(一)嵌入式低功耗設備介紹

在物聯網(IoT)領域，設備可以使用以太網和無線網進行網絡連接。

以太網: 網絡穩定，帶寬高，延遲低，但是以太網需要拉網布線，設備安裝鄰活便利性能差。

無線網絡:安裝位置靈活，便利，但是網絡信號容易受到干擾，帶寬和速度有限。

常見的低功耗WiFi設備有：可可視門鈴，可視貓眼，智能門鎖等設備。

他們的特點是:設備依賴鋰電池供電，電池容量一般較低，對設備功耗非常敏感。

正常工作的時候，設備是處于休眠保活的低功耗狀態，它可以通過兩種方式喚醒設備：

通過IoT平臺遠程網絡喚醒設備，IoT平臺退出后，設備又進入到休眠保活狀態

設備自身事件觸發設備喚醒(PIR，防拆，按鍵等觸發)，事件處理完后，設備重新進入休眠

通過上面介紹，我們可以知道該類設備主要的功耗消耗在于兩個方面：

設備最長時間是處于休眠保活狀態，設備休眠保活功耗占比高

設備事件喚醒正常工作時，一般需要進行圖像等處理，消耗的功耗大

最理想的功耗控制方案是：設備休眠保活時的功耗非常低，設備事件觸發正常工作的頻率非常低，每次喚醒工作的時間非常短。

(二)低功耗保活技術分析

低功耗保活技術，實際上也就是低功耗設備在休眠的時候，設備端與IoT平臺保持一個網絡上的連接，這樣做有兩個目的：

IoT平臺可以知道設備的在線狀態，并且可以遠程網絡喚醒設備

設備端的WiFi模塊是處于低功耗休眠狀態，如果有事件喚醒，可以很快就建立起新的網絡連接。

為了降低設備端的功耗，設備端一般是設置60秒或是更加長的時間周期往IoT平臺發送一個心跳包，以保持設備在線狀態。

如果IoT平臺超時沒有收到設備端的心跳，會判定設備已經離線。

設備正常保活功耗如下圖：

(三)實際問題分析

對于上面介紹的這類通過WiFi進行休眠保活的設備，在實際應用中會出現各種問題，比如：

同一個設備，連接不同的路由器，其休眠保活的功耗會存在很大的差異

同一設備，連接同一路由器，在不同環境的不同時間，功耗也會存在差異

同時生產的同一批設備，在國內沒問題，在國外使用就會出現只能用幾天的問題

為什么會出現這些差異？其根本原因是什么？又可以通過什么方式進行規避呢？

1.同一設備，連接不同路由器功耗會有差異

這里主要是跟路由器的beacon有關系，beacon是路由器定期廣播的一種管理幀，它攜帶了關鍵的網絡信息，比如SSID，Rates,DSPS等信息。下面是使用抓包工具抓的一個beacon幀信息

路由器一般是100ms廣播一次，同樣的，設備端的WiFi模塊也會以相同的周期去接收路由器的beacon，這里有兩個目的：

接收路由器的beacon包，以檢查是否有IoT網絡喚醒請求

通過路由器beacon包進行時間同步

那為什么設備連接不同的路由器，設備端休眠保活的功耗會不一樣呢？主要原因是:路由器的beacon包規律性存在差異

路由器本身的定時器不準，100ms的定時存在偏差，導致設備端WiFi長時間的等待接收beacon包

路由器負載高的時候，可能優先進行數據傳輸，導致beacon包延后發送，這個時候設備端的WiFi處于等待狀態，會比休眠的時候功耗高

2.同一設備，連接同一個路由器功耗也會有差異

同一個設備，連接到同一個路由器功耗會存在差異，主要原因有：

路由器同信道有無線干擾

路由器與設備距離遠

路由器與設備中間有障礙物阻擋

距離與障礙物遮擋，這類問題還是比較容易被發現，但無線干擾這個就比較難定位，無線干擾主要是指同頻段的電磁波干擾。

因為有干擾源的存在，路由器發出的beacon廣播包，設備端可能會接收不到，所以設備端會超時接收，導致功耗變大。

如何查看環境的干擾情況呢？

使用頻譜儀搜索環境信號

使用WiFi魔盒查看WiFi干擾情況(只能看出大概情況)

使用無線抓包工具，查看丟包情況

下圖是使用抓包工具去抓路由器?beacon?廣播包的情況，FAST_EA06?是路由器名

通過分析抓取到的beacon包，可以知道功耗偏高問題，是當前環境干擾引起的，還是設備端自身的問題。

3.其它問題

其它的一些問題，比如：同時生產的一批設備，在國內沒問題，在國外使用就會出現只能用幾天的問題，或者是連接到某些路由器時就會出現電量消耗很快的情況。

這類問題的原因可能會比較多，主要是跟路由器的設置有關系，比如路由器的租期時間長短，路由器ARP緩存表更新策略等

這里分析一下路由器ARP緩存表更新引起的功耗變大的問題

路由器和主機都會維護一個ARP緩存表，目的是為了解析IP地址與MAC地址之間的關系。

如果設備剛連接上設備，路由器ARP緩存表上沒有該設備IP和MAC地址信息，那么路由器會廣播，“誰擁有這個IP地址對應的MAC地址？”，該IP的設備收到該廣播后，正常應該將自己的MAC地址告知路由器。

如果設備端沒有應答該路由器的ARP請求，或者是說該應答機制有問題，那么，有些路由器有可能會斷開該IP的所有連接，導致的結果就是設備端與IoT的保活連接被斷開

如果保活鏈路被斷開了，那么設備端需要被喚醒，重新建立保活連接，這樣一來，設備端的功耗就會變得很高。

如果一直沒有ARP應答，那么設備可能間隔一小段時間，就會被喚醒去重新建立網絡。最終的結果就是設備使用幾天就沒電了。

(四)如何優化保活功耗

要優化嵌入式WiFi保活功耗，主要的方式有：

選擇干擾較少的無線頻段

避免物理障礙以及縮短路由器與設備間的距離

增強路由器與設備端的信號強度

控制路由器的負載，使其beacon包按規律穩定發送

功耗控制是一個綜合性問題，與設備結構，硬件，軟件都有關系。在電池技術沒有突破性進展的前提下，要想做到超時長續航，在產品功能上勢必需要做一些取舍。

編輯：黃飛

?