嵌入式低功耗WiFi裝置保活功耗分析
(一)嵌入式低功耗裝置介紹
在物聯網(IoT)領域，裝置可以使用乙太網和無線網進行網路連線。
- 乙太網: 網路穩定，頻寬高，延遲低，但是乙太網需要拉網布線，裝置安裝鄰活便利效能差。
- 無線網路:安裝位置靈活，便利，但是網路訊號容易受到干擾，頻寬和速度有限。
常見的低功耗WiFi裝置有：可視門鈴，可視貓眼，智慧門鎖等裝置。
他們的特點是:裝置依賴鋰電池供電，電池容量一般較低，對裝置功耗非常敏感。
正常工作的時候，裝置是處於休眠保活的低功耗狀態，它可以通過兩種方式喚醒裝置：
- 通過IoT平臺遠端網路喚醒裝置，IoT平臺退出後，裝置又進入到休眠保活狀態
- 裝置自身事件觸發裝置喚醒(PIR，防拆，按鍵等觸發)，事件處理完後，裝置重新進入休眠
通過上面介紹，我們可以知道該類裝置主要的功耗消耗在於兩個方面：
- 裝置最長時間是處於休眠保活狀態，裝置休眠保活功耗佔比高
- 裝置事件喚醒正常工作時，一般需要進行影象等處理，消耗的功耗大
最理想的功耗控制方案是：裝置休眠保活時的功耗非常低，裝置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。
我們可以看下面360可視門鈴對功耗和續航的描述：
(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裝置在休眠的時候，裝置端與IoT平臺保持一個網路上的連線，這樣做有兩個目的：
- IoT平臺可以知道裝置的線上狀態，並且可以遠端網路喚醒裝置
- 裝置端的WiFi模組是處於低功耗休眠狀態，如果有事件喚醒，可以很快就建立起新的網路連線。
為了降低裝置端的功耗，裝置端一般是設定60秒或是更加長的時間週期往IoT平臺傳送一個心跳包，以保持裝置線上狀態。
如果IoT平臺超時沒有收到裝置端的心跳，會判定裝置以及離線。
正常保活功耗圖如下：
(三)實際問題分析
對於上面介紹的這類通過WiFi進行休眠保活的裝置，在實際應用中會出現各種問題，比如：
- 同一個裝置，連線不同的路由器，其休眠保活的功耗會存在很大的差異
- 同一裝置，連線同一路由器，在不同環境的不同時間，功耗也會存在差異
- 同時生產的同一批裝置，在國內沒問題，在國外使用就會出現只能用幾天的問題
為什麼會出現這些差異？其根本原因是什麼？又可以通過什麼方式進行規避呢？
1.同一裝置，連線不同路由器功耗會有差異
這裡主要是跟路由器的beacon有關係，beacon是路由器定期廣播的一種管理幀，它攜帶了關鍵的網路資訊，比如SSID，Rates,DSPS等資訊。下面是使用抓包工具抓得一個beacon幀資訊
路由器一般是100ms廣播一次，同樣的，裝置端的WiFi模組也會以相同的週期去接受路由器的beacon，這裡有兩個目的：
- 接收路由器的beacon包，以檢查是否有IoT網路喚醒請求
- 通過路由器beacon包進行時間同步
那為什麼裝置連線不同的路由器，裝置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，導致裝置端WiFi長時間的等待接收beacon包
- 路由器負載高的時候，可能優先進行資料傳輸，導致beacon包延後傳送，這個時候裝置端的WiFi處於等待狀態，會比休眠的時候功耗高
2.同一裝置，連線同一個路由器功耗也會有差異
同一個裝置，連線到同一個路由器功耗會存在差異，主要原因有：
- 路由器同通道有無線干擾
- 路由器與裝置距離遠
- 路由器與裝置中間有障礙物阻擋
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，裝置端可能會接收不到，所以裝置端會超時接收，導致功耗變大。
如何檢視環境的干擾情況呢？
- 使用頻譜儀搜尋環境訊號
- 使用WiFi魔盒檢視WiFi干擾情況(只能看出大概情況)
- 使用無線抓包工具，檢視丟包情況
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，還是裝置端自身的問題。
3.其它問題
其它的一些問題，比如：同時生產的一批裝置，在國內沒問題，在國外使用就會出現只能用幾天的問題，或者是連線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定有關係，比如路由器的租期時間長短，路由器ARP快取表更新策略等
這裡分析一下路由器ARP快取表更新引起的功耗變大問題
路由器和主機都會維護一個ARP快取表，目的是為了解析IP地址與MAC地址之間的關係。
如果裝置剛連線上裝置，路由器ARP快取表上沒有該裝置IP和MAC地址資訊，那麼路由器會廣播，「誰擁有這個IP地址對應的MAC地址？」，該IP的裝置收到該廣播後，正常應該將自己的MAC地址告知路由器。
如果裝置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，那麼，有些路由器有可能會斷開該IP的所有連線，導致的結果就是裝置端與IoT的保活連線被斷開
如果保活鏈路被斷開了，那麼裝置端需要被喚醒，重新建立保活連線，這樣一來，裝置端的功耗就會變得很高。
如果一直沒有ARP應答，那麼裝置可能間隔一小段時間，就會被喚醒去重新建立網路。最終的結果就是裝置使用幾天就沒電了。
(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裝置間的距離
- 增強路由器與裝置端的訊號強度
- 控制路由器的負載，使其beacon包按規律穩定傳送
功耗控制是一個綜合性問題，與裝置結構，硬體，軟體都有關係。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捨。
