u-blox SARA-N3 利用小型电池实现周期性物联网传感

远程位置监控是一种典型的 IoT 应用，但目标用例|使用场景|场景有所不同。通常情况下，观察到的参数不会快速变化，本身也不重要，但企业主要求定期更新，例如每天更新一次。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。为此，一个由电池供电的传感器设备被安装在树上，并采集一些重要的环境参数--其中包含对有兴趣优化生长和产量等的森林所有者来说非常有价值的信息。

但在森林这样的露天环境中，没有电源插座，也无法使用局域网。因此，在这种用例|场景|中，物联网传感器 应由电池供电，并使用蜂窝通信模块, 蜂窝通信以确保可靠运行。此外，物联网设备应在其整个产品生命周期内做好零接触操作的准备，即 100%免维护，多年内不需要更换电池或重新充电。这就意味着，我们的森林传感器物联网设备在设计时应最大限度地提高电源效率。

这是一种典型的 "推式 "应用，在这种应用中，物联网设备大部分时间处于非活动状态，只是偶尔在固定时间表或外部事件触发后立即 "唤醒"。类似这样的物联网用例有很多，例如，提供容器填充液位的仪表设备或提供资产地理位置的跟踪设备。事实上，NB-IoT 蜂窝通信模块、蜂窝通信网络就是为满足此类要求而设计的，尤其是当固定物联网设备用于不频繁地传输小型有效载荷数据封装时。

采用 NB-IoT 和 SARA-N3 的低功耗设计

为了尽可能减少物联网设备的功耗，NB-IoT 网络技术提供了一个很好的功能，即 "省电模式"（简称 PSM），它使 NB-IoT 设备在约定的非活动时间段内关闭网络接口的大部分部分，包括其收发器射频部分。

该间隔的持续时间由网络定时器 T3412（又名 "TAU 定时器"）决定，它主要用于 NB-IoT 设备进行定期的航迹区域更新（TAU）。这是一项标准级,LTE 功能，用于向可根据语境译成技术，模块，通信等。事实上，一旦设备成功连接到网络，它就会在 PSM 间隔期间保持注册状态，但传输活动可能要等到 T3412 定时器过期。从本质上讲，较长的 PSM 时间会降低功耗。根据物联网用例|使用场景|，就近翻译为：该系列模块or产品名。

根据 3GPP 规范，T3412 的 PSM 间隔可长达 413 天（！）。但遗憾的是，实施情况各不相同，这将取决于网络基础设施的所有者是否允许 "不要译成 "使......针对我们的物联网设备概念，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（省电模式设置）请求配置特定的 T3412 值，然后通过 AT+CEREG=4 命令（EPS 网络注册状态）检查物联网设备是否同意该请求。有关 AT 命令的详细信息，请参阅参考文献。 1.

图 1：定期设备活动（简化版）

在商定的 PSM 期间，网络将缓冲已注册但无法连接的物联网设备的所有下载流量。我们对电池供电的 "推送 "设备的设计理念是，所有本地物联网活动都在一个周期性时间基准站内处理（见图 1），即读取传感器、接收待处理信息（如操作员远程控制指令）、传输物联网有效载荷数据。大部分授时（约 99.99%），设备将保持深度睡眠模式，在此期间的功耗仅为微安。T3412 到期后，SARA-N3 模块将从网络检索待处理信息（如果有）。在接收过程中，该模块将消耗 46 mA 电流；在上行链路传输过程中，理想情况下，在 23dBm 输出功率下将消耗 220 mA 电流。随着时间的推移，这些短时间功耗峰值的频率和持续时间将对电池寿命产生显著，极大等影响。将活动期的频率增加一倍（如从每天一次增加到每天两次），电池寿命将减少一半，这并不奇怪。

除此之外，还有许多其他方面也会影响设备的总体功耗（参见参考文献 3，第 20 章 "降低功耗的设计"）。例如，设备天线的定位和阻抗匹配是至关重要的设计方面，对射频性能有显著，极大等影响。要在特定的 NB-IoT 载波频率下实现最大输出功率，就需要天线匹配。一般来说，设备位置会对电源消耗产生影响，可根据语境译成技术，模块，通信等。这是一个关键点，因为应避免在覆盖范围扩展（CE） 2 级运行电池供电的设备。这种 NB-IoT 功能有助于在难以到达的区域提供覆盖范围，但工作时会出现重复和额外的纠错码，这大大增加了有效载荷数据开销和传输时码。因此，从部署的角度来看，最好与 MVNO（"虚拟 "网络运营商）合作，使您可根据语境选择要连接的网络，而不是只选择一个。详见参考文献 4。进一步解释见参考文献 4。

SARA-N3 利用 NB-IoT PSM 功能（参见参考文献 2），提供了多种支持低功耗设备设计的选项。物联网设备可以通过 AT 命令请求 NB-IoT 网络进入 PSM 状态，使设备 进入约定 PSM 间隔的深度睡眠"。在深度睡眠模式下，UART 接口不起作用，只有两种方式可使模块返回活动状态：内部周期性 TAU 定时器到期后或外部唤醒事件。外部唤醒事件通过拨动 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，如超过阈值（如说 "太热了"）或检测到物体存在。这是另一种典型的 "推式 "物联网应用，SARA-N3 可分别与 NB-IoT 网络合作解决这一问题。但在我们的 "森林传感器 "示例中，我们使用了上述内部周期性 TAU 定时器进行唤醒。

电池供电的 "推送 "设备概念

在商定的 PSM 期间，所有设备元器件都被配置为在各自的空闲模式下以极低功耗工作。为了使物联网设备的电池寿命达到最长，需要对所有三个主要元器件的电源管理功能进行适当的协调：u-blox SARA-N3 网络模块、主机 MCU 和传感器（见图 2 框图）。主控角色由其中两个轮流担任：IoT 应用程序由主机 MCU 执行，但唤醒管理由 SARA-N3 蜂窝通信模块与 NB-IoT 网络合作完成。唤醒管理通过V_INT 输出引脚完成，该引脚在内部用作数字接口的电源，也可用作 SARA-N3 当前处于深度睡眠模式的外部指示灯。

图 2：框图

因此，每当 SARA-N3 从深度睡眠状态返回时，其 V_INT 信号就会唤醒主机 MCU 和嵌入式物联网 应用程序（固件），以接管对物联网设备的控制--根据用例要求而定。对于物联网程序来说，首先要做的是重新连接到注册网络，并请求接收待处理的下行链路信息。唤醒传感器芯片和启动测量周期也需要在每个活动周期内完成（参见图 1）。完成后，MCU 会将物联网有效载荷数据传递给 SARA-N3 模块，要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 会要求 SARA-N3 启动下一个 PSM周期，物联网设备重新进入指定的无限循环活动和 PSM 周期。

最终，每个元器件在所有活动期和空闲期的功耗将合计为物联网设备的总功耗。在我们的案例中，选择了一个 8 位 MCU 和一个传感器，它们在低功耗空闲模式下的功耗小于 1 µA。在计算中，我们假设每 12 小时有一个活动时段（即每天报告两次物联网数据），每个时段耗时 5 秒。在这些活动期间，设备功耗将主要由重新连接和向网络传输物联网数据封装所需的射频功率所决定。对于我们的用例|使用场景|场景，针对短活动期和长 PSM 期所选择的元器件和配置参数导致每年的总耗电量为 (223+61) mAh = 284 mAh（更多详细解释请参阅参考文献 4）。采用这种方法，一个固定 AA 大小的 3000mAh 锂电池将提供惊人的10,5 年零接触产品寿命--这对于一个可以随处使用的远程监控物联网解决方案来说，是一个很好的价值主张。

参考资料
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 应用开发指南手册
4. Kersten Heins《NB-IoT 用例|使用场景|场景》。Springer.ISBN 978-3-030-84973-3