如何精确分析嵌入式低功耗WiFi设备保活状态下的超低功耗？

(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。