借助NB-IoT降低監測應用設備總體功耗

遠程位置監測是典型的IoT應用，但應用的目標場景有所不同。

很多時候，所觀測的參數并不會快速變化，而且這些參數本身也不是很重要，但企業所有者仍會要求定期更新，例如每天更新一次。

我們以“森林傳感器”為例，這是一種用于監測樹木健康狀況的物聯網解決方案。為了監測樹木狀況，森林所有者會在樹木上安裝由電池供電的傳感器設備，通過該設備來收集一些重要的環境參數，其中包含有助優化樹木生長和產量等的重要信息。

但在森林這樣的露天環境中，沒有電源插座可用，也無法使用局域網(LAN)。為了滿足此類應用場景的需求，由電池供電的物聯網傳感器應運而生，并且使用蜂窩通信網絡來確保設備可靠運行。

此外，這類物聯網設備要能夠在整個產品生命周期內支持零接觸操作，即完全免維護，而且多年內不需要更換電池或者重新充電。這意味著森林傳感器物聯網設備應該具備盡可能高的電源效率。

這是一種典型的“推送”應用，即物聯網設備大部分時間處于非活動狀態，只有設置了固定時間表或者有外部事件觸發時才會“喚醒”。這樣的物聯網應用場景有很多，例如監測容器填充水平的儀表設備，或者提供資產地理位置信息的追蹤設備。

實際上，NB-IoT蜂窩通信網絡已經能夠滿足此類要求，尤其是在使用固定物聯網設備以低頻次傳輸小型有效載荷數據包的情況下。

為了盡可能降低物聯網設備的功耗，NB-IoT網絡技術提供一種實用的功能，稱為節能模式（簡稱：PSM），可以讓NB-IoT設備在約定的非活動期內關閉大部分網絡接口，包括收發器射頻部件。

其活動間隔時間由網絡定時器T3412（又名“TAU定時器”）決定。NB-IoT設備的定時器主要用于執行周期性的追蹤區域更新(TAU)。這是一種標準LTE功能，可以將用戶設備的可用性報告給連接的網絡。

事實上，設備成功連接到網絡后，就會在PSM間隔期間保持注冊狀態，但傳輸活動會等到T3412定時器到期才執行。從本質上講，PSM周期越長，功耗就越低。鑒于物聯網應用場景的不同，現在可以由開發人員來決定設備維持PSM模式的理想時間。

根據3GPP規范，T3412可以設定最長413天的PSM間隔。但遺憾的是，具體的實施各不相同，將取決于網絡基礎設施所有者允許哪種T3412間隔……對于我們的物聯網設備，我們選擇了專用的NB-IoT網絡接口模塊u-blox SARA-N310。

該模塊的用戶將使用AT命令+CPSMS（節能模式設置）請求配置特定的T3412值，然后再通過AT+CEREG=4命令（EPS網絡注冊狀態）檢查是否已為物聯網設備完成相應的配置。AT命令的詳細信息請查閱參考文獻1。

圖 1：周期性設備活動（簡化）

在約定的PSM期間，網絡將對已注冊但無法訪問的物聯網設備的所有下載流量進行緩沖。

我們的電池供電“推送”設備是基于這樣的構想：所有本地物聯網活動都在單周期時隙內處理（見圖1），包括讀取傳感器數據、接收待處理消息（例如，操作員遠程控制命令）、傳輸物聯網有效載荷數據。大多數時間（約99,99%），設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模塊將從網絡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。

長期來看，這些短時功耗峰值的頻率和持續時間將對電池壽命產生重要影響。顯而易見，活動周期頻率翻倍（例如，從每天一次增加到每天兩次）會導致電池壽命減半。

但除此之外，還有其他許多方面會影響設備的總體功耗（另請查閱參考文獻3第20章：“降低功耗的設計”）。例如，設備天線的位置和阻抗匹配是關鍵設計因素，對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化輸出功率，需要進行天線匹配。一般來講，設備位置對功耗會有影響，為了最大限度提高信號效率和質量，設備應盡可能靠近所連接的手機信號塔。這一點很關鍵，因為電池供電設備應避免在覆蓋范圍擴展(CE)級別2下進行操作。

覆蓋范圍擴展這一NB-IoT功能有助于在邊遠區域實現覆蓋，但會造成重傳，并加入額外的糾錯碼，從而顯著增加有效載荷數據開銷和傳輸時間。因此，從部署的角度來看，與MVNO（“虛擬”網絡運營商）合作是有利的，可以從多個網絡中選擇要連接的網絡，而不是只有一個網絡可用。請查閱參考文獻4，查看詳細的解釋。

SARA-N3提供若干選項來支持利用NB-IoT PSM功能的低功耗設備設計（請查閱參考文獻2）。物聯網設備可以借助AT命令發起請求，讓NB-IoT網絡進入PSM狀態，從而讓設備在約定的PSM間隔內進入深度睡眠模式。

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回到活動狀態：內部周期性TAU定時器到期，或者發生外部喚醒事件。

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”）或者檢測到物體的存在。這是另一種典型的“推送”IoT應用，可以通過SARA-N3與NB-IoT網絡協作來實現。但對于“森林傳感器”的例子，我們使用前面提到的內部周期性TAU定時器進行喚醒。

在約定的PSM期間，所有設備元器件都配置為在各自的空閑模式下工作，功耗極低。為了盡可能延長物聯網設備的電池壽命，需要正確協調所有三個主要元器件（u-blox SARA-N3網絡模塊、主機MCU和傳感器）的電源管理功能（參見圖2的框圖）。

主機角色在其中的兩者之間交替：IoT應用程序由主機MCU執行，而喚醒管理由SARA-N3蜂窩通信模塊與NB-IoT網絡協作處理。這種交替通過V_INT輸出引腳來完成，該引腳在內部用作數字接口的電源，但也可以作為外部指示器，指示SARA-N3當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狀態，其 V_INT信號就會喚醒主機MCU和嵌入式IoT應用程序（固件），以接管物聯網設備的控制，具體根據應用場景需求而定。

對于物聯網程序，首先需要重新連接到注冊的網絡并請求待處理的下行鏈路消息。喚醒傳感器芯片并啟動測量周期也需要在每個活動周期內完成（再次參見圖1）。完成后，MCU將向SARA-N3模塊傳送物聯網有效載荷數據，請求將數據轉換為選定的協議格式（如UDP或MQTT）并進行數據傳輸。

最后，MCU將請求SARA-N3啟動下一個PSM周期，物聯網設備重新進入指定的無限活動循環和PSM周期。

最終，每個元器件在所有活動期間和空閑期間的功耗將合計為物聯網設備的總功耗。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。在計算時，假設每12小時有一個活動時隙（即每天報告兩次物聯網數據），每個時隙長度為5秒。

在這些活動期間，設備的功耗將由重新連接到網絡并傳輸物聯網數據包所需的射頻功率決定。對于我們的應用場景，根據所選的元器件和配置的短活動周期和長PSM周期參數，得出的總功耗為每年223+61=284毫安時（更詳細的說明請查閱參考文獻4）。

利用這種方案，一節固定的AA尺寸3000毫安時鋰電池將能夠實現驚人的10.5年零接觸產品壽命，這對于可以在任何地方使用的遠程監控物聯網解決方案來說是一個很好的選擇。

審核編輯：劉清