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嵌入式低功耗WiFi设备保活功耗分析

转载 作者:我是一只小鸟 更新时间:2023-07-12 22:31:24 24 4
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(一)嵌入式低功耗设备介绍

在物联网(IoT)领域,设备可以使用以太网和无线网进行网络连接.

  • 以太网 : 网络稳定,带宽高,延迟低,但是以太网需要拉网布线,设备安装邻活便利性能差。
  • 无线网络 :安装位置灵活,便利,但是网络信号容易受到干扰,带宽和速度有限。

常见的低功耗WiFi设备有:可视门铃,可视猫眼,智能门锁等设备.

他们的特点是: 设备依赖锂电池供电,电池容量一般较低,对设备功耗非常敏感.

正常工作的时候,设备是处于休眠保活的低功耗状态,它可以通过两种方式唤醒设备:

  • 通过IoT平台远程网络唤醒设备,IoT平台退出后,设备又进入到休眠保活状态
  • 设备自身事件触发设备唤醒(PIR,防拆,按键等触发),事件处理完后,设备重新进入休眠

通过上面介绍,我们可以知道该类设备主要的功耗消耗在于两个方面:

  • 设备最长时间是处于休眠保活状态,设备休眠保活功耗占比高
  • 设备事件唤醒正常工作时,一般需要进行图像等处理,消耗的功耗大

最理想的功耗控制方案是: 设备休眠保活时的功耗非常低,设备事件触发正常工作的频率非常低,每次唤醒工作的时间非常短.

我们可以看下面360可视门铃对功耗和续航的描述:

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(二)低功耗保活技术分析

低功耗保活技术,实际上也就是低功耗设备在休眠的时候,设备端与IoT平台保持一个网络上的连接,这样做有两个目的:

  • IoT平台可以知道设备的在线状态,并且可以远程网络唤醒设备
  • 设备端的WiFi模块是处于低功耗休眠状态,如果有事件唤醒,可以很快就建立起新的网络连接。

为了降低设备端的功耗,设备端一般是设置60秒或是更加长的时间周期往IoT平台发送一个心跳包,以保持设备在线状态.

如果IoT平台超时没有收到设备端的心跳,会判定设备以及离线.

正常保活功耗图如下:

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(三)实际问题分析

对于上面介绍的这类通过WiFi进行休眠保活的设备,在实际应用中会出现各种问题,比如:

  1. 同一个设备,连接不同的路由器,其休眠保活的功耗会存在很大的差异
  2. 同一设备,连接同一路由器,在不同环境的不同时间,功耗也会存在差异
  3. 同时生产的同一批设备,在国内没问题,在国外使用就会出现只能用几天的问题

为什么会出现这些差异?其根本原因是什么?又可以通过什么方式进行规避呢?

1.同一设备,连接不同路由器功耗会有差异

这里主要是跟路由器的beacon有关系,beacon是路由器定期广播的一种管理帧,它携带了关键的网络信息,比如SSID,Rates,DSPS等信息。下面是使用抓包工具抓得一个beacon帧信息 。

路由器一般是100ms广播一次,同样的,设备端的WiFi模块也会以相同的周期去接受路由器的beacon,这里有两个目的:

  • 接收路由器的beacon包,以检查是否有IoT网络唤醒请求
  • 通过路由器beacon包进行时间同步

那为什么设备连接不同的路由器,设备端休眠保活的功耗会不一样呢? 主要原因是: 路由器的beacon包规律性存在差异 。

  • 路由器本身的定时器不准,100ms的定时存在偏差,导致设备端WiFi长时间的等待接收beacon包
  • 路由器负载高的时候,可能优先进行数据传输,导致beacon包延后发送,这个时候设备端的WiFi处于等待状态,会比休眠的时候功耗高

2.同一设备,连接同一个路由器功耗也会有差异

同一个设备,连接到同一个路由器功耗会存在差异,主要原因有:

  • 路由器同信道有无线干扰
  • 路由器与设备距离远
  • 路由器与设备中间有障碍物阻挡

距离与障碍物遮挡,这类问题还是比较容易被发现,但无线干扰这个就比较难定位,无线干扰主要是指同频段的电磁波干扰.

因为有干扰源的存在,路由器发出的beacon广播包,设备端可能会接收不到,所以设备端会超时接收,导致功耗变大.

如何查看环境的干扰情况呢?

  • 使用频谱仪搜索环境信号
  • 使用WiFi魔盒查看WiFi干扰情况(只能看出大概情况)
  • 使用无线抓包工具,查看丢包情况

下图是使用抓包工具去抓路由器 beacon 广播包的情况, FAST_EA06 是路由器名 。

通过分析抓取到的beacon包,可以知道功耗偏高问题,是当前环境干扰引起的,还是设备端自身的问题.

3.其它问题

其它的一些问题,比如: 同时生产的一批设备,在国内没问题,在国外使用就会出现只能用几天的问题,或者是连接到某些路由器时就会出现电量消耗很快的情况 .

这类问题的原因可能会比较多,主要是跟路由器的设置有关系,比如路由器的租期时间长短,路由器ARP缓存表更新策略等 。

这里分析一下路由器ARP缓存表更新引起的功耗变大问题 。

路由器和主机都会维护一个ARP缓存表,目的是为了解析IP地址与MAC地址之间的关系.

如果设备刚连接上设备,路由器ARP缓存表上没有该设备IP和MAC地址信息,那么路由器会广播,“谁拥有这个IP地址对应的MAC地址?”,该IP的设备收到该广播后,正常应该将自己的MAC地址告知路由器.

如果设备端没有应答该路由器的ARP请求,或者是说该应答机制有问题,那么,有些路由器有可能会断开该IP的所有连接,导致的结果就是设备端与IoT的保活连接被断开 。

如果保活链路被断开了,那么设备端需要被唤醒,重新建立保活连接,这样一来,设备端的功耗就会变得很高.

如果一直没有ARP应答,那么设备可能间隔一小段时间,就会被唤醒去重新建立网络。最终的结果就是设备使用几天就没电了.

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(四)如何优化保活功耗

要优化嵌入式WiFi保活功耗,主要的方式有:

  • 选择干扰较少的无线频段
  • 避免物理障碍以及缩短路由器与设备间的距离
  • 增强路由器与设备端的信号强度
  • 控制路由器的负载,使其beacon包按规律稳定发送

功耗控制是一个综合性问题,与设备结构,硬件,软件都有关系。在电池技术没有突破性进展的前提下,要想做到超时长续航,在产品功能上势必需要做一些取舍.

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最后此篇关于嵌入式低功耗WiFi设备保活功耗分析的文章就讲到这里了,如果你想了解更多关于嵌入式低功耗WiFi设备保活功耗分析的内容请搜索CFSDN的文章或继续浏览相关文章,希望大家以后支持我的博客! 。

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