遠程位置監(jiān)控是典型的物聯(lián)網(wǎng)應用，但目標用例不同。很多時候，觀察到的參數(shù)預計不會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)測樹木健康狀況的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。為此，將電池供電的傳感器設備安裝在樹上，并獲取一些重要和環(huán)境參數(shù) - 包含對有興趣優(yōu)化生長、產量等的森林所有者的寶貴信息。

但在森林等露天環(huán)境中，將沒有電源插座，也無法使用 LAN。這就是為什么對于這種用例，物聯(lián)網(wǎng)傳感器應該由電池供電，并且應該使用蜂窩網(wǎng)絡以確保可靠運行。此外，物聯(lián)網(wǎng)設備應在其整個產品生命周期內為零接觸操作做好準備，即應 100% 免維護，且多年無需更換電池或充電。這意味著我們的森林傳感器物聯(lián)網(wǎng)設備應設計為最大功率效率。

這是一個典型的“推送”應用程序，其中物聯(lián)網(wǎng)設備大部分時間都處于非活動狀態(tài)，只是在固定時間表或外部事件觸發(fā)時偶爾“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備或提供資產地理位置的跟蹤設備。事實上，NB-IoT 蜂窩網(wǎng)絡已被特別指定來滿足此類要求，尤其是在固定物聯(lián)網(wǎng)設備用于不經(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 的低功耗設計

為了盡可能降低物聯(lián)網(wǎng)設備的功耗，NB-IoT 網(wǎng)絡技術提供了一個很好的功能，稱為省電模式（簡稱 PSM），它允許 NB-IoT 設備關閉大部分網(wǎng)絡接口，包括其收發(fā)器 RF 部分在約定的不活動期間內。

此間隔的持續(xù)時間由網(wǎng)絡計時器 T3412（又名“TAU 計時器”）確定，該計時器主要由 NB-IoT 設備用于執(zhí)行定期跟蹤區(qū)域更新 （TAU）。這是一項標準 LTE 功能，用于通知用戶設備對連接網(wǎng)絡的可用性。事實上，一旦設備成功連接到網(wǎng)絡，它會在 PSM 間隔期間保持注冊狀態(tài)，但傳輸活動可能會等到 T3412 計時器到期。從本質上講，更長的 PSM 周期將導致更少的功耗。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)用例，現(xiàn)在由開發(fā)人員確定其設備保持 PSM 模式的理想時間段。

根據(jù) 3GPP 規(guī)范，可以將 T3412 編程為最長 413 天 （！） 的 PSM 間隔。但不幸的是，實現(xiàn)方式不同，這將取決于網(wǎng)絡基礎設施的所有者允許 T3412 間隔。..。..對于我們的 IoT 設備概念，選擇了專用的 NB-IoT 網(wǎng)絡接口模塊 u-blox SARA-N310。本模塊用戶使用 AT 命令+CPSMS（省電模式設置）請求配置特定的 T3412 值，然后通過 AT+CEREG=4 命令（EPS 網(wǎng)絡注冊狀態(tài)）。

在商定的 PSM 期間，所有到已注冊但無法訪問的 IoT 設備的下載流量都將由網(wǎng)絡緩沖。我們的電池供電“推送”設備的設計理念是基于所有本地 IoT 活動都在單個周期性時隙內處理，即讀取傳感器、接收待處理消息（例如，操作員遠程控制命令），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。隨著時間的推移，這些短暫的功耗峰值的頻率和持續(xù)時間將對電池壽命產生重大影響。毫無疑問，將活動周期的頻率加倍（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影響器件的整體功耗（另請參見參考文獻 3，第 20 章“降低功耗的設計”）。例如，設備天線的定位和阻抗匹配是顯著影響射頻性能的關鍵設計方面。需要天線匹配來最大化特定 NB-IoT 載波頻率下的輸出功率。一般來說，設備位置對功耗有影響，與連接的蜂窩塔的距離應盡可能短，以最大限度地提高信號效率和質量。這是一個關鍵點，因為電池供電設備在覆蓋范圍擴展 （CE）上的操作應避免使用 2 級。這種 NB-IoT 功能有助于在難以到達的區(qū)域提供覆蓋，但可以使用重復和額外的糾錯碼，這會顯著增加有效負載數(shù)據(jù)開銷和傳輸時間。因此，從部署的角度來看，與 MVNO（“虛擬”網(wǎng)絡運營商）合作是有益的，它允許您從多個網(wǎng)絡中進行選擇來連接，而不僅僅是一個。參見參考文獻。4 進一步解釋。

SARA-N3 提供了多種選項來支持基于利用 NB-IoT PSM 功能的低功耗設備設計（參見參考文獻 2）。請求 NB-IoT 網(wǎng)絡進入 PSM 狀態(tài)可以由 IoT 設備通過 AT 命令發(fā)起，允許設備在商定的 PSM 間隔內進入深度睡眠。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狀態(tài)：在內部周期性 TAU 定時器到期后或通過外部喚醒事件。 通過切換 SARA-N3 模塊的 PWR_ON 引腳來指示外部喚醒事件。該方法可以用于預定義的本地事件，例如超過閾值（例如，說“它太熱”）或者如果已經(jīng)檢測到對象的存在。這是另一種典型的“推送”物聯(lián)網(wǎng)應用，可以由 SARA-N3 分別與 NB-IoT 網(wǎng)絡合作解決。但是對于我們的“森林傳感器”示例，我們使用提到的內部周期性 TAU 定時器來喚醒。

電池供電“推動”設備的概念

在商定的 PSM 期間，所有設備組件都配置為以極低的功耗在各自的空閑模式下工作。為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備的最長電池壽命，需要對所有三個主要組件的電源管理功能進行適當?shù)木幣牛簎-blox SARA-N3 網(wǎng)絡模塊、主機 MCU 和傳感器（參見框圖圖 2）。主機角色在兩者之間交替：物聯(lián)網(wǎng)應用程序由主機 MCU 執(zhí)行，但喚醒管理由 SARA-N3 蜂窩模塊與 NB-IoT 網(wǎng)絡合作處理。這是通過V_INT 輸出引腳完成的，該引腳在內部用作數(shù)字接口的電源，但也可以用作 SARA-N3 當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，它的 V_INT 信號就會喚醒主機 MCU 和嵌入式 IoT 應用程序（固件），以根據(jù)用例要求接管 IoT 設備的控制權。對于物聯(lián)網(wǎng)程序，重新連接到已注冊的網(wǎng)絡并請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始一個測量周期也需要在每個活動周期內完成（回憶圖 1）。完成后，MCU 會將 IoT 有效載荷數(shù)據(jù)傳遞給 SARA-N3 模塊，請求將數(shù)據(jù)轉換為選定的協(xié)議格式（例如，UDP 或 MQTT）并進行數(shù)據(jù)傳輸。最后，MCU 將要求 SARA-N3 啟動下一個 PSM 周期，物聯(lián)網(wǎng)設備重新進入指定的無限循環(huán)活動和 PSM 周期。

最后，每個組件在所有活動和空閑期間的功耗將匯總為物聯(lián)網(wǎng)設備的總功耗。在我們的案例中，選擇了一個 8 位 MCU 和一個具有低功耗空閑模式的傳感器，其消耗小于 1 μA。對于我們的計算，我們假設我們將每 12 小時有一個活動時段（即，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將每天報告兩次），每次需要 5 秒。在這些活動期間，設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)絡所需的射頻功率決定。對于我們的用例，短活動周期和長 PSM 周期的選定組件和配置參數(shù)導致每年的總功耗為 （223+61） mAh = 284 mAh（有關更詳細的說明，請參閱參考文獻 4）。采用這種方法，10.5 年的零接觸產品壽命——對于可在任何地方使用的遠程監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)解決方案來說，這是一個很好的價值主張。

審核編輯：郭婷