Wi-Fi 场景下低功耗模式介绍 ========================== :link_to_translation:`en:[English]` 本节将结合纯系统下的功耗模式来介绍 Wi-Fi 场景下的低功耗模式。因为 Wi-Fi 场景的复杂性，本节会首先介绍 Wi-Fi 省电的基本原理，然后再介绍具体的低功耗模式。本节主要针对 station 模式。 Wi-Fi 场景如何选择低功耗模式 -------------------------------------- 在介绍具体内容前先给出 Wi-Fi 场景下低功耗模式总结表，以方便用户根据需求快速选择想要了解的内容，选择合适的低功耗模式。 .. todo - add sleep-current/esp32c5_summary.inc .. only:: not esp32c5 .. include:: ../sleep-current/{IDF_TARGET_PATH_NAME}_summary.inc .. note:: 上表中所有电流均为平均电流，表中术语在下文均有介绍，用户可根据需求进行查看。 .. _Wi-Fi 省电的基本原理: Wi-Fi 省电的基本原理 --------------------- 首先，在 station 的工作过程中，为在接收发送过程中避免冲突，需要长时间监听信道，能耗较大的 RF 模块会一直处于工作中，浪费电量。为此，Wi-Fi 协议引入省电模式。 省电模式的基本原理是通过减少不必要的监听时间来降低耗能。AP 会缓存进入省电模式的 station 的包，同时周期发送包含 TIM 信息的 beacon 帧，TIM 会指示 AP 缓存的单播包。TIM 中，DTIM 较为特殊，其会缓存广播包，并以 n 个（由 AP 决定）TIM 为周期发送。对 station 来说，TIM 非必听，而 DTIM 为必听。因此，station 可以选择只在每一个 DTIM 帧前醒来打开 Wi-Fi 相关模块（RF 模块），而不必时刻处于监听状态，这样就能有效降低功耗。 .. code-block:: text DTIM DTIM TIM │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ AP ───┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴──── ┌────┐ ┌────┐ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ Sta ────────────────┴────┴─────────────┴────┴───────────────── DTIM4 省电模式示意图 其次，station 从打开到再次关闭 Wi-Fi 相关模块的时间也会影响功耗。除必要的数据传输处理时间外，主要有四项配置会影响时间长短： - 时钟准确性导致的 time offset，主要原因是时钟或多或少都会与理想的时间存在偏移，同时偏移的正负不定。 - 处理 beacon 漏听后的时间，如漏听后持续监听时间、允许最多丢失 beacon 数目等，这段时间存不存在以及存在多久都不定，但是可以配置范围。 - 为了确保能够接受突发数据包而添加的 active 时间，可由配置决定。 - ILDE 时间是具体某些功耗模式进入条件要求。因此在满足通信需求的情况下，降低工作时间可以改善功耗表现。 .. code-block:: text ┌────────────┬────────────┬────────────┬────────────┬────────────┐ │ │ │ │ │ │ │time offset │ 必要处理时间 │ beacon │ active │ IDLE │ │ │ │ 漏听处理时间 │ 时间 │ 时间 │ │ │ │ │ │ │ └────────────┴────────────┴────────────┴────────────┴────────────┘ 芯片工作时间组成图 此外，在 station 没有处于 Wi-Fi 接收或发送状态时，影响功耗的因素变成了芯片的其他模块。不同的功耗模式会配置不同的时钟源，或者动态调整一些模块的工作频率如 CPU，同时还会关闭不同数量的功能模块，这将有效降低芯片的功耗。用户可根据需求自己选择合适的配置。 如果以时间为横轴，电流大小为纵轴建立坐标轴，那么处在低功耗模式下芯片的理想工作电流图可以简化成下图： .. code-block:: text ▲ 电流 | 大小 | | interval period | │ ◄──────────► │ │ ◄─► │ | ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ | │ │ │ │ │ │ | | | | | | | base current | | | | | | | | | | | | | | | ▼ | ───┘ └────────┘ └────────┘ └────── | └───────────────────────────────────────────────► 时间 理想情况下 Wi-Fi 场景低功耗模式电流图 其中 station 要进行 Wi-Fi 通信时，Wi-Fi 相关模块 (PHY) 开启，电流会显著上升，在工作完成前，电流会一直维持在一个较高的水平。工作完成后，芯片会关闭 Wi-Fi 相关模块，这时电流又会降低到一个较低水平。 可以看出影响功耗表现的主要有三点：interval、period 和 base current。 - **interval** 是 station Wi-Fi 相关模块工作的间隔，既可以由低功耗模式自定义，也可根据 Wi-Fi 协议省电机制（详细内容请见 :ref:`Wi-Fi 省电的基本原理`），由 DTIM 周期决定。可以看出在同等情下，interval 越大，功耗表现会更好，但是响应会更慢，影响通信的及时性。 - **period** 可以看作每次 station Wi-Fi 工作的时间，这段时间的长度也会影响功耗的表现。period 不是一个固定的时长（详细内容请见 :ref:`Wi-Fi 省电的基本原理`），在保证 Wi-Fi 通信正常的情况下，period 持续时间越短，功耗表现越好。但是减少 period 时间，必然会影响通信的可靠性。 - **base current** 是 Wi-Fi 相关模块不工作时芯片的电流，影响其大小的因素很多，不同的功耗模式下休眠策略不同。所以，在满足功能的情况下，优化配置降低该电流大小可以提高功耗表现，但同时关闭其余模块会影响相关功能和芯片的唤醒时间。 知道了影响功耗的三点因素之后，要想降低功耗应从这三点入手，接下来介绍两种低功耗模式，Modem-sleep 模式、Auto Light-sleep 模式。两种模式主要区别就是对三点因素的优化不同。 Modem-sleep 模式 ------------------ Modem-sleep 模式主要工作原理基于 DTIM 机制，周期性的醒来处理 Wi-Fi 相关工作，又在周期间隔之间进入休眠，关闭 PHY（RF 模块）来降低功耗。同时通过 DTIM 机制，station 可以与 AP 保持 Wi-Fi 连接，数据传输。 Modem-sleep 模式会在 Wi-Fi 任务结束后自动进入休眠无需调用 API，休眠时仅会关闭 Wi-Fi 相关模块 (PHY)，其余模块均处在正常上电状态。 Modem-sleep 模式默认会根据 DTIM 周期或 listen interval（于 :ref:`Modem-sleep 模式配置` 中介绍）醒来，相当于系统自动设置了一个 Wi-Fi 唤醒源，因此用户无需再配置唤醒源，同时系统主动发包时也可以唤醒。 Modem-sleep 模式是一个开关型的模式，调用 API 开启后一直自动运行，其工作流程十分简单，具体如下图。 .. code-block:: text ┌───────────┐ Wi-Fi 任务结束 ┌───────────┐ │ ├────────────────────────►│ modem │ │ active │ │ sleep │ │ │◄────────────────────────┤ │ └───────────┘ DTIM 周期到来 └───────────┘ / 主动发包 Modem-sleep 模式工作流程图 根据上文的基本电流图，结合 Modem-sleep 模式的工作原理，以 Min Modem 模式（于 :ref:`Modem-sleep 模式配置` 中介绍）为例可得理想情况下电流变化图。 .. code-block:: text 电流 ▲ 大小 | | DTIM 周期 | │ ◄──────────► │ | ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ | │ │ │ │ │ │ | DTIM | | | | | | | 到来前 | | | | | | Wi-Fi 任务结束 | \ | | | | | | / | \ │ │ │ │ │ │/ | ────────┘ └────────┘ └────────┘ └────── | └─────────────────────────────────────────────────────► 时间 Min Modem-sleep 模式理想电流图 Modem-sleep 模式一般用于 CPU 持续处于工作状态并需要保持 Wi-Fi 连接的应用场景，例如，使用 {IDF_TARGET_NAME} 本地语音唤醒功能，CPU 需要持续采集和处理音频数据。 DFS + Modem-sleep 模式 ------------------------- Modem-sleep 模式休眠状态中 CPU 仍处在工作状态，而 DFS 机制主要作用于 CPU 和 APB 工作频率来降低功耗，因此 DFS + Modem sleep 模式可以进一步优化功耗表现，又因为 Wi-Fi 任务会申请 :cpp:enumerator:`ESP_PM_CPU_FREQ_MAX` 电源锁来保证 Wi-Fi 任务快速运行，所以 DFS + Modem-sleep 模式产生调频只会发生在 base current 阶段，即 Wi-Fi 任务结束后。 在 Wi-Fi 场景下，为了让用户抓住主要的变化，DFS 可以进行一定的状态简化。具体来说，虽然 DFS 主要根据 CPU 和 APB 两把锁的最高需求来调频，但是 Wi-Fi 场景都需要 CPU 的频率最大化来工作，同时 Wi-Fi 任务结束后，也可以理想化的认为，没有其余的工作要完成，这样就可以简单认为经过一段时间会释放两把锁进入空闲状态（IDLE 状态），也同时忽略这段时间锁的变化导致的电流变化，简化状态。 在 Wi-Fi 场景下，DFS 最终简化为如下流程： .. code-block:: text ┌────────┐ │ │ │ DFS │ │ │ └───┬────┘ │ ▼ ┌──────────┐ 系统空闲 ┌──────────┐ │ │ ─────────────► │ │ │ │ │ │ │ active │ │ IDLE │ │ │ │ │ │ │ ◄───────────── │ │ └──────────┘ 系统非空闲 └──────────┘ Wi-Fi 场景 DFS 简化流程图 在 Wi-Fi 工作的 active 状态与系统空闲的 IDLE 状态转换，Wi-Fi 任务结束后，系统经过一段时间释放了所有锁进入 IDLE 状态，此时 DFS 机制降低频率到设定最低值，忽略了转换状态期间的调频动作，方便理解。 简化过后的 DFS + Modem sleep 模式理想状态下的电流大小如下图所示： .. code-block:: text 电流 ▲ Wi-Fi 任务结束 大小 | / modem sleep | / | ┌─────┐ ┌─────┐ | │ │ │ │ | | | | | 锁释放完 | | | | | DFS 降频 | | | | | IDLE | | | | | / | | | | | / | | │ | │ / | │ └─┐ │ └─┐ | ────────┘ └───────────────┘ └───────── | └─────────────────────────────────────────────────────► 时间 DFS + Modem sleep 模式理想电流图 Auto Light-sleep 模式 + Wi-Fi 场景 ------------------------------------ Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下是 ESP-IDF 电源管理机制、DTIM 机制和 Light-sleep 模式的结合。开启电源管理是其前置条件，auto 体现在系统进入 IDLE 状态超过设定值后自动进入 light sleep。同时 Auto Light-sleep 模式同样遵循 DTIM 机制，会自动苏醒，可以与 AP 保持 Wi-Fi 连接。 Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下休眠机制与纯系统下一样，仍然依赖于电源管理机制，进入休眠的条件为系统处于 IDLE 状态的时间超过设定时间，并且系统会提前判断空闲时间是否满足条件，若满足直接休眠。该过程为自动进行。休眠时会自动关闭 RF、8 MHz 振荡器、40 MHz 高速晶振、PLL，门控数字内核时钟，暂停 CPU 工作。 Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下遵循 DTIM 机制，自动在 DTIM 帧到来前苏醒，相当于系统自动设置了一个 Wi-Fi 唤醒源，因此用户无需再配置唤醒源。同时系统主动发包时也可以唤醒。 Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下工作流程较为复杂，但全程都是自动进行，具体如下图所示： .. code-block:: text ┌────────┐ │ │ │ DFS │ │ │ └───┬────┘ │ ▼ ┌──────────┐ 系统空闲 ┌──────────┐ 超过设定时间 ┌──────────┐ │ │ ─────────────► │ │ ────────────► │ │ │ │ │ │ │ auto │ │ active │ │ IDLE │ │ light │ │ │ │ │ │ sleep │ │ │ ◄───────────── │ │ │ │ └──────────┘ 系统非空闲 └──────────┘ └────┬────┘ ▲ │ │ DTIM 周期到来 / 主动发包 │ └──────────────────────────────────────────────────────────────┘ Auto Light-sleep 模式工作流程图 Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下经常与 Modem-sleep 模式同时开启，这里给出 Modem + Auto Light-sleep 模式的理想电流图，关键节点均在图上标出。 .. code-block:: text DTIM 周期 电流 ▲ │ ◄───────────────────► │ 大小 | ┌─────┐ ┌─────┐ | │ │ \ │ │ | | | \ | | | | | Wi-Fi 任务结束 | | | | | modem sleep | | | | | | | | | | | | 系统判断空闲 | DTIM | | 系统 IDLE | | 时间超过设定值 | 到来前 | │ DFS 降频 | │ light sleep | \ | └─┐ / | └─┐ / | \ │ └─┐ / │ └─┐ / | ────────┘ └─────────────┘ └───────── | └─────────────────────────────────────────────────────► 时间 Modem + Auto Light-sleep 模式理想电流图 Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下可用于需要保持 Wi-Fi 连接，可以实时响应 AP 发来数据的场景。并且在未接收到命令时，CPU 可以处于空闲状态。比如 Wi-Fi 开关的应用，大部分时间 CPU 都是空闲的，直到收到控制命令，CPU 才需要进行 GPIO 的操作。 Deep-sleep 模式 + Wi-Fi 场景 ------------------------------ Deep-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下与纯系统下基本相同，详情可以参考 :ref:`Deep-sleep 模式`，这里不再介绍。 如何配置 Wi-Fi 场景下低功耗模式 ---------------------------------------- 介绍完 Wi-Fi 场景下低功耗模式后，本节将介绍公共配置选项、每种模式独有的配置选项，以及相应低功耗模式 API 的使用说明，同时给出相应模式推荐的配置（包含纯系统下的低功耗推荐配置）以及该配置的具体表现。 .. note:: 下文为配置选项的简单介绍，点击相应链接获取详细内容。 公共配置选项 ++++++++++++++ - 功耗类： - Max Wi-Fi TX power (dBm) (:ref:`CONFIG_ESP_PHY_MAX_WIFI_TX_POWER`) - 速度优化类： - Wi-Fi IRAM 速度优化 (:ref:`CONFIG_ESP_WIFI_IRAM_OPT`) - Wi-Fi RX IRAM 速度优化 (:ref:`CONFIG_ESP_WIFI_RX_IRAM_OPT`) - Wi-Fi Sleep IRAM 速度优化 (:ref:`CONFIG_ESP_WIFI_SLP_IRAM_OPT`) - Wi-Fi 协议类： - Minimum active time (:ref:`CONFIG_ESP_WIFI_SLP_DEFAULT_MIN_ACTIVE_TIME`) - Maximum keep alive time (:ref:`CONFIG_ESP_WIFI_SLP_DEFAULT_MAX_ACTIVE_TIME`) - 周期性发送无条件 ARP (:ref:`CONFIG_LWIP_ESP_GRATUITOUS_ARP`) - 丢失 beacon 时睡眠优化 (:ref:`CONFIG_ESP_WIFI_SLP_BEACON_LOST_OPT`) .. _Modem-sleep 模式配置: Modem-sleep 模式配置 +++++++++++++++++++++++ - 可配置选项 - Min Modem 该参数表示 station 按照 DTIM 周期工作，在每个 DTIM 前醒来接收 beacon，这样不会漏掉广播信息，但是 DTIM 周期由 AP 决定，如果 DTIM 周期较短，省电效果会降低。 - Max Modem 该参数表示 station 会自定义一个 listen interval，并以 listen interval 为周期醒来接受 beacon。这样在 listen interval 较大时会省电，但是容易漏听 DTIM，错过广播数据。 - 配置方法 - 调用 API，选择模式参数 .. code-block:: none typedef enum { WIFI_PS_NONE, WIFI_PS_MIN_MODEM, WIFI_PS_MAX_MODEM, } wifi_ps_type_t; esp_err_t esp_wifi_set_ps(wifi_ps_type_t type); 若选择 WIFI_PS_MAX_MODEM，还需配置 listen interval，示例如下:: #define LISTEN_INTERVAL 3 wifi_config_t wifi_config = { .sta = { .ssid = "SSID", .password = "Password", .listen_interval = LISTEN_INTERVAL, }, }; ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA)); ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_config(ESP_IF_WIFI_STA, &wifi_config)); ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start()); - 推荐配置 这里给出的推荐配置是 Min Modem-sleep 模式 + DFS 开启的配置 .. list-table:: :header-rows: 1 :widths: 20 15 * - 配置名称 - 设置情况 * - WIFI_PS_MIN_MODEM - ON * - CONFIG_PM_ENABLE - ON * - RTOS Tick rate (Hz) - 1000 * - ``max_freq_mhz`` - 160 * - ``min_freq_mhz`` - 40 * - ``light_sleep_enable`` - false - 配置表现 .. todo - add sleep-current/esp32c5_modem_sleep.inc .. only:: not esp32c5 .. include:: ../sleep-current/{IDF_TARGET_PATH_NAME}_modem_sleep.inc Auto Light-sleep 模式 + Wi-Fi 场景配置 +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ Auto Light-sleep 在 Wi-Fi 场景下的配置比纯系统下少了唤醒源的配置要求，其余几乎与纯系统下配置一致，因此可配置选项、配置步骤、推荐配置的详细介绍可以参考上文 :ref:`Deep-sleep 模式`。同时 Wi-Fi 相关配置保持默认。 - 配置表现 该配置表现为 Auto Light-sleep 模式纯系统推荐配置 + 默认的 Wi-Fi 相关配置在 Wi-Fi 场景的表现。 .. todo - add sleep-current/esp32c5_light_sleep.inc .. only:: not esp32c5 .. include:: ../sleep-current/{IDF_TARGET_PATH_NAME}_light_sleep.inc Deep-sleep 模式 + Wi-Fi 场景配置 +++++++++++++++++++++++++++++++++++ Deep-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下的配置与纯系统下配置基本一致，因此可配置选项、配置步骤、推荐配置的详细介绍可以参考上文 :ref:`Deep-sleep 模式`。同时 Wi-Fi 相关配置保持默认。 - 配置表现 该配置表现为 Deep-sleep 模式纯系统推荐配置 + 默认的 Wi-Fi 相关配置在 Wi-Fi 场景的表现。 .. only:: esp32 平均电流约 5.0 μA .. only:: esp32s2 平均电流约 5.0 μA .. only:: esp32s3 平均电流约 6.9 μA .. only:: esp32c3 平均电流约 4.8 μA .. only:: esp32c2 平均电流约 4.9 μA