在設(shè)計電池供電型物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備和其他互連產(chǎn)品時，設(shè)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(shè)備中，同時需要藍(lán)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(lán)牙協(xié)議提供了有關(guān)幫助降低功耗的標(biāo)準(zhǔn)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(dān)網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)的無線電子系統(tǒng)與低功耗微控制器結(jié)合在一起。
本文將概述雙模 Wi-Fi/藍(lán)牙連接的重要性，并說明它們?yōu)楹巫屛锫?lián)網(wǎng)設(shè)計復(fù)雜化。隨后文中將展示來自 Cypress Semiconductor 的開發(fā)板和相關(guān)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(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
雙模 Wi-Fi/藍(lán)牙持續(xù)連接日益增長的需求
對于旨在通過支持藍(lán)牙的智能手機(jī)和其他移動設(shè)備與用戶互動的許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，藍(lán)牙連接被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)要求。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(luò)上的其他對等設(shè)備和主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互。
在很多方面，如果這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(lán)牙主機(jī)，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(shè)備的有效占空比通常較低，這些設(shè)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(guān)的處理任務(wù)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(shè)備都需要快速響應(yīng)來自對等設(shè)備、主機(jī)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(yīng)能力，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(yīng)。如果開發(fā)人員試圖通過反復(fù)喚醒設(shè)備接收傳入流量來滿足這一基本要求，則設(shè)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(shè)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(dāng)然，設(shè)備主機(jī)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(fù)載添加到功耗預(yù)算中。幸運的是，無線標(biāo)準(zhǔn)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(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(luò)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(biāo)，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(biāo)，指示存在緩存多播或廣播數(shù)據(jù)。STA 預(yù)期會在 DTIM 周期值內(nèi)定期喚醒，此值是正常信標(biāo)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(luò)中的設(shè)備能夠降低功耗，因為在喚醒接收器接收信標(biāo)（指示 AP 中有為其暫存的幀）之前，這些設(shè)備可以休眠更長時間。這就是下文討論的標(biāo)準(zhǔn) 802.11 節(jié)能輪詢機(jī)制背后的基本方法。
低功耗藍(lán)牙 (BLE) 通過優(yōu)化藍(lán)牙廣告頻率和有效載荷來降低設(shè)備的功耗。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；通過降低有效載荷，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以縮短發(fā)射器事件的持續(xù)時間。當(dāng)然，并不是每種應(yīng)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(shè)備中，長廣告間隔意味著連接延遲，這可能會對整個應(yīng)用的表現(xiàn)產(chǎn)生不利影響。
外設(shè)可以使用另一種名為“從設(shè)備延遲”的 BLE 功能，這種功能允許外設(shè)跳過連接事件。與 Wi-Fi DTIM 一樣，BLE 從設(shè)備延遲允許設(shè)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(shè)跳過與主機(jī)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(lán)牙設(shè)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(jìn)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(shè)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(fù)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 Cypress KitProg3 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(jī)存取存儲器 (FRAM)（圖 1）。
圖 1：Cypress 的 PSoC 62S2 Wi-Fi BT Pioneer 開發(fā)板提供了一整套系統(tǒng)功能，這些功能圍繞集成了 PSoC 6 微控制器和 Wi-Fi/藍(lán)牙無線連接模塊的載波模塊而構(gòu)建。（圖片來源：Cypress Semiconductor）
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(guān)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(shè)計，集成了用作主應(yīng)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(shè)，CapSense 觸摸感應(yīng)支持和多個系統(tǒng)接口（圖 2）。
圖 2：PSoC 6 微控制器內(nèi)置于 Cypress 的 PSoC 62S2 Wi-Fi BT Pioneer 開發(fā)板載波模塊中，使用多核架構(gòu)來滿足應(yīng)用處理和低功耗實時執(zhí)行的需求。（圖片來源：Cypress Semiconductor）
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(shè)備無線互聯(lián)網(wǎng)連接 (WICED) Wi-Fi + 藍(lán)牙設(shè)備、參考時鐘和濾波器（圖 3）。
圖 3：Murata 的 Type 1LV LBEE59B1LV 無線連接模塊提供了完整的預(yù)認(rèn)證型 Wi-Fi + 藍(lán)牙無線電子系統(tǒng)，圍繞 Cypress 的 CYW43012 WICED 設(shè)備而構(gòu)建。（圖片來源：Murata Electronics）
該模塊支持藍(lán)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(yù)認(rèn)證，消除了與合規(guī)性測試和認(rèn)證相關(guān)的漫長延遲，加快了開發(fā)速度。
在模塊內(nèi)，Cypress 的 WICED 設(shè)備在 Wi-Fi 和藍(lán)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(lán)牙子系統(tǒng)中的 Arm Cortex-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 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(shè)計中使用節(jié)能方法
PSoC 6 和無線連接模塊設(shè)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(shè)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(jī)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(yīng)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(jìn)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(biāo)以指示存在待處理的幀。當(dāng) STA 喚醒來檢查信標(biāo)時，即會開始一個標(biāo)準(zhǔn)過程來獲取這些幀。
雖然節(jié)能輪詢機(jī)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(shè)備減少接收器操作，但無助于消除與網(wǎng)絡(luò)操作開銷相關(guān)的非必要事務(wù)。例如，在連接到外部網(wǎng)絡(luò)（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(luò)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(shè)備主機(jī)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(luò)流量也會導(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) 可使用廣播數(shù)據(jù)包將與設(shè)備相關(guān)聯(lián)的 IP 地址映射到設(shè)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(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備聯(lián)系、檢測重復(fù)的 IP 地址，并在 IP 地址因任何原因改變時通知其他設(shè)備。
ARP 請求和響應(yīng)數(shù)據(jù)包是網(wǎng)絡(luò)操作中基本的數(shù)據(jù)包，以至于僅僅處理 ARP 請求和響應(yīng)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主機(jī)處理器就會不堪重負(fù)。如果設(shè)備的 WLAN 接口只是在主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)之間傳遞請求和響應(yīng)，則每個 ARP 請求都會喚醒主機(jī)，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(fù)載。當(dāng) PSoC 6 以其他方式參與其主物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能時，該功能可為應(yīng)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(shè)備的整體功耗。Murata 模塊通過對等設(shè)備自動應(yīng)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）。
圖 4：啟用后，ARP 卸載會攔截來自網(wǎng)絡(luò)（左）或主機(jī)處理器（右）的 ARP 請求，當(dāng)緩存滿足請求時自動響應(yīng)（上），只有緩存缺失時才會喚醒處理器（下）。（圖片來源：Cypress Semiconductor）
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(luò)流量，并緩存來自其他 ARP 響應(yīng)的 IP:MAC 對。通過使用主機(jī)自動應(yīng)答，Murata 模塊可以響應(yīng)來自 PSoC 6 的 ARP 請求，只有當(dāng) 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(yù)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(jìn)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(jī)喚醒引腳、命名引腳 (CYBSP_WIFI_HOST_WAKE)，并設(shè)置引腳參數(shù)（圖 5）。
圖 5：Cypress Device Configurator 工具能夠讓開發(fā)人員使用菜單設(shè)置 Pioneer 開發(fā)板可用的節(jié)能選項。（圖片來源：Cypress Semiconductor）
在該工具的 Wi-Fi 選項卡中，開發(fā)人員可啟用主機(jī)喚醒，并將中斷引腳設(shè)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(shè)置為對等設(shè)備自動應(yīng)答，啟用網(wǎng)絡(luò)窺探，以及設(shè)置緩存條目過期時間（圖 6）。
圖 6：使用 Cypress Device Configurator 工具中的其他菜單選項卡，開發(fā)人員可以啟用 ARP 卸載和特定功能，如對等設(shè)備自動應(yīng)答。（圖片來源：Cypress Semiconductor）
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(jìn)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(luò)操作。同樣的方法甚至允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(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(yīng)，其將終止連接。即使在功耗受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，主機(jī)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）。
圖 7：當(dāng)啟用 TCP 保持活動卸載時，無線連接模塊（WLAN 設(shè)備）自動執(zhí)行保持活動協(xié)議，允許主機(jī)處理器保持在低功耗休眠模式。（圖片來源：Cypress Semiconductor）
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(chǔ)都是 Cypress 的低功耗助理 (LPA) 中間件，該中間件支持用于 Wi-Fi、藍(lán)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(yīng)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(shè)備對持續(xù)無線連接和延長電池續(xù)航時間的需求為設(shè)計人員提出了相互矛盾的要求，而同時支持 Wi-Fi 和藍(lán)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(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，Cypress Semiconductor 的 CY8CKIT-062S2-43012 Wi-Fi BT Pioneer 套件能夠讓設(shè)計人員滿足物聯(lián)網(wǎng)無線連接和低功耗需求。
