式下的典型電池壽命在低擁塞環境下為三年,在密集和擁塞的無線環境下為兩年。
此外,隨著人工智能和機器學習等技術的發展,邊緣設備將變得比現在更節能。可能有人會擔心,對于AI/ML,節能機制可能不再是物聯網設備的優勢。以xG24為例,它通過內置的專用AI/ML硬件加速器,在保持超低功耗的同時,專注于快速高效地處理復雜的計算,從而緩解了這些問題。
原文標題:【IoT干貨】利用Wi-Fi開發節能的可穿戴設備
文章出處:【微信公眾號:SiliconLabs】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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