借助NB-IoT和SARA-N3降低监测应用设备总体功耗

作者：Kersten Heins，物联网技术营销；文章来源：ublox

远程位置监测是典型的IoT应用，但应用的目标场景有所不同。

很多时候，所观测的参数并不会快速变化，而且这些参数本身也不是很重要，但企业所有者仍会要求定期更新，例如每天更新一次。

我们以“森林传感器”为例，这是一种用于监测树木健康状况的物联网解决方案。为了监测树木状况，森林所有者会在树木上安装由电池供电的传感器设备，通过该设备来收集一些重要的环境参数，其中包含有助优化树木生长和产量等的重要信息。

但在森林这样的露天环境中，没有电源插座可用，也无法使用局域网(LAN)。为了满足此类应用场景的需求，由电池供电的物联网传感器应运而生，并且使用蜂窝通信网络来确保设备可靠运行。

此外，这类物联网设备要能够在整个产品生命周期内支持零接触操作，即完全免维护，而且多年内不需要更换电池或者重新充电。这意味着森林传感器物联网设备应该具备尽可能高的电源效率。

这是一种典型的“推送”应用，即物联网设备大部分时间处于非活动状态，只有设置了固定时间表或者有外部事件触发时才会“唤醒”。这样的物联网应用场景有很多，例如监测容器填充水平的仪表设备，或者提供资产地理位置信息的追踪设备。

实际上，NB-IoT蜂窝通信网络已经能够满足此类要求，尤其是在使用固定物联网设备以低频次传输小型有效载荷数据包的情况下。

为了尽可能降低物联网设备的功耗，NB-IoT网络技术提供一种实用的功能，称为节能模式（简称：PSM），可以让NB-IoT设备在约定的非活动期内关闭大部分网络接口，包括收发器射频部件。

其活动间隔时间由网络定时器T3412（又名“TAU定时器”）决定。NB-IoT设备的定时器主要用于执行周期性的追踪区域更新(TAU)。这是一种标准LTE功能，可以将用户设备的可用性报告给连接的网络。

事实上，设备成功连接到网络后，就会在PSM间隔期间保持注册状态，但传输活动会等到T3412定时器到期才执行。从本质上讲，PSM周期越长，功耗就越低。鉴于物联网应用场景的不同，现在可以由开发人员来决定设备维持PSM模式的理想时间。

根据3GPP规范，T3412可以设定最长413天的PSM间隔。但遗憾的是，具体的实施各不相同，将取决于网络基础设施所有者允许哪种T3412间隔……对于我们的物联网设备，我们选择了专用的NB-IoT网络接口模块u-blox SARA-N310。

该模块的用户将使用AT命令+CPSMS（节能模式设置）请求配置特定的T3412值，然后再通过AT+CEREG=4命令（EPS网络注册状态）检查是否已为物联网设备完成相应的配置。AT命令的详细信息请查阅参考文献1。

图 1：周期性设备活动（简化）

在约定的PSM期间，网络将对已注册但无法访问的物联网设备的所有下载流量进行缓冲。

我们的电池供电“推送”设备是基于这样的构想：所有本地物联网活动都在单周期时隙内处理（见图1），包括读取传感器数据、接收待处理消息（例如，操作员远程控制命令）、传输物联网有效载荷数据。大多数时间（约99,99%），设备将保持在深度睡眠模式，并且在此期间只消耗几微安的电流。

T3412到期后，SARA-N3模块将从网络中检索待处理的消息（如果有）。在接收事件期间，该模块需要46毫安的电流，在上行链路传输期间，理想情况下，模块在23dBm的输出功率下将消耗220毫安电流。

长期来看，这些短时功耗峰值的频率和持续时间将对电池寿命产生重要影响。显而易见，活动周期频率翻倍（例如，从每天一次增加到每天两次）会导致电池寿命减半。

但除此之外，还有其他许多方面会影响设备的总体功耗（另请查阅参考文献3第20章：“降低功耗的设计”）。例如，设备天线的位置和阻抗匹配是关键设计因素，对射频性能有显著影响。

为了在特定NB-IoT载波频率下尽可能优化输出功率，需要进行天线匹配。一般来讲，设备位置对功耗会有影响，为了最大限度提高信号效率和质量，设备应尽可能靠近所连接的手机信号塔。这一点很关键，因为电池供电设备应避免在覆盖范围扩展(CE)级别2下进行操作。

覆盖范围扩展这一NB-IoT功能有助于在边远区域实现覆盖，但会造成重传，并加入额外的纠错码，从而显著增加有效载荷数据开销和传输时间。因此，从部署的角度来看，与MVNO（“虚拟”网络运营商）合作是有利的，可以从多个网络中选择要连接的网络，而不是只有一个网络可用。请查阅参考文献4，查看详细的解释。

SARA-N3提供若干选项来支持利用NB-IoT PSM功能的低功耗设备设计（请查阅参考文献2）。物联网设备可以借助AT命令发起请求，让NB-IoT网络进入PSM状态，从而让设备在约定的PSM间隔内进入深度睡眠模式。

在深度睡眠模式下，UART接口不起作用，只有在两种情况下模块才会回到活动状态：内部周期性TAU定时器到期，或者发生外部唤醒事件。

外部唤醒事件通过切换SARA-N3模块的PWR_ON引脚来指示。这种方法可用于预定义的本地事件，例如超过阈值（例如，指示“温度过高”）或者检测到物体的存在。这是另一种典型的“推送”IoT应用，可以通过SARA-N3与NB-IoT网络协作来实现。但对于“森林传感器”的例子，我们使用前面提到的内部周期性TAU定时器进行唤醒。

在约定的PSM期间，所有设备元器件都配置为在各自的空闲模式下工作，功耗极低。为了尽可能延长物联网设备的电池寿命，需要正确协调所有三个主要元器件（u-blox SARA-N3网络模块、主机MCU和传感器）的电源管理功能（参见图2的框图）。

主机角色在其中的两者之间交替：IoT应用程序由主机MCU执行，而唤醒管理由SARA-N3蜂窝通信模块与NB-IoT网络协作处理。这种交替通过V_INT输出引脚来完成，该引脚在内部用作数字接口的电源，但也可以作为外部指示器，指示SARA-N3当前处于深度睡眠模式。

图 2：框图

因此，只要SARA-N3从深度睡眠回到活动状态，其 V_INT信号就会唤醒主机MCU和嵌入式IoT应用程序（固件），以接管物联网设备的控制，具体根据应用场景需求而定。

对于物联网程序，首先需要重新连接到注册的网络并请求待处理的下行链路消息。唤醒传感器芯片并启动测量周期也需要在每个活动周期内完成（再次参见图1）。完成后，MCU将向SARA-N3模块传送物联网有效载荷数据，请求将数据转换为选定的协议格式（如UDP或MQTT）并进行数据传输。

最后，MCU将请求SARA-N3启动下一个PSM周期，物联网设备重新进入指定的无限活动循环和PSM周期。

最终，每个元器件在所有活动期间和空闲期间的功耗将合计为物联网设备的总功耗。在示例中，我们选择8位MCU和低功耗空闲模式下消耗电流小于1微安的传感器。在计算时，假设每12小时有一个活动时隙（即每天报告两次物联网数据），每个时隙长度为5秒。

在这些活动期间，设备的功耗将由重新连接到网络并传输物联网数据包所需的射频功率决定。对于我们的应用场景，根据所选的元器件和配置的短活动周期和长PSM周期参数，得出的总功耗为每年223+61=284毫安时（更详细的说明请查阅参考文献4）。

利用这种方案，一节固定的AA尺寸3000毫安时锂电池将能够实现惊人的10.5年零接触产品寿命，这对于可以在任何地方使用的远程监控物联网解决方案来说是一个很好的选择。

参考文献：

[1] u-blox SARA-N3 AT命令手册

[2] u-blox SARA-N3 AT系统集成手册
[3] u-blox SARA-N3 AT应用程序开发指导手册l
[4] Kersten Heins“NB-IoT应用场景和设备”。Springer。ISBN 978-3-030-84973-3

审核编辑 黄宇