遠(yuǎn)程位置監(jiān)控是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但目標(biāo)用例不同。很多時(shí)候，觀察到的參數(shù)預(yù)計(jì)不會(huì)快速變化并且本身并不重要，但企業(yè)主要求定期更新，例如每天一次。讓我們以“森林傳感器”為例，這是一種用于監(jiān)測(cè)樹(shù)木健康狀況的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。為此，將電池供電的傳感器設(shè)備安裝在樹(shù)上，并獲取一些重要和環(huán)境參數(shù) - 包含對(duì)有興趣優(yōu)化生長(zhǎng)、產(chǎn)量等的森林所有者的寶貴信息。

但在森林等露天環(huán)境中，將沒(méi)有電源插座，也無(wú)法使用 LAN。這就是為什么對(duì)于這種用例，物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)該由電池供電，并且應(yīng)該使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)以確保可靠運(yùn)行。此外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)在其整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)為零接觸操作做好準(zhǔn)備，即應(yīng) 100% 免維護(hù)，且多年無(wú)需更換電池或充電。這意味著我們的森林傳感器物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)設(shè)計(jì)為最大功率效率。

這是一個(gè)典型的“推送”應(yīng)用程序，其中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大部分時(shí)間都處于非活動(dòng)狀態(tài)，只是在固定時(shí)間表或外部事件觸發(fā)時(shí)偶爾“喚醒”。有許多這樣的物聯(lián)網(wǎng)用例，例如，提供容器填充水平的儀表設(shè)備或提供資產(chǎn)地理位置的跟蹤設(shè)備。事實(shí)上，NB-IoT 蜂窩網(wǎng)絡(luò)已被特別指定來(lái)滿足此類要求，尤其是在固定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備用于不經(jīng)常傳輸小型有效載荷數(shù)據(jù)包的情況下。

采用 NB-IoT 和 SARA-N3 的低功耗設(shè)計(jì)

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)提供了一個(gè)很好的功能，稱為省電模式（簡(jiǎn)稱 PSM），它允許 NB-IoT 設(shè)備關(guān)閉大部分網(wǎng)絡(luò)接口，包括其收發(fā)器 RF 部分在約定的不活動(dòng)期間內(nèi)。

此間隔的持續(xù)時(shí)間由網(wǎng)絡(luò)計(jì)時(shí)器 T3412（又名“TAU 計(jì)時(shí)器”）確定，該計(jì)時(shí)器主要由 NB-IoT 設(shè)備用于執(zhí)行定期跟蹤區(qū)域更新 （TAU）。這是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn) LTE 功能，用于通知用戶設(shè)備對(duì)連接網(wǎng)絡(luò)的可用性。事實(shí)上，一旦設(shè)備成功連接到網(wǎng)絡(luò)，它會(huì)在 PSM 間隔期間保持注冊(cè)狀態(tài)，但傳輸活動(dòng)可能會(huì)等到 T3412 計(jì)時(shí)器到期。從本質(zhì)上講，更長(zhǎng)的 PSM 周期將導(dǎo)致更少的功耗。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)用例，現(xiàn)在由開(kāi)發(fā)人員確定其設(shè)備保持 PSM 模式的理想時(shí)間段。

根據(jù) 3GPP 規(guī)范，可以將 T3412 編程為最長(zhǎng) 413 天 （！） 的 PSM 間隔。但不幸的是，實(shí)現(xiàn)方式不同，這將取決于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的所有者允許 T3412 間隔。..。..對(duì)于我們的 IoT 設(shè)備概念，選擇了專用的 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)接口模塊 u-blox SARA-N310。本模塊用戶使用 AT 命令+CPSMS（省電模式設(shè)置）請(qǐng)求配置特定的 T3412 值，然后通過(guò) AT+CEREG=4 命令（EPS 網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)）。

在商定的 PSM 期間，所有到已注冊(cè)但無(wú)法訪問(wèn)的 IoT 設(shè)備的下載流量都將由網(wǎng)絡(luò)緩沖。我們的電池供電“推送”設(shè)備的設(shè)計(jì)理念是基于所有本地 IoT 活動(dòng)都在單個(gè)周期性時(shí)隙內(nèi)處理，即讀取傳感器、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)情況下（大約 99.99%），設(shè)備將保持深度睡眠模式，在此期間消耗幾微安電流。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，模塊將消耗 46 mA，在上行鏈路傳輸期間，理想情況下它將在 23dBm 輸出功率下消耗 220 mA。隨著時(shí)間的推移，這些短暫的功耗峰值的頻率和持續(xù)時(shí)間將對(duì)電池壽命產(chǎn)生重大影響。毫無(wú)疑問(wèn)，將活動(dòng)周期的頻率加倍（例如，從一天一次到一天兩次）將使電池壽命減半。

但除此之外，還有許多其他方面會(huì)影響器件的整體功耗（另請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn) 3，第 20 章“降低功耗的設(shè)計(jì)”）。例如，設(shè)備天線的定位和阻抗匹配是顯著影響射頻性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方面。需要天線匹配來(lái)最大化特定 NB-IoT 載波頻率下的輸出功率。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備位置對(duì)功耗有影響，與連接的蜂窩塔的距離應(yīng)盡可能短，以最大限度地提高信號(hào)效率和質(zhì)量。這是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)殡姵毓╇娫O(shè)備在覆蓋范圍擴(kuò)展 （CE）上的操作應(yīng)避免使用 2 級(jí)。這種 NB-IoT 功能有助于在難以到達(dá)的區(qū)域提供覆蓋，但可以使用重復(fù)和額外的糾錯(cuò)碼，這會(huì)顯著增加有效負(fù)載數(shù)據(jù)開(kāi)銷和傳輸時(shí)間。因此，從部署的角度來(lái)看，與 MVNO（“虛擬”網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商）合作是有益的，它允許您從多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行選擇來(lái)連接，而不僅僅是一個(gè)。參見(jiàn)參考文獻(xiàn)。4 進(jìn)一步解釋。

SARA-N3 提供了多種選項(xiàng)來(lái)支持基于利用 NB-IoT PSM 功能的低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)（參見(jiàn)參考文獻(xiàn) 2）。請(qǐng)求 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入 PSM 狀態(tài)可以由 IoT 設(shè)備通過(guò) AT 命令發(fā)起，允許設(shè)備在商定的 PSM 間隔內(nèi)進(jìn)入深度睡眠。在深度睡眠模式下，UART 接口不起作用，只有兩種方法可以使模塊返回活動(dòng)狀態(tài)：在內(nèi)部周期性 TAU 定時(shí)器到期后或通過(guò)外部喚醒事件。 通過(guò)切換 SARA-N3 模塊的 PWR_ON 引腳來(lái)指示外部喚醒事件。該方法可以用于預(yù)定義的本地事件，例如超過(guò)閾值（例如，說(shuō)“它太熱”）或者如果已經(jīng)檢測(cè)到對(duì)象的存在。這是另一種典型的“推送”物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可以由 SARA-N3 分別與 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)合作解決。但是對(duì)于我們的“森林傳感器”示例，我們使用提到的內(nèi)部周期性 TAU 定時(shí)器來(lái)喚醒。

電池供電“推動(dòng)”設(shè)備的概念

在商定的 PSM 期間，所有設(shè)備組件都配置為以極低的功耗在各自的空閑模式下工作。為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的最長(zhǎng)電池壽命，需要對(duì)所有三個(gè)主要組件的電源管理功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幣牛簎-blox SARA-N3 網(wǎng)絡(luò)模塊、主機(jī) MCU 和傳感器（參見(jiàn)框圖圖 2）。主機(jī)角色在兩者之間交替：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序由主機(jī) MCU 執(zhí)行，但喚醒管理由 SARA-N3 蜂窩模塊與 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)合作處理。這是通過(guò)V_INT 輸出引腳完成的，該引腳在內(nèi)部用作數(shù)字接口的電源，但也可以用作 SARA-N3 當(dāng)前處于深度睡眠模式的外部指示器。

因此，只要 SARA-N3 從深度睡眠中恢復(fù)，它的 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），以根據(jù)用例要求接管 IoT 設(shè)備的控制權(quán)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)程序，重新連接到已注冊(cè)的網(wǎng)絡(luò)并請(qǐng)求未決的下行鏈路消息將是第一件事。喚醒傳感器芯片并開(kāi)始一個(gè)測(cè)量周期也需要在每個(gè)活動(dòng)周期內(nèi)完成（回憶圖 1）。完成后，MCU 會(huì)將 IoT 有效載荷數(shù)據(jù)傳遞給 SARA-N3 模塊，請(qǐng)求將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為選定的協(xié)議格式（例如，UDP 或 MQTT）并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。最后，MCU 將要求 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(wú)限循環(huán)活動(dòng)和 PSM 周期。

最后，每個(gè)組件在所有活動(dòng)和空閑期間的功耗將匯總為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總功耗。在我們的案例中，選擇了一個(gè) 8 位 MCU 和一個(gè)具有低功耗空閑模式的傳感器，其消耗小于 1 μA。對(duì)于我們的計(jì)算，我們假設(shè)我們將每 12 小時(shí)有一個(gè)活動(dòng)時(shí)段（即，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將每天報(bào)告兩次），每次需要 5 秒。在這些活動(dòng)期間，設(shè)備功耗將主要由重新連接物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包并將其傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)所需的射頻功率決定。對(duì)于我們的用例，短活動(dòng)周期和長(zhǎng) PSM 周期的選定組件和配置參數(shù)導(dǎo)致每年的總功耗為 （223+61） mAh = 284 mAh（有關(guān)更詳細(xì)的說(shuō)明，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn) 4）。采用這種方法，10.5 年的零接觸產(chǎn)品壽命——對(duì)于可在任何地方使用的遠(yuǎn)程監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)解決方案來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很好的價(jià)值主張。

審核編輯：郭婷