借助NB-IoT降低監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)備總體功耗

遠(yuǎn)程位置監(jiān)測(cè)是典型的IoT應(yīng)用，但應(yīng)用的目標(biāo)場(chǎng)景有所不同。

很多時(shí)候，所觀測(cè)的參數(shù)并不會(huì)快速變化，而且這些參數(shù)本身也不是很重要，但企業(yè)所有者仍會(huì)要求定期更新，例如每天更新一次。

我們以“森林傳感器”為例，這是一種用于監(jiān)測(cè)樹木健康狀況的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。為了監(jiān)測(cè)樹木狀況，森林所有者會(huì)在樹木上安裝由電池供電的傳感器設(shè)備，通過該設(shè)備來收集一些重要的環(huán)境參數(shù)，其中包含有助優(yōu)化樹木生長(zhǎng)和產(chǎn)量等的重要信息。

但在森林這樣的露天環(huán)境中，沒有電源插座可用，也無法使用局域網(wǎng)(LAN)。為了滿足此類應(yīng)用場(chǎng)景的需求，由電池供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)運(yùn)而生，并且使用蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)來確保設(shè)備可靠運(yùn)行。

此外，這類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要能夠在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)支持零接觸操作，即完全免維護(hù)，而且多年內(nèi)不需要更換電池或者重新充電。這意味著森林傳感器物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)該具備盡可能高的電源效率。

這是一種典型的“推送”應(yīng)用，即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大部分時(shí)間處于非活動(dòng)狀態(tài)，只有設(shè)置了固定時(shí)間表或者有外部事件觸發(fā)時(shí)才會(huì)“喚醒”。這樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景有很多，例如監(jiān)測(cè)容器填充水平的儀表設(shè)備，或者提供資產(chǎn)地理位置信息的追蹤設(shè)備。

實(shí)際上，NB-IoT蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠滿足此類要求，尤其是在使用固定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以低頻次傳輸小型有效載荷數(shù)據(jù)包的情況下。

為了盡可能降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供一種實(shí)用的功能，稱為節(jié)能模式（簡(jiǎn)稱：PSM），可以讓NB-IoT設(shè)備在約定的非活動(dòng)期內(nèi)關(guān)閉大部分網(wǎng)絡(luò)接口，包括收發(fā)器射頻部件。

其活動(dòng)間隔時(shí)間由網(wǎng)絡(luò)定時(shí)器T3412（又名“TAU定時(shí)器”）決定。NB-IoT設(shè)備的定時(shí)器主要用于執(zhí)行周期性的追蹤區(qū)域更新(TAU)。這是一種標(biāo)準(zhǔn)LTE功能，可以將用戶設(shè)備的可用性報(bào)告給連接的網(wǎng)絡(luò)。

事實(shí)上，設(shè)備成功連接到網(wǎng)絡(luò)后，就會(huì)在PSM間隔期間保持注冊(cè)狀態(tài)，但傳輸活動(dòng)會(huì)等到T3412定時(shí)器到期才執(zhí)行。從本質(zhì)上講，PSM周期越長(zhǎng)，功耗就越低。鑒于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，現(xiàn)在可以由開發(fā)人員來決定設(shè)備維持PSM模式的理想時(shí)間。

根據(jù)3GPP規(guī)范，T3412可以設(shè)定最長(zhǎng)413天的PSM間隔。但遺憾的是，具體的實(shí)施各不相同，將取決于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所有者允許哪種T3412間隔……對(duì)于我們的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，我們選擇了專用的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接口模塊u-blox SARA-N310。

該模塊的用戶將使用AT命令+CPSMS（節(jié)能模式設(shè)置）請(qǐng)求配置特定的T3412值，然后再通過AT+CEREG=4命令（EPS網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)）檢查是否已為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備完成相應(yīng)的配置。AT命令的詳細(xì)信息請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)1。

圖 1：周期性設(shè)備活動(dòng)（簡(jiǎn)化）

在約定的PSM期間，網(wǎng)絡(luò)將對(duì)已注冊(cè)但無法訪問的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的所有下載流量進(jìn)行緩沖。

我們的電池供電“推送”設(shè)備是基于這樣的構(gòu)想：所有本地物聯(lián)網(wǎng)活動(dòng)都在單周期時(shí)隙內(nèi)處理（見圖1），包括讀取傳感器數(shù)據(jù)、接收待處理消息（例如，操作員遠(yuǎn)程控制命令）、傳輸物聯(lián)網(wǎng)有效載荷數(shù)據(jù)。大多數(shù)時(shí)間（約99,99%），設(shè)備將保持在深度睡眠模式，并且在此期間只消耗幾微安的電流。

T3412到期后，SARA-N3模塊將從網(wǎng)絡(luò)中檢索待處理的消息（如果有）。在接收事件期間，該模塊需要46毫安的電流，在上行鏈路傳輸期間，理想情況下，模塊在23dBm的輸出功率下將消耗220毫安電流。

長(zhǎng)期來看，這些短時(shí)功耗峰值的頻率和持續(xù)時(shí)間將對(duì)電池壽命產(chǎn)生重要影響。顯而易見，活動(dòng)周期頻率翻倍（例如，從每天一次增加到每天兩次）會(huì)導(dǎo)致電池壽命減半。

但除此之外，還有其他許多方面會(huì)影響設(shè)備的總體功耗（另請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)3第20章：“降低功耗的設(shè)計(jì)”）。例如，設(shè)備天線的位置和阻抗匹配是關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素，對(duì)射頻性能有顯著影響。

為了在特定NB-IoT載波頻率下盡可能優(yōu)化輸出功率，需要進(jìn)行天線匹配。一般來講，設(shè)備位置對(duì)功耗會(huì)有影響，為了最大限度提高信號(hào)效率和質(zhì)量，設(shè)備應(yīng)盡可能靠近所連接的手機(jī)信號(hào)塔。這一點(diǎn)很關(guān)鍵，因?yàn)殡姵毓╇娫O(shè)備應(yīng)避免在覆蓋范圍擴(kuò)展(CE)級(jí)別2下進(jìn)行操作。

覆蓋范圍擴(kuò)展這一NB-IoT功能有助于在邊遠(yuǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)覆蓋，但會(huì)造成重傳，并加入額外的糾錯(cuò)碼，從而顯著增加有效載荷數(shù)據(jù)開銷和傳輸時(shí)間。因此，從部署的角度來看，與MVNO（“虛擬”網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商）合作是有利的，可以從多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中選擇要連接的網(wǎng)絡(luò)，而不是只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可用。請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)4，查看詳細(xì)的解釋。

SARA-N3提供若干選項(xiàng)來支持利用NB-IoT PSM功能的低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)（請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)2）。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以借助AT命令發(fā)起請(qǐng)求，讓NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入PSM狀態(tài)，從而讓設(shè)備在約定的PSM間隔內(nèi)進(jìn)入深度睡眠模式。

在深度睡眠模式下，UART接口不起作用，只有在兩種情況下模塊才會(huì)回到活動(dòng)狀態(tài)：內(nèi)部周期性TAU定時(shí)器到期，或者發(fā)生外部喚醒事件。

外部喚醒事件通過切換SARA-N3模塊的PWR_ON引腳來指示。這種方法可用于預(yù)定義的本地事件，例如超過閾值（例如，指示“溫度過高”）或者檢測(cè)到物體的存在。這是另一種典型的“推送”IoT應(yīng)用，可以通過SARA-N3與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)協(xié)作來實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于“森林傳感器”的例子，我們使用前面提到的內(nèi)部周期性TAU定時(shí)器進(jìn)行喚醒。

在約定的PSM期間，所有設(shè)備元器件都配置為在各自的空閑模式下工作，功耗極低。為了盡可能延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命，需要正確協(xié)調(diào)所有三個(gè)主要元器件（u-blox SARA-N3網(wǎng)絡(luò)模塊、主機(jī)MCU和傳感器）的電源管理功能（參見圖2的框圖）。

主機(jī)角色在其中的兩者之間交替：IoT應(yīng)用程序由主機(jī)MCU執(zhí)行，而喚醒管理由SARA-N3蜂窩通信模塊與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)協(xié)作處理。這種交替通過V_INT輸出引腳來完成，該引腳在內(nèi)部用作數(shù)字接口的電源，但也可以作為外部指示器，指示SARA-N3當(dāng)前處于深度睡眠模式。

圖 2：框圖

因此，只要SARA-N3從深度睡眠回到活動(dòng)狀態(tài)，其 V_INT信號(hào)就會(huì)喚醒主機(jī)MCU和嵌入式IoT應(yīng)用程序（固件），以接管物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的控制，具體根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求而定。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)程序，首先需要重新連接到注冊(cè)的網(wǎng)絡(luò)并請(qǐng)求待處理的下行鏈路消息。喚醒傳感器芯片并啟動(dòng)測(cè)量周期也需要在每個(gè)活動(dòng)周期內(nèi)完成（再次參見圖1）。完成后，MCU將向SARA-N3模塊傳送物聯(lián)網(wǎng)有效載荷數(shù)據(jù)，請(qǐng)求將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為選定的協(xié)議格式（如UDP或MQTT）并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

最后，MCU將請(qǐng)求SARA-N3啟動(dòng)下一個(gè)PSM周期，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備重新進(jìn)入指定的無限活動(dòng)循環(huán)和PSM周期。

最終，每個(gè)元器件在所有活動(dòng)期間和空閑期間的功耗將合計(jì)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總功耗。在示例中，我們選擇8位MCU和低功耗空閑模式下消耗電流小于1微安的傳感器。在計(jì)算時(shí)，假設(shè)每12小時(shí)有一個(gè)活動(dòng)時(shí)隙（即每天報(bào)告兩次物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)），每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為5秒。

在這些活動(dòng)期間，設(shè)備的功耗將由重新連接到網(wǎng)絡(luò)并傳輸物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包所需的射頻功率決定。對(duì)于我們的應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)所選的元器件和配置的短活動(dòng)周期和長(zhǎng)PSM周期參數(shù)，得出的總功耗為每年223+61=284毫安時(shí)（更詳細(xì)的說明請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)4）。

利用這種方案，一節(jié)固定的AA尺寸3000毫安時(shí)鋰電池將能夠?qū)崿F(xiàn)驚人的10.5年零接觸產(chǎn)品壽命，這對(duì)于可以在任何地方使用的遠(yuǎn)程監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)解決方案來說是一個(gè)很好的選擇。

審核編輯：劉清