Wi-Fi 场景下低功耗模式介绍

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。

项目	Modem-sleep	Modem-sleep+DFS	Auto Ligh-sleep	Deep-sleep
休眠	自动	自动	自动	手动
唤醒	自动	自动	自动	配置唤醒源
Wi-Fi连接	保持	保持	保持	断开
CPU	开	开/降频	暂停	关
系统时钟	开	开	关	关
外设	开	开	开	关
DTIM1	21.47 mA	11.35 mA	1.4 mA	/
DTIM3	20.82 mA	10.71 mA	0.62 mA	/
DTIM10	20.67 mA	10.32 mA	0.31 mA	/
平均电流	/	/	/	4.8 μA

备注

上表中所有电流均为平均电流，所测数据均在屏蔽箱中测试得出。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

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。

                      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。

┌────────────┬────────────┬────────────┬────────────┬────────────┐
│            │            │            │            │            │
│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：

     ▲
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 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 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 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。

┌───────────┐      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 Modem-sleep 模式配置中介绍）为例可得理想情况下电流变化图。

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 ESP32-C3 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 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：

                                ┌────────┐
                                │        │
                                │  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：

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：

                              ┌────────┐
                              │        │
                              │  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。

                            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 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。

备注

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) (CONFIG_ESP_PHY_MAX_WIFI_TX_POWER)
速度优化类：
- Wi-Fi IRAM 速度优化 (CONFIG_ESP_WIFI_IRAM_OPT)
- Wi-Fi RX IRAM 速度优化 (CONFIG_ESP_WIFI_RX_IRAM_OPT)
- Wi-Fi Sleep IRAM 速度优化 (CONFIG_ESP_WIFI_SLP_IRAM_OPT)
Wi-Fi 协议类：
- Minimum active time (CONFIG_ESP_WIFI_SLP_DEFAULT_MIN_ACTIVE_TIME)
- Maximum keep alive time (CONFIG_ESP_WIFI_SLP_DEFAULT_MAX_ACTIVE_TIME)
- 周期性发送无条件 ARP (CONFIG_LWIP_ESP_GRATUITOUS_ARP)
- 丢失 beacon 时睡眠优化 (CONFIG_ESP_WIFI_SLP_BEACON_LOST_OPT)

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

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

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

CPU 频率

DFS

DTIM

平均电流 (mA)

最大电流 (mA)

最小电流 (mA)

160 MHz

ON

1

11.35

83.31

5.03

160 MHz

OFF

1

21.47

191.53

20.58

160 MHz

ON

3

10.71

82.82

5.09

160 MHz

OFF

3

20.82

82.98

20.48

160 MHz

ON

10

10.32

81.05

5.74

160 MHz

OFF

10

20.67

229.83

20.48

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 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。

CPU 频率

DTIM

平均电流 (mA)

最大电流 (mA)

最小电流 (mA)

160 MHz

1

1.4

87.26

0.14

160 MHz

3

0.62

86.33

0.14

160 MHz

10

0.31

86.11

0.14

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 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。

平均电流约 4.8 μA

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