實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn) | 如何使用 S2LP 的 sniff 模式同時(shí)滿足通訊和低功耗要求

01 引言

某些客戶在其 S2LP 的設(shè)計(jì)方案中，發(fā)送端設(shè)備常供電，可以不考慮低功耗；而接收端設(shè)備一般用電池功能，對(duì)低功耗的要求比較高。發(fā)送和接收端的通訊是異步的，也就是說(shuō)發(fā)送端在滿足某些檢測(cè)條件的情況下，可以在任意時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)包；而要求接收端設(shè)備在滿足其低功耗要求的情況下，及時(shí)接收到數(shù)據(jù)包，保證響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。針對(duì)以上的應(yīng)用場(chǎng)景，一般推薦客戶使用 S2LP 的 sniff 模式。

02 預(yù)設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景

發(fā)送端設(shè)備(如煙感設(shè)備等)可能隨時(shí)收到警報(bào)信息，在任意時(shí)刻收到警報(bào)信息后將連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)包時(shí)長(zhǎng) 10 秒鐘。 

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖 1。2-FSK 調(diào)制方式，Data rate=38.4Ksps， 中心頻點(diǎn)=868MHz。

圖1.數(shù)據(jù)包格式

根據(jù)圖 1 數(shù)據(jù)包格式，可知前導(dǎo)碼占 576 個(gè) bit，同步字 4 字節(jié)，用戶數(shù)據(jù)占 25 個(gè)字節(jié)，采用 1 字節(jié) CRC 校驗(yàn)字段。 

? 數(shù)據(jù)包中每個(gè) bit 發(fā)送的時(shí)間= 1/38.4Ksps≈26us。 

? 前導(dǎo)碼時(shí)長(zhǎng)=576/38.4Ksps=15ms。 

? 前導(dǎo)碼+同步字時(shí)長(zhǎng)= (576+32)/38.4Ksps=15.83ms。 

? 完整數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)長(zhǎng)=(576+32+200+8)/38.4Ksps = 21.25ms。 

接收端設(shè)備要求每 8 秒鐘喚醒一次，連續(xù)檢測(cè) 100ms，并確保不會(huì)漏掉這 100ms 時(shí)間窗口中內(nèi)的有效數(shù)據(jù)包。并在 100ms 以后進(jìn)入低功耗模式。

03 LDC/Sniff 模式簡(jiǎn)介

S2LP 支持 LDC (Low Duty Cycle) 和 Sniff 這兩種模式，這兩種模式都可以實(shí)現(xiàn)低功耗。區(qū)別在于 LDC 模式實(shí)現(xiàn)發(fā)送、接收端的同步通信；而 Sniff 模式是基于 LDC 模式，在兼顧低功耗的要求的同時(shí)支持異步通信。 

如圖 2，LDC 模式示意圖。發(fā)送端和接收端設(shè)備按照約定的喚醒周期同步進(jìn)入發(fā)送、接收狀態(tài)和進(jìn)入低功耗模式。接收端為了保證不丟包，會(huì)在約定的喚醒時(shí)間點(diǎn)之前喚醒并提前進(jìn)入接收狀態(tài)。

圖2.LDC 模式

如圖 3 所示，Sniff 模式示意圖。Sniff 模式下的 S2LP，按照喚醒定時(shí)器 (Wakeup Timer) 設(shè)定的喚醒時(shí)間有規(guī)律地從睡眠狀態(tài)喚醒，并開(kāi)啟一個(gè)非常短的稱為 FastRX 的接收窗口。在這個(gè) FastRX 接收窗口中檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度 (RSSI 值) 。如信號(hào)強(qiáng)度低于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為外部沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收端在 FastRX 窗口結(jié)束后快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)；如檢測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度值高于閾值，說(shuō)明檢測(cè)到有效數(shù)據(jù)包在發(fā)送，則啟動(dòng)接收超時(shí)定時(shí)器(RX Timeout)，接收端繼續(xù)保持接收狀態(tài)，如在超時(shí)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到有效的同步字字段，則停止接收超時(shí)定時(shí)器，并繼續(xù)保持接收狀態(tài)直到接收到完整的數(shù)據(jù)包后進(jìn)入低功耗模式；如在超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到有效的同步字則在接收超時(shí)后立刻進(jìn)入低功耗模式。

圖3.Sniff 模式

04 解決方案

基于 ST 官方提供的 S2LP 的 SDK 軟件包中的 SDK_Sniff_B 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)上述預(yù)設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景中接收端的功能。代碼更改量不多，但基本可以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景中的要求。 

基于原始代碼，更改函數(shù) SysTickUserAction(圖 4)，借助于 lSystickCounter 計(jì)數(shù)變量，實(shí)現(xiàn) 8 秒鐘和 8 秒窗口開(kāi)始邊界后 100ms 的計(jì)時(shí)。具體更改內(nèi)容請(qǐng)參考附件“SDK_Sniff_B.c”

圖4.函數(shù) SysTickUserAction 更改內(nèi)容

在 8 秒窗口開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)通過(guò)調(diào)用函數(shù)“S2LPTimerLdcrMode(S_ENABLE);”使能 Sniff模式；在 100ms 時(shí)間窗口結(jié)束時(shí)通過(guò)調(diào)用函數(shù)“S2LPTimerLdcrMode(S_DISABLE);”關(guān)閉 Sniff 模式。并調(diào)用函數(shù) “S2LPCmdStrobeSleep();”進(jìn)入低功耗。 

需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)： 

? 為了不錯(cuò)過(guò)發(fā)送端的前導(dǎo)碼，需要將接收端的喚醒定時(shí)器設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為小于數(shù)據(jù)包格式中前導(dǎo)碼的發(fā)送時(shí)長(zhǎng)。 

? 接收端的接收超時(shí)時(shí)間(RX Timeout)的時(shí)長(zhǎng)≥前導(dǎo)碼時(shí)間+同步字時(shí)間，但在滿足條件的情況下盡量使用小的設(shè)定值，有助于降低功耗。 

? 初始化結(jié)束后通過(guò)函數(shù)“S2LPTimerLdcrMode”可以直接打開(kāi)、關(guān)閉 sniff 模式。并結(jié)合函數(shù)“S2LPCmdStrobeSleep();”控制 S2LP 的低功耗模式。

4.1.驗(yàn)證方法和結(jié)果

4.1.1. 接收端功能測(cè)試平臺(tái)

使用一套“NUCLEO-L053R8+X-NUCLEO-S2868A1”測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行更改后的SDK_Sniff_B 項(xiàng)目程序。使用 ST 官方提供的 X-NUCLEO-LPM01A 功耗測(cè)試板，通過(guò) XNUCLEO-S2868A1 板上的 JP1 測(cè)試 S2LP 的工作狀態(tài)， 通過(guò)抓取 S2LP 的實(shí)時(shí)功耗確認(rèn)預(yù)設(shè)場(chǎng)景中 8 秒時(shí)間窗口和 100ms 接收窗口的定時(shí)是否正確？以及 S2LP 是否能正確進(jìn)入低功耗模式？測(cè)試平臺(tái)如圖 5 所示

圖5.測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試結(jié)果如圖 6 所示，上電初始化后，由于已經(jīng)使能了 sniff 模式，但第一個(gè) 8 秒窗口計(jì)時(shí)還沒(méi)有溢出，所以一直保持sniff工作模式(客戶也可以更改代碼使其在初始化后立刻進(jìn)入低功耗模式)。第二個(gè) 8 秒窗口開(kāi)始后的 100ms 還處于 sniff 工作狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè) 8 秒窗口中的 100ms 接收窗口結(jié)束后，S2LP 進(jìn)入低功耗模式。后續(xù)的 8 秒窗口以此類推。從圖6 中還可以看到每個(gè) 100ms 中有 7 個(gè) FastRX 窗口，這是因?yàn)樵即a中把喚醒時(shí)間設(shè)定為差不多 12.9ms(必須小于前導(dǎo)碼時(shí)間 15ms)，那么在 100ms 的接收窗口里正好可以容納7 個(gè) FastRX 快速接收窗口。

圖6.S2LP 功能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖 6 測(cè)試結(jié)果，證明更改后的 SDK_Sniff_B 代碼運(yùn)行結(jié)果符合預(yù)設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景的要求。

4.1.2. 驗(yàn)證數(shù)據(jù)包發(fā)送接收

發(fā)送接收測(cè)試平臺(tái)如圖 7， 使用兩套 NUCLEO-L053R8+X-NUCLEO-S2868A1 測(cè)試平臺(tái)： 

? DevB 作為接收端，運(yùn)行前面的 SDK_Sniff_B 程序。

圖7.發(fā)送接收測(cè)試平臺(tái)說(shuō)明

? DevA 模擬應(yīng)用場(chǎng)景中的發(fā)送端設(shè)備，燒錄 SDK 中默認(rèn)的 S2LP_CLI_Project 程序，通過(guò) USB 線連接 PC 段的 GUI 工具(如圖 8) 。按照預(yù)設(shè)場(chǎng)景分別設(shè)定調(diào)制方式為 2-FSK，前導(dǎo)碼，用戶數(shù)據(jù)(Payload)。保證連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量和發(fā)送間隔的設(shè)置值使發(fā)送端的連續(xù)發(fā)送時(shí)間維持 10 秒鐘。

圖8.S2LP GUI 工具界面及參數(shù)設(shè)定

驗(yàn)證結(jié)果，S2LP GUI 工具每次點(diǎn)擊“START”按鍵，在其連續(xù)過(guò)程中接收端設(shè)備必然可以收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，則實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功。

圖9.數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)

05 小結(jié)

S2LP 支持的 LDC 模式和 sniff 模式都是低功耗模式，LDC 模式支持同步通訊的場(chǎng)景，Sniff 模式支持異步通訊模式?？蛻艋谧约旱膽?yīng)用場(chǎng)景，可以選擇合適的模式。另外通過(guò)附加的定時(shí)控制 S2LP 在 sniff 模式下的工作時(shí)長(zhǎng)可以進(jìn)一步降低 S2LP 的功耗。