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 Light-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 |
31.14 mA |
11.71 mA |
2.48 mA |
/ |
DTIM3 |
29.06 mA |
12.4 mA |
2.96 mA |
/ |
DTIM10 |
28.5 mA |
12.15 mA |
2.69 mA |
/ |
平均电流 |
/ |
/ |
/ |
5 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-S2 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_mhz160
min_freq_mhz40
light_sleep_enablefalse
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
11.71
83.87
5.04
160 MHz
OFF
1
31.14
160.26
29.04
160 MHz
ON
3
12.4
84.85
10.0
160 MHz
OFF
3
29.06
178.67
28.25
160 MHz
ON
10
12.15
84.18
10.01
160 MHz
OFF
10
28.5
176.69
28.21
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
2.48
94.88
0.96
160 MHz
3
2.96
97.15
2.25
160 MHz
10
2.69
98.66
2.25
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 5.0 μA