原标题：如何最大限度提高 Wi-Fi/蓝牙双模物联网设计的电池续航时间

在物联网（IoT）设备中，Wi-Fi和蓝牙双模通信是常见的无线连接方案，但两者均属于高功耗模块，尤其在低功耗场景（如传感器节点、可穿戴设备）中，优化电池续航是核心挑战。以下从硬件设计、软件优化、协议选择、电源管理等维度，系统阐述延长续航时间的关键策略。

一、硬件设计优化

1. 模块选型：低功耗是关键

• Wi-Fi模块：

• ESP32-C3：支持Wi-Fi 4（802.11b/g/n）和BLE 5.0，休眠电流<5μA。

• Nordic nRF5340：双核架构，BLE功耗低至1.3μA（深度睡眠）。

• 优先选择支持Wi-Fi HaLow（802.11ah）或BLE（蓝牙低功耗）的模块，其功耗较传统Wi-Fi（802.11b/g/n）降低50%以上。

• 示例：

• 蓝牙模块：

• 选用支持BLE 5.0/5.2的模块，其广播间隔、连接参数可调，功耗较经典蓝牙（BR/EDR）降低90%。

2. 电源管理芯片（PMIC）

• 功能：

• 动态电压调节（DVS）：根据负载调整供电电压（如从3.3V降至1.8V）。

• 负载开关（Load Switch）：控制Wi-Fi/蓝牙模块的供电，避免待机漏电。

• 示例：

• TI TPS62740：超低功耗DC-DC转换器，效率高达95%，静态电流仅280nA。

3. 天线与阻抗匹配

• 优化天线效率：

• 使用PCB天线或陶瓷天线，减少信号反射损耗。

• 确保阻抗匹配（50Ω），避免因反射导致模块额外功耗。

二、软件与协议优化

1. 通信模式选择

• Wi-Fi与蓝牙的分工：

• 蓝牙：用于短距离、低速率传输（如传感器数据），休眠间隔可设为秒级。

• Wi-Fi：仅在需要高速传输（如固件升级）时唤醒，传输完成后立即进入深度休眠。

• 示例策略：

• 蓝牙：每5秒唤醒一次，传输10字节数据后休眠。

• Wi-Fi：每天凌晨3点唤醒，上传缓存数据后休眠。

2. 协议层优化

• Wi-Fi优化：

• 禁用不必要的功能（如DHCP、DNS查询），使用静态IP。

• 缩短连接时间：采用PSM（Power Save Mode）或DTIM（Delivery Traffic Indication Message）机制。

• 蓝牙优化：

• 增大连接间隔（Connection Interval）：从默认7.5ms调整为100ms以上。

• 使用扩展广播（Extended Advertising）替代传统广播，降低广播功耗。

3. 休眠与唤醒策略

• 深度休眠（Deep Sleep）：

• 关闭Wi-Fi/蓝牙模块时钟，仅保留RTC（实时时钟）和RAM保留。

• 示例：ESP32-C3深度休眠电流<5μA。

• 定时唤醒：

• 使用RTC定时器触发唤醒，避免持续轮询。

三、电源管理策略

1. 动态电压与频率调整（DVFS）

• 原理：

• 根据任务负载动态调整MCU主频和供电电压。

• 示例：

• 待机时：MCU主频降至1MHz，电压降至1.2V。

• 传输时：主频提升至80MHz，电压升至3.3V。

2. 能量收集技术（Energy Harvesting）

• 补充电源：

• 太阳能：在户外场景，使用微型太阳能板充电（如SPV1040芯片）。

• 振动/热能：利用环境能量为电池补充电量（如LTC3588-1压电能量收集芯片）。

3. 电池选型与保护

• 电池类型：

• 锂亚硫酰氯（Li-SOCl₂）：高能量密度，自放电率低（<1%/年），适合长期部署。

• 锂离子聚合物（LiPo）：可充电，但需注意过充/过放保护。

• 电池保护电路：

• 集成过压、过流、欠压保护（如DW01芯片）。

四、实际案例与数据对比

案例1：智能门锁（Wi-Fi+BLE双模）

• 优化前：

• Wi-Fi持续扫描，蓝牙持续广播，续航仅3个月。

• 优化后：

• Wi-Fi仅在用户开锁时唤醒，蓝牙广播间隔设为5秒，续航延长至12个月。

案例2：环境传感器（BLE+Wi-Fi上传）

• 优化前：

• 每分钟上传一次数据，Wi-Fi模块功耗占比70%，续航1周。

• 优化后：

• BLE每10分钟采集一次数据，Wi-Fi每天上传一次，续航延长至6个月。

五、关键参数对比表

六、总结与推荐方案

1. 推荐硬件组合

• MCU：ESP32-C3（Wi-Fi 4 + BLE 5.0，休眠电流<5μA）。

• 电源管理：TI TPS62740（超低功耗DC-DC）+ 锂亚硫酰氯电池。

• 天线：PCB天线+阻抗匹配网络。

2. 软件优化核心

• Wi-Fi：仅在必要时唤醒，使用PSM模式。

• 蓝牙：延长广播间隔，使用扩展广播。

• MCU：动态调整主频和电压，深度休眠为主。

3. 终极目标

• 功耗分配：

• 通信功耗占比从70%降至<20%。

• 休眠功耗占比从10%提升至>70%。

• 续航提升：

• 从数天延长至数月甚至数年（如使用能量收集技术）。

通过硬件选型、协议优化和电源管理的综合策略，Wi-Fi/蓝牙双模物联网设备的电池续航可提升5-10倍，满足低功耗场景的长期部署需求。