低功耗

一、低功耗模式概述

1.1 背景说明

1） 低功耗是合宙工业引擎Air8101最重要的特性之一；

2） 合宙工业引擎Air8101有三种功耗模式，分别有各自的特点；

3） 合宙工业引擎Air8101优异的低功耗表现，既有硬件设计的加持，也有软件协议算法的帮助；

4） 不同的应用场景，按需选择不同的合宙工业引擎Air8101功耗模式，以及三种功耗模式之间的相互 转换；

5） 除实验室数据外，合宙更关注实网环境下的功耗表现，呈现给用户的效果更多以实网在线表现为准；

1.2 功耗模式

合宙低功耗模组三种功耗模式

	常规模式	低功耗模式（DTIM1)	低功耗模式（DTIM10)	PSM+ 模式
连接WIFI路由器状态	在线，长连接	在线，长连接	在线，长连接	离线
CPU 主频	满频	降频	降频	停止运行
定时器唤醒	支持	支持	支持	支持
中断唤醒	所有GPIO都可以唤醒	所有GPIO都可以唤醒	所有GPIO都可以唤醒	可同时配置不超过32个GPIO唤醒
串口唤醒	支持	不支持	不支持	不支持
服务器唤醒	支持，1 秒内	支持，1 秒内	支持，1 秒左右	不支持
上行发送	1 秒内响应	1 秒内响应	1 秒内响应	3 秒内响应
所有 GPIO 管脚是否可以控制输出电平	可以	可以	可以	可以
所有GPIO 管脚是否可以保持电平	可以	可以	可以	可以
RAM 供电及唤醒后软件运行状态	RAM 供电，正常工作，满血状态	RAM 供电，唤醒后保持原状态运行	RAM 供电，唤醒后保持原状态运行	RAM 掉电，唤醒后程序从初始状态运行(PSM+ 状态前运行数据丢失)
典型功耗表现	较低(6.6mA)	均衡(1.5mA)	均衡(380uA)	极低(13uA)
测试环境	测试环境： 1)Air8101，供电电压 3.8V，心跳间隔 5 分钟，TCP 协议，合宙 netlab 服务器(https://netlab.luatos.com/)；	测试环境： 1)Air8101，供电电压 3.8V，心跳间隔 5 分钟，TCP 协议，合宙 netlab 服务器(https://netlab.luatos.com/)；	测试环境： 1)Air8101，供电电压 3.8V，心跳间隔 5 分钟，TCP 协议，合宙 netlab 服务器(https://netlab.luatos.com/)；	测试环境： 1)Air8101，供电电压 3.8V，待机功耗，不包含心跳包传输功耗。
看门狗	支持	支持	支持	支持

更多说明：

低功耗模式下，网络在线，随时响应服务器命令，CPU 降频运行，外设功能部分可用；3.3V供电，DTIM10的平均电流为380uA，DTIM1的平均电流为1.5mA；DTIM10和DTIM1的核心区别有：

DTIM1不会丢失WIFI AP路由器发送给WiFi station的广播帧和组播帧，DTIM10会丢失，一般来说，WiFi AP路由器发送Beacon帧的间隔是100毫秒，DTIM1最长延迟100毫秒可以收到WiFi AP路由器发送过来的数据，DTIM10最长延迟1000毫秒可以收到WiFi AP路由器发送过来的数据；丢失广播帧和组播帧对产品应用没有什么影响，只要单播帧不丢失就行；

可以根据自己项目对功耗以及数据收发时延的要求选择合适的DTIM配置；

1.3 三种功耗模式简捷定义

1）常规模式；

网络在线状态，随时响应服务器命令，CPU 满频运行，外设功能全部可用，比如，所有 GPIO 电平都可以控制；

2）低功耗模式；

网络在线状态，随时响应服务器命令，CPU 降频运行，可以通过软件设置所需的GPIO在低功耗中保持电平，所有GPIO均支持；

3）PSM+ 模式；

网络离线状态，无法响应服务器命令，CPU 停止运行，可以通过软件设置所需的GPIO在低功耗中保持电平，所有GPIO均支持；

二、演示功能概述

本文将给大家讲解工业引擎Air8101三种功耗模式与对应的效果演示。

三、准备硬件环境

在介绍本功能示例之前，我们首先需要确保以下硬件环境的准备工作已经完成。

3.1 工业引擎Air8101核心板

本次使用的核心板为工业引擎Air8101核心板，如下图所示：

点击链接购买： Air8101核心板

此核心板的详细使用说明参考：Air8101.cn 中的《Air8101核心板+配件板资料》。

3.2 可调电源

合宙功耗分析仪 Air9000P——合宙自研的一款功能齐全、稳定可靠、支持 PC 端软件的小型手持式高精度功耗测试仪表（电流范围 0~2A，最小分辨率 0.1μA；电压范围 0~5V，最小分辨率 1mV；硬件采样率 100KHz，PC 端软件采样率 10KHz）。合宙功耗分析仪 Air9000P 对于小电流的抓取能力及其对功耗数据的统计分析，尤其适合电池供电产品的动态功耗测试，可解决各类场景下的低功耗产品测试难题。

合宙功耗分析仪详细介绍链接：www.hezhouyibiao.com

3.3 组装硬件环境

参考：硬件环境清单第二章节内容，准备以及组装好硬件环境。

四、准备软件环境

在开始实践本示例之前，先筹备一下软件环境：

1） Luatools工具；

2） 内核固件文件（底层core固件文件）：使用低功耗时固件版本不能低于V1005；参考项目使用的内核固件；

3） luatos需要的脚本和资源文件

gitee 下载地址：低功耗模式测试脚本

准备好软件环境之后，接下来参考Air8101_core_核心板使用说明，将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到Air8101核心板中。

五、软硬件资料

5.1 硬件设计资料

硬件可以参考这里 硬件参考设计

5.2 软件设计资料

5.2.1 软件 API 接口

1） pm 库

2） wlan库

3） socket库

以上均为核心库，代码中不需要require 可直接使用。

六、功耗模式简介

前面已经介绍过三种功耗模式了，这里就不再做过多重复解释了

6.1 常规模式简介

顾名思义，常规模式为模块不考虑功耗时处于的状态。

6.1.1 代码示例

normal模式DEMO

mian.lua 中打开 require "normal"这句话

注释 -- require "low_power"

注释 -- require "psm+_power"

--选择需要体验的功耗模式，注释另外两个代码即可！快捷键Ctrl + /
require "normal"
-- require "low_power"
-- require "psm+_power"

tcp_client_main.lua 第20行和第21行，服务器 ip 端口号的地方改成用户自己使用的服务的 IP/域名以及端口号，如果仅作测试，也可以使用合宙提供的测试服务器，测试服务器相关资料可以点击此处 https://netlab.luatos.com/ 进入后选择打开 TCP

打开后，如图所示位置即是 IP 和端口号

normal.lua

--[[
@module  normal
@summary 常规模式主应用功能模块 
@version 1.0
@date    2025.07.01
@author  陈取德
@usage
本文件为常规模式主应用功能模块，核心业务逻辑为：
1、进入常规模式
2、判断是否连接网络和发送平台心跳包
使用前请根据需要，变更功能变量。条件不同，功耗体现不同。
本文件没有对外接口，直接在main.lua中require "normal"就可以加载运行；
]] --
----是否需要连接WIFI，测试连接网络状态下功耗--------------------------------------
local wifi_mode = true -- true 需要   --false 不需要
-------------------------------------------------------------------------------

-----是否需要保持服务器心跳------------------------------------------------------
local tcp_mode = true -- true 需要，设置下方心跳包。    --false 不需要，不需要设置心跳包。
local tcp_heartbeat = 5 -- 常规模式和低功耗模式心跳包，单位（分钟），输入 1 为 一分钟一次心跳包。
local heart_data = string.rep("1234567890", 3) -- 心跳包数据内容，可自定义。
-------------------------------------------------------------------------------

function low_power_func()
    -- 将电源模式调整为常规模式。
    log.info("开始测试常规模式功耗。")
    pm.power(pm.WORK_MODE, 0)
    -- 判断是否连接WIFI，请注意WIFI账号密码是否正确。
    if wifi_mode then
        -- 导入WIFI_app功能，自动运行连接WIFI。
        require "wifi_app"
        -- 判断是否连接TCP平台。
        if tcp_mode then
            -- 导入tcp客户端收发功能模块，运行tcp客户端连接，自动处理TCP收发消息。
            require "tcp_client_main"
            -- 调用发送心跳信息功能函数。
            send_tcp_heartbeat_func()
        end
    end
end

-- 定义一个发送心跳信息功能函数。
function send_tcp_heartbeat_func()
    -- 通过网卡状态判断WIFI是否连接成功，WIFI连接成功后再运行消息发送。
    while not socket.adapter(socket.LWIP_STA) do
        -- 在此处阻塞等待WIFI连接成功的消息"IP_READY"，避免联网过快，丢失了"IP_READY"信息而导致一直被卡住。
        -- 或者等待30秒超时退出阻塞等待状态
        log.warn("tcp_client_main_task_func", "wait IP_READY")
        sys.waitUntil("IP_READY", 30000)
    end
    -- 起一个循环定时器，根据预设时间循环定时发送一次消息到TCP服务器。
    while true do
        sys.publish("SEND_DATA_REQ", "timer", heart_data)
        sys.wait(tcp_heartbeat * 60 * 1000)
    end
end

sys.taskInit(low_power_func)

6.1.2 硬件连接

功耗测试时将可调电源正极接在 vbat 的排针处，GND 即为电源负极接的位置，核心板上的USB断开，功耗测试开关拨到ON。

6.1.3 展示效果

下图为连接好服务器后5分钟发一次心跳包，平均电流为 6.6mA。

6.2 低功耗模式简介

该模式可以实现与服务器之间进行长连接，服务器可随时下发数据给客户端，实现在低功耗情况下还能实时远程控制的功能

6.2.1 代码示例

lowpower模式DEMO

mian.lua 中打开require "low_power" 这句话

注释-- require "normal"

注释-- require "psm+_power"

--选择需要体验的功耗模式，注释另外两个代码即可！快捷键Ctrl + /
-- require "normal"
require "low_power"
-- require "psm+_power"

tcp_client_main.lua 第20行和第21行，服务器 ip 和端口号的地方改成用户自己使用的服务的 IP/域名以及端口号，如果仅作测试，也可以使用合宙提供的测试服务器，测试服务器相关资料可以点击此处 https://netlab.luatos.com/ 进入后选择打开 TCP

打开后，如图所示位置即是 IP 和端口号

low_power.lua

--[[
@module  low_power
@summary 低功耗模式主应用功能模块 
@version 1.0
@date    2025.07.01
@author  陈取德
@usage
本文件为低功耗模式主应用功能模块，核心业务逻辑为：
1、进入低功耗模式
2、判断是否在低功耗模式下连接网络和发送平台心跳包
使用前请根据需要，变更功能变量。条件不同，功耗体现不同。
本文件没有对外接口，直接在main.lua中require "low_power"就可以加载运行；
]] --
----是否需要连接WIFI，测试连接网络状态下功耗--------------------------------------
local wifi_mode = true -- true 需要   --false 不需要
-------------------------------------------------------------------------------

-----是否需要保持服务器心跳------------------------------------------------------
local tcp_mode = true -- true 需要，设置下方心跳包。    --false 不需要，不需要设置心跳包。
local tcp_heartbeat = 5 -- 常规模式和低功耗模式心跳包，单位（分钟），输入 1 为 一分钟一次心跳包。
local heart_data = string.rep("1234567890", 3) -- 心跳包数据内容，可自定义。
-------------------------------------------------------------------------------

function low_power_func()
    log.info("开始测试低功耗模式功耗。")
    -- 判断是否连接WIFI，请注意WIFI账号密码是否正确。
    if wifi_mode then
        -- 导入WIFI_app功能，自动运行连接WIFI。
        require "wifi_app"
        -- 进入低功耗 MODE 1 模式
        pm.power(pm.WORK_MODE, 1)
        -- 判断是否连接TCP平台
        if tcp_mode then
            -- 导入tcp客户端收发功能模块，运行tcp客户端连接，自动处理TCP收发消息。
            require "tcp_client_main"
            -- 调用发送心跳信息功能函数。
            send_tcp_heartbeat_func()
        end
    else
        -- 如果不开启WIFI连接，就直接进入低功耗模式。
        pm.power(pm.WORK_MODE, 1)
    end
end

-- 定义一个发送心跳信息功能函数。
function send_tcp_heartbeat_func()
    -- 通过网卡状态判断WIFI是否连接成功，WIFI连接成功后再运行消息发送。
    while not socket.adapter(socket.LWIP_STA) do
        -- 在此处阻塞等待WIFI连接成功的消息"IP_READY"，避免联网过快，丢失了"IP_READY"信息而导致一直被卡住。
        -- 或者等待30秒超时退出阻塞等待状态
        log.warn("tcp_client_main_task_func", "wait IP_READY")
        sys.waitUntil("IP_READY", 30000)
    end
    -- 起一个循环定时器，根据预设时间循环定时发送一次消息到TCP服务器。
    while true do
        sys.publish("SEND_DATA_REQ", "timer", heart_data)
        sys.wait(tcp_heartbeat * 60 * 1000)
    end
end

sys.taskInit(low_power_func)

6.2.2 硬件链接

功耗测试时将可调电源正极接在 vbat 的排针处，GND 即为电源负极接的位置，核心板上的USB断开，功耗测试开关拨到ON。

6.2.3 DTIM1 展示效果

下图为上面的低功耗模式代码在链接服务器并每5分钟发送一次数据包的功耗。平均1.5mA。

图中有两种电流情况需要关注：

1、短暂持续的柱状上升：这是链接平台后向平台发送数据时的电流表现，根据网络信号强弱会有差异，因为是跟平台保持长连接的，信号好时，基本在1S左右就会完成发送，功耗会再降回去。

2、瞬时的电流尖峰：这是在与WIFI AP保持链接时，STA和AP之间的TIM信息交互，默认100ms一次，获取AP上的广播帧、组播帧和单播帧信息。此处涉及一个参数，就是DTIM。默认是DTIM1。

下图是低功耗DTIM1模式下发送数据包时的电流情况，图中可以看出，保持链接时发送数据包的时间共100毫秒，平均电流22mA。

6.2.4 DTIM10 展示效果

体验DTIM10时需要在DEMO中修改DTIM配置：wifi_app.lua

----填写WIFI账号密码，选择是否使用DTIM10--------------------------------------
local ssid = "茶室-降功耗,找合宙!" -- WIFI名称
local password = "Air123456" -- WIFI密码
local DTIM10_mode = true    -- 是否开启DTIM10模式。--true 需要      --false 不需要
--------------------------------------------------------------------------------

下图为上面的低功耗模式代码在链接服务器并每5分钟发送一次数据包的功耗。平均380uA，将数据包发送间隔拉的更长，功耗更低。

图中的尖峰间隔因为设置DTIM10以后被延长到了1000ms一次，在DTIM10模式下，会丢失WIFI AP的广播帧和组播帧，但是不会丢失单播帧，STA会告诉WIFI AP我1000ms才来获取一次单播帧。在1000ms后一次获取。请根据业务需要选择DTIM10模式。

下图为低功耗DTIM10模式下，发送心跳包时的功耗情况，只会产生细微的尖峰波动，耗时80毫秒，平均功耗23mA左右。

6.3 超低功耗模式(PSM+ 模式)简介

对于和服务器之间不需要保持长连接，仅仅需要间隔几小时甚至几天才发一次数据给服务器，希望电池待机时间更久一些的场景，可以使用第三种超低功耗 PSM+ 模式

6.3.1 代码示例

psm+_power模式DEMO

mian.lua 中打开require "psm+_power" 这句话

注释-- require "normal"

注释-- require "low_power"

--选择需要体验的功耗模式，注释另外两个代码即可！快捷键Ctrl + /
-- require "normal"
-- require "low_power"
require "psm+_power"

tcp_client_main.lua 第20行和第21行，服务器 ip 和端口号的地方改成用户自己使用的服务的 IP/域名以及端口号，如果仅作测试，也可以使用合宙提供的测试服务器，测试服务器相关资料可以点击此处 https://netlab.luatos.com/ 进入后选择打开 TCP

打开后，如图所示位置即是 IP 和端口号

psm+_power.lua

--[[
@module  psm+_power
@summary psm+超低功耗模式主应用功能模块 
@version 1.0
@date    2025.07.01
@author  陈取德
@usage
本文件为psm+超低功耗模式主应用功能模块，核心业务逻辑为：
1、进入低功耗模式
2、判断是否在低功耗模式下连接网络和发送平台心跳包
使用前请根据需要，变更功能变量。条件不同，功耗体现不同。
本文件没有对外接口，直接在main.lua中require "psm+_power"就可以加载运行；
]] --
----是否需要连接WIFI，测试连接网络状态下功耗--------------------------------------
local wifi_mode = true -- true 需要   --false 不需要
-------------------------------------------------------------------------------

-----是否需要保持服务器心跳------------------------------------------------------
local tcp_mode = true -- true 需要，设置下方心跳包。    --false 不需要，不需要设置心跳包。
local tcp_heartbeat = 5 -- PSM+模式心跳包，单位（分钟），输入 1 为 一分钟一次心跳包。
local heart_data = string.rep("1234567890", 3) -- 心跳包数据内容，可自定义。
-------------------------------------------------------------------------------

-- 定义send_result函数用于获取tcp_client_sender中的信息发送是否成功
function send_result(a1, b1)
    log.info("发送状态 :", a1, b1)
    -- 获取tcp_client_sender发送状态后推送信息解除psm_power_func()的sys.waitUntil挂起状态。并返回发送状态a1。
    sys.publish("send_success", a1, b1)
end

-- 定义一个表，将回调函数放在表中，因为tcp_client_sender处理回调函数时考虑到带参执行，所以要将函数和参数都放在表里
local send_result_func = {
    func = send_result
}

function psm_power_func()
    log.info("开始测试PSM+模式功耗。")
    -- 判断是否连接WIFI，请注意WIFI账号密码是否正确。
    if wifi_mode then
        -- 导入WIFI_app功能，自动运行连接WIFI。
        require "wifi_app"
        -- 判断是否连接TCP平台。
        if tcp_mode then
            -- 导入tcp客户端收发功能模块，运行tcp客户端连接，自动处理TCP收发消息。
            require "tcp_client_main"
            while not socket.adapter(socket.LWIP_STA) do
                log.warn("tcp_client_main_task_func", "wait IP_READY")
                -- 在此处阻塞等待WIFI连接成功的消息"IP_READY"，避免联网过快，丢失了"IP_READY"信息而导致一直被卡住。
                -- 或者等待30秒超时退出阻塞等待状态
                sys.waitUntil("IP_READY", 30000)
            end
            -- 推送"SEND_DATA_REQ"消息，该消息为tcp_client_sender的接口，带上tag和信息还有回调函数，可以实现自动发送和发送状态获取。
            sys.publish("SEND_DATA_REQ", "timer", heart_data, send_result_func)
            -- 通过变量获取回调函数在tcp_client_sender中获取的发送状态。
            -- 第一个值为sys.waitUntil的结果，是否信息唤醒。
            -- 第二个值为发送是否成功
            -- 第三个值为回调函数带的参数
            local _, a, b = sys.waitUntil("send_success")
            -- 通过发送状态判断发送是否成功，并打印变量 a 的赋值
            if a then
                log.info("发送成功！", a)
            else
                log.info("发送失败！", a)
            end
            -- 进入PSM+前需要手动断开AP链接，不然无法正常进入PSM+
            wlan.disconnect()
            -- 等待断网事件确定已经断开AP
            sys.waitUntil("IP_LOSE", 5000)
            -- 判断完有没有发送成功后都进入PSM+模式，减少功耗损耗。
            -- 配置dtimerStart唤醒定时器，根据预设时间唤醒Air8101上传心跳信息。
            pm.dtimerStart(0, tcp_heartbeat * 60 * 1000)
            -- 定完定时器即可进入PSM+，执行到这条代码后，CPU关机，后续代码不会执行。
            pm.power(pm.WORK_MODE, 3)
        else
            -- 进入PSM+前需要手动断开AP链接，不然无法正常进入PSM+
            wlan.disconnect()
            -- 等待断网事件确定已经断开AP
            sys.waitUntil("IP_LOSE", 5000)
            -- 执行到这条代码后，CPU关机，后续代码不会执行。
            pm.power(pm.WORK_MODE, 3)
        end
    else
        -- 判断不需要连WIFI，直接进入PSM+
        -- 执行到这条代码后，CPU关机，后续代码不会执行。
        pm.power(pm.WORK_MODE, 3)
    end
end

sys.taskInit(psm_power_func)

6.3.2 硬件链接

功耗测试时将可调电源正极接在 vbat 的排针处，GND 即为电源负极接的位置，核心板上的USB断开，功耗测试开关拨到ON。

6.3.3 展示效果

下图为进入PSM+模式后不做任何动作的电流情况，平均13uA。

下图为进入PSM+模式后发送心跳包时的电流变化情况，从起来到发完信息到再进入PSM+总共耗时3.2S，平均功耗26mA。