嵌入式低功耗WiFi设备保活功耗分析

(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：

(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：

(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：

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
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
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。

(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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