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SiliconLabs利用Wi-Fi开发节能的可穿戴设备

我们最近发布了一篇博客文章和一份白皮书,解释了Wi-Fi在物联网设备开发中日益增长的机会。随着Wi-Fi芯片的成本和功耗的降低,它们成为节能物联网设备的理想选择。在这篇博客文章中,我们将分享更多关于设计Wi-Fi节能设备时需要考虑的细节,例如,可穿戴应用。

智能手表等小型设备在空间和电池寿命方面带来了额外的挑战。小尺寸的SiP模块是推进产品快速上市的理想选择。可穿戴设备,需要GPS连接以进行位置跟踪,需要Wi-Fi以进行云连接,BT/A2DP连接以进行音乐流,还需要BLE连接到传感器。所有这些操作都需通过无线(Over-The-Air, OTA)进行更新之外,同时通过单次充电尽可能地延长电池寿命。Wi-Fi客户端设备在监听模式下的功耗与接收数据时消耗的相同。

机遇与挑战

Wi-Fi是一种广泛部署的协议,拥有超过220亿台部署设备,这意味着它在大多数家庭和商业环境中几乎无处不在且皆可使用。它的数据吞吐量明显更高——几乎是大多数物联网协议的10-100倍——允许几乎没有延迟地传输音频和视频流。高数据速率和范围支持许多应用。最后,Wi-Fi提供了持续的云连接,使得网关成为不必要。凭借这些优势,Wi-Fi是嵌入式解决方案最明显的选择。

然而,这些好处确实是有代价的。由于Wi-Fi提供的范围和吞吐量要求更高的设计复杂性,Wi-Fi产品通常比蓝牙低功耗和Zigbee等物联网特定协议具有更高的功耗和实施成本。然而,大多数这种复杂性可以通过使用预先认证的模块来管理。此外,Wi-Fi设备的成本和功耗正在下降,目前已成为许多物联网应用的竞争对手。

Wi-Fi规格的演变—物联网设备的Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6

从Wi-Fi规格的演变来看,802.11n (Wi-Fi 4)比802.11ac (Wi-Fi 5)更适合物联网应用,因为802.11n是双频段(2.4 GHz和5 GHz),而802.11ac是基于5 GHz的单频段。对于嵌入式应用,2.4 GHz的范围和更好的对象穿透性比5 GHz频率更方便。此外,由于更高的协议复杂性,基于802.11ac的系统成本和功耗更高。虽然11ac确实提供了增强的吞吐量,但802.11n提供的数据速率对于大多数电池供电的物联网应用来说已经足够了。

802.11ax (Wi-Fi 6) 是该规格的最新版本,承诺最大吞吐量速度为9.6 Gbps,而Wi-Fi 5为3.5 Gbps,Wi-Fi 4为600 Mbps。Wi-Fi 6的推出主要是为了解决因物联网设备需求不断增长而导致Wi-Fi网络上设备数量迅速增加的问题。

Wi-Fi 6能有效利用可用频谱

针对有效利用可用频谱,Wi-Fi 6通过引入目标唤醒时间(TWT)、OFDMA和MU-MIMO专门解决了物联网问题。TWT (见下图) 在接入点和设备之间有计划的传输时间,这大大节省了电池寿命。设备不需要一直在网络上等待传输机会,只需在特定时间唤醒进行传输。

通过正交频分多址(OFDMA)技术,信道被细分为更小的频率分配,从而可以同时向多个设备传输帧。这减少了在物联网设备接收到整个帧,只是为了向其发送少量的数据时发生数据传输插槽的浪费。

另一方面,MU-MIMO依赖于空间流来同时传输到多个设备。由于复杂性仅存在于接入点中(Access Point),MU-MIMO允许具有单个天线的物联网设备接收AP传输多个流中的一个。下行链路侧的MU-MIMO支持单天线客户端设备。

为现有的电池供电设备添加任何物联网无线协议连接都是一项挑战,因为添加的通信将增加电力开销。通过高效的系统设计和平衡权衡,将低功耗Wi-Fi集成到现有设备以及独立的Wi-Fi解决方案中是很有可能的。

使用Wi-Fi降低功耗的步骤

首先,确定电池的最佳尺寸:根据产品选择电池的尺寸。你必须考虑电池是否可以充电,设备是否需要在一定的延迟时间内接收数据,以及要传输的数据量等因素。在不同的操作模式之间转换所需的能量取决于设备中存储的电荷量。这决定了设备在需要充电或换掉电池之前能工作多长时间。

确定最佳的网络协议:Wi-Fi和Internet几乎可以互换使用,因为它们一起使用。一种思考方式是,互联网就是数据,当Wi-Fi提供了获取从A点到B点的数据传输。传输可以更快、更简单,和无连接 (UDP),导致更少的能耗,或者是可靠、安全和面向连接 (TCP),导致更多的能耗。两者之间的有效切换将提供最佳的功耗。

将活跃的发送(TX)和接收(RX)模式所花费的时间最小化:在Wi-Fi的高数据速率下,不频繁地聚合数据和发送/接收数据可能是有意义的。使用更高的数据速率来更快地传输数据,并减少在高功率传输模式下花费的时间,也可能是有意义的。应用程序可以在低占空比下工作,并且仅在连接到网络时才能传输。通常,无线电接收器在一段时间内往往比无线电发射器消耗更多的能量,因为与主动传输相比,处于接收模式的时间更长。在Wi-Fi 5之前,定义的省电机制PS-POLL为省电轮询(Power Save Polling) 。Wi-Fi接入点定期发送带有DTIM周期值的信标,该值指示物联网设备是否存在缓冲帧。预计物联网设备将在DTIM周期值内间隔唤醒,以接收此信标。DTIM值越高,设备处于休眠状态的时间越长,从而节省能源。

Silicon Labs RS9116 Wi-Fi收发器在DTIM10处有55 uA备用关联电流(即每10个信标广播1个DTIM,典型信标间隔为十分之一秒) ,或者可以选择一秒信标收听间隔。

选择正确的设备:并不是所有Wi-Fi芯片组都是相同的,因此请确保为你感兴趣的TX、RX、sleep和DTIM模式选择尽可能低的电流消耗设备。注意数据表中的技巧,确保你是在苹果进行比较——这在查看“睡眠”和“相关”的当前定义时尤其重要,因为供应商对它们的定义不同。

考虑系统级别:如果你可以容忍延迟,那么可以在系统级别上找到最佳的功率优化,方法是查看是否可以关闭收音机,只偶尔打开它,或者使用信标跳过等技术来减少空闲/睡眠电流。在电源打开和关闭模式之间切换时,需要将延迟降至最低,同时消耗最少的电源。

使用Wi-Fi标准中提供的低功耗功能:Wi-Fi标准具有许多功耗优化功能,包括DTIM休眠模式和节能功能,可以为你节省大量电力。有了Wi-Fi 6,TWT也可以发挥作用。

专门物联网应用的低功耗Wi-Fi设计决策

使用这些策略,物联网设备似乎可以“一直开着”,并连接到Wi-Fi,由于超低功耗,电池寿命延长。例如,支持Wi-Fi/BLE的智能锁应用通过Wi-Fi连接到云端进行远程访问,并通过蓝牙LE将锁设置到Wi-Fi网络上。请记住,诸如安全云连接(TLS证书交换)、网络通信(与云通信的MQTT)和OTA更新等操作都是在后台进行的,这会进一步影响系统当前的消耗。通过优化功耗,智能锁保持“始终连接”模式下的典型电池寿命在低拥塞环境下为三年,在密集和拥塞的无线环境下为两年。

此外,随着人工智能和机器学习等技术的发展,边缘设备将变得比现在更节能。可能有人会担心,对于AI/ML,节能机制可能不再是物联网设备的优势。以xG24为例,它通过内置的专用AI/ML硬件加速器,在保持超低功耗的同时,专注于快速高效地处理复杂的计算,从而缓解了这些问题。

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