AN1252: Building Low Power Networks with the Silicon Labs Connect Stack v3.x (Rev. 0.2)

本文档说明了使用 Simplicity Studio 和 Silicon Labs Connect Stack v3.x 开发的、用于降低传感器网络功耗的技术，这些技术是随 SimplicityStudio® 5 作为 Silicon Labs Proprietary Flex SDK v3.x 的一部分分发的。这些技术包括创建 sleepy end device，这种设备本质上会消耗较少的能量、减少报告频率并消除不必要的外设能耗。Flex SDK 随附的 sensor 和 sink 示例应用列举了这些技术。有关在 Connect 网络中节能的更深入背景信息，请参阅 UG435.07: Energy Saving with Silicon Labs Connect v3.x ，这是 Connect v3.x User’s Guide 系列的一部分。

所有 EFR32FG 设备均支持 Proprietary。对于其他产品，请在 Ordering Information > Protocol Stack 下查看设备的 datasheet，以了解是否支持 Proprietary。在 Proprietary SDK version 2.7.n 中，EFR32xG22 不支持 Connect。

1. Introducing Low Power Sensor Networks

一个典型的低功耗网络包含充当网络 coordinator 的单个 “always-on” 设备，以及一个或多个充当 sleepy end device 的节点。这样的设备将其大部分时间都花在 deep sleep mode 下，仅短暂唤醒即可将数据传输到中心的 coordinator。低功耗网络的一个示例是简单的传感器网络，其中的传感器都是 sleepy end device，中央集线器（central hub）充当网络的 always-on coordinator 或 sink。

针对这种情况，Silicon Labs Flex SDK 包括基于 Connect stack 的示例 sensor 和 sink 应用程序。支持星型和扩展星型网络拓扑：

AN1252: Building Low Power Networks with the Silicon Labs Connect Stack v3.x (Rev. 0.2) - 图1

示例应用为：

  • Connect (SoC): Sensor
  • Connect (SoC): Sink

这些应用程序一起演示了星型拓扑。Sensor 与 sink 节点之间可以进行双向通信。本文档介绍了使用 Simplicity Studio 构建一个 sensor-sink 网络，然后对其进行修改以实现最低功耗。

如果您不熟悉在 Simplicity Studio 中构建示例应用，请查看 QSG168: Proprietary Flex SDK v3.x Quick Start Guide 。如果您不熟悉 Silicon Labs Connect stack 的特性和功能，请参阅 UG103.12: Silicon Labs Connect Fundamentals 。

2. Create the Baseline Network

本章介绍如何：

  1. 生成并运行示例 coordinator/sink 应用程序。
  2. 生成并运行 sensor 应用程序。
  3. 创建网络。
  4. 评估基准能耗。

您将至少需要将两个设备连接到一个运行 Simplicity Studio 的计算机。

2.1 Build and Run the Coordinator/Sink Application

  1. 在 Simplicity Studio Launcher 透视图中，选择要用作 coordinator/sink 的设备。
  2. 单击 [Create New Project] ，开始一个新项目。
  3. 通过选择 Connect: Sink (SoC) 示例并完成 New Project 向导中的步骤来创建项目。
  4. 编译（AN1252: Building Low Power Networks with the Silicon Labs Connect Stack v3.x (Rev. 0.2) - 图2）和调试（AN1252: Building Low Power Networks with the Silicon Labs Connect Stack v3.x (Rev. 0.2) - 图3）项目。 现在，coordinator 应用程序已安装在设备上。

要配置 coordinator，必须使用终端软件来设置参数。使用单独的应用程序或 Simplicity Studio 的内置控制台工具。在终端中发出 help 以查看固件的一些基本帮助。固件启动时，发出 form 0 （在信道 0 上形成网络）和 pjoin 255 （启用无限期的节点加入）命令：

此时，coordinator 已启动并正在运行，而且准备接受传入的加入请求，因此 sensor 节点可以连接到 sink。

AN1252: Building Low Power Networks with the Silicon Labs Connect Stack v3.x (Rev. 0.2) - 图4

2.2 Build and Run the Sensor Application

  1. 返回到 Simplicity Studio Launcher 透视图，然后选择要用作 sensor 的设备。
  2. 单击 [Create New Project] ，开始一个新项目。
  3. 通过选择 Flex SDK，然后选择 Connect: Sensor (SoC) 示例并完成 New Project 向导中的步骤来创建项目。可以保留所有设置的默认设置。确保 sink 的无线电配置设置与 sensor 匹配。
  4. 编译和调试/运行应用程序。

2.3 Create the Network

Sensor 两个最重要的终端命令是 join 和 join-sleepy 。在发出 join 时，设备将尝试连接到 coordinator，如果连接成功，则该节点将成为网络的一部分。该设备完全不会尝试进入 sleep mode 或 idle mode，从而使设备保持唤醒状态并消耗相对较高的电流。

join-sleepy 命令使设备可以进入睡眠状态。在成功的加入过程后，设备将开始定期将传感器数据发送到 sink（默认为 1 s）。

此时，由一个 coordinator/sink 和一个 node/sensor 组成的网络应该正常工作，传感器数据应该由 sensor 发送并由 sink 以 1 s 的周期接收。通过将 sensor 固件下载到其他设备中，可以将更多节点添加到网络。成功加入的状态代码为 0x90: Network up，固件在控制台上打印 Network up。

AN1252: Building Low Power Networks with the Silicon Labs Connect Stack v3.x (Rev. 0.2) - 图5

如果 sensor 无法加入网络，则固件会在控制台上打印数字状态代码，而不是文字说明。

  • 0x40 ：未收到 ACK，发送了一个消息给节点，但该节点未响应。
  • 0x41 ：如果发送方未获得轮询请求以发送其待决消息，则可能发生 Indirect MAC 超时。
  • 0x70 ：无效的调用，通常在执行意外操作时（如已加入时进行加入或未加入时进行发送，等等）。
  • 0xAB ：没有有效的信标（beacon），无法听到其他无线电信号（如未连接天线）。

在使用 sensor/sink 示例进行实验的每个步骤之前，最好在 coordinator/sink 和 sensor 上发出 leave 命令。例如，coordinator 根据 EUI64 ID 来维护先前已连接的节点的信息。节点也存储了信息，并在上电时根据这些信息尝试自动重新连接到 coordinator。通过发出 leave 命令，这些信息将被清除。

2.4 Monitor Baseline Energy Use

Energy Profiler 是一个用于实时检查电流消耗的有用工具。有关使用 Energy Profiler 的详细信息，请参阅 UG343: MultiNode Energy Profiler User’s Guide 。

下图展示了一个未优化的 sensor 节点的功耗。

AN1252: Building Low Power Networks with the Silicon Labs Connect Stack v3.x (Rev. 0.2) - 图6

3. Reduce Power Consumption

本章介绍降低功耗的技术，包括：

  • 禁用 UART 接收以启用 sleep mode
  • 变更报告周期
  • 初始化 SPI Flash 芯片

最后，描述降低功耗后的结果。

3.1 Disable UART Reception during Sleep

第一步（也是最大程度降低功耗的一步）是在睡眠期间禁用 UART 接收。这使得可以在可能的情况下进入 EM2 mode。此选项可以在 Component Editor 中的 IO Stream USART (vcom) 设置下启用。

AN1252: Building Low Power Networks with the Silicon Labs Connect Stack v3.x (Rev. 0.2) - 图7

注意：如果在睡眠期间禁用了接收功能，则无法通过 CLI（UART）发出命令。Sensor 示例具有 PB0 在启用和禁用接收模式之间切换的功能。

3.2 Change Report Periodicity

如果睡眠功耗显着低于活动期间的功耗，则更改报告周期可以大大减少平均功耗。要更改报告周期，请打开 app_process.c 并修改 sensor_report_period_ms 值。

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3.3 Initialize the SPI Flash Chip

通过采用上述修改，可以将睡眠电流降低至 ~ 10-12 μA。但是，Silicon Labs 设计的所有无线板都包含一个 SPI flash 芯片，如果不初始化的话，其功耗约为 8-10 μA。为了减少 SPI flash 的电流消耗，必须安装 MX25 Flash Shutdown 组件。在 sensor 应用程序中，默认情况下已安装了它。

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3.4 Reduced Power Consumption Results

最后，如果应用了这些修改，则应该大大降低了 sleep mode 的电流消耗。

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注意：WSTK 板的内置电流测量在 µA 及以下范围内，并不是很准确。一旦应用了所有修改，sensor 节点 sleep mode 的电流消耗应在 2-5 μA 范围内。