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。在这篇博文中，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，还需要低功耗蓝牙（Bluetooth LE）连接到传感器。所有这些操作都需通过无线传输（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产品通常比低功耗蓝牙和Zigbee等特定物联网协议具有更高的功耗和实施成本。然而，大多的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协议的竞争对手。 

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和互联网协议几乎可以互换使用。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。传输可以是更少能耗且更快、更简单，和无连接的（UDP）；或者是较多能耗但可靠、安全和面向连接的（TCP）。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。要更深入地了解我们低功耗Wi-Fi开发方法的详细信息，请参阅Novus Labs的AWS物联网无线互操作性报告，该报告介绍了Silicon Labs的RS9116 Wi-Fi收发器模块，以测量各种条件下的电流消耗。

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、睡眠（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，确保你是在相同的比较基础下——这在查看“睡眠”和“关连（associated）”的定义时尤其重要，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无线电，只偶尔打开它，或者使用信标间断（beacon skipping）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。

面向特定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保持“始终连接（Always-on）”并连接到Wi-Fi网络，由于超低功耗有助于设备电池寿命的延长。例如，支持Wi-Fi/低功耗蓝牙的智能锁应用通过Wi-Fi连接到云端进行远程访问，并通过低功耗蓝牙将锁设置到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（AI/ML）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。