軟件設(shè)計(jì) - 如何降低LoRa終端功耗

軟件設(shè)計(jì)

1. 動(dòng)態(tài)切換MCU引腳

有2類MCU引腳：MCU輸出和MCU輸入，它們需要?jiǎng)討B(tài)進(jìn)行配置。具體地說(shuō)，在進(jìn)入低功耗模式時(shí)，將其分別配置成：輸入上拉和輸入懸浮；在退出低功耗模式時(shí)，將其配置成定義的功能狀態(tài)。在動(dòng)態(tài)切換時(shí)需要考慮2點(diǎn)：

首先，動(dòng)態(tài)切換引腳是需要時(shí)間的，以STM8L151C8T6為例，動(dòng)態(tài)切換5個(gè)引腳需要477us，可見(jiàn)它一般用于休眠這種較長(zhǎng)周期的節(jié)能模式，不適合空閑停止這種短暫節(jié)能模式。

其次，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中引腳的連接是變化的，換句話說(shuō)，今天這個(gè)引腳是空閑，下次產(chǎn)品升級(jí)該引腳可能設(shè)計(jì)成特定功能。為減少軟件維護(hù)成本，需要設(shè)計(jì)一種優(yōu)秀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能描述MCU所有引腳，如果引腳功能改變，只需要修改數(shù)據(jù)定義，而不需要修改程序。

2. 一旦無(wú)事可干，MCU立即停止或休眠

在LoRa終端系統(tǒng)中MCU是能源的持續(xù)消耗者，軟件設(shè)計(jì)需要考慮盡可能快地讓MCU節(jié)能，STM8L151C8T6有如下2種節(jié)能模式。

短暫等待：如等待RF發(fā)送數(shù)據(jù)幀完畢，MCU執(zhí)行WFI指令，一旦RF完成發(fā)送，中斷將MCU喚醒繼續(xù)運(yùn)行；

長(zhǎng)期等待：如等待下一次主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)幀，MCU執(zhí)行HALT指令，當(dāng)指定時(shí)間到達(dá)時(shí)，RTC中斷將MCU喚醒繼續(xù)運(yùn)行。

3. 采用高效率算法

軟件算法效率越高，MCU計(jì)算時(shí)間更少，可以更快進(jìn)入低功耗，也就更節(jié)能。在終端設(shè)計(jì)中有2個(gè)算法比較消耗時(shí)間：

CRC16：無(wú)線傳輸易受干擾，一般通信幀需要添加CRC16檢測(cè)正確性，我們采用查表的方法減少CRC16的計(jì)算時(shí)間。計(jì)算空中傳輸時(shí)間：該時(shí)間對(duì)于組網(wǎng)算法十分重要，它包含較多的浮點(diǎn)運(yùn)算。所幸的是，大部分?jǐn)?shù)據(jù)幀長(zhǎng)度是固定的，可以提前計(jì)算好；對(duì)于變化長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀，可以采用“命中算法”來(lái)提高效率，即保存本次長(zhǎng)度與時(shí)間的值，如果下次長(zhǎng)度相同直接返回該時(shí)間值。4. Contiki操作系統(tǒng)下進(jìn)程低功耗設(shè)計(jì)

終端支持TDMA算法，內(nèi)嵌多種無(wú)線通信健壯性技術(shù)，智能解決：通信碰撞、微弱信號(hào)、外界干擾、斷網(wǎng)繼連等挑戰(zhàn)。這樣一來(lái)，必然帶來(lái)軟件復(fù)雜度。

使用成熟穩(wěn)定的已有軟件庫(kù)是人們解決軟件復(fù)雜度的有效方法，因此，我們引入高效強(qiáng)大的Contiki物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。

這樣一來(lái)，終端系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)需要兼顧：MCU運(yùn)行模式、外設(shè)中斷、ContikiOS和進(jìn)程。

上圖展示了系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的時(shí)序邏輯。我們看到一個(gè)基本的思想：當(dāng)所有的進(jìn)程“同意休眠”，空閑時(shí)ContikiOS執(zhí)行HALT命令使MCU進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)RTC或EXT中斷喚醒MCU時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)程處理該邏輯，完成后“同意休眠”。

這種設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)只有一個(gè)HALT入口，同時(shí)復(fù)雜的邏輯交給不同的進(jìn)程處理，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

為檢測(cè)是否“所有進(jìn)程同意休眠”，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

數(shù)據(jù)AgrHalt的位寬與進(jìn)程數(shù)目綁定，因此使用typedef定義該數(shù)據(jù)類型。

當(dāng)AgrHalt==0時(shí)，說(shuō)明“所有進(jìn)程同意休眠”，一旦ContikiOS進(jìn)入空閑狀態(tài)，它將調(diào)用HALT（）命令，使MCU進(jìn)入Active-HALT狀態(tài)；

當(dāng)AgrHalt ！= 0時(shí)，說(shuō)明“某進(jìn)程還有活要干”，此時(shí)ContikiOS進(jìn)入空閑狀態(tài)后，它調(diào)用WFI（）命令，使MCU進(jìn)入WFI狀態(tài)。

5. TDMA通信算法

縱然把單個(gè)終端的功耗降到極致，在實(shí)際組網(wǎng)運(yùn)行中該終端的功耗未必是低的，這個(gè)叫組網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行功耗。組網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行功耗依賴于無(wú)線通信協(xié)議，試想，如果終端需要爭(zhēng)搶信道和重傳數(shù)據(jù)幀，那就意味著需要N倍的電能才能完成一次通信，節(jié)能將成為空中樓閣。

銳米LoRa終端一開(kāi)始就把低功耗性能作為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此我們拋棄了簡(jiǎn)單但是耗能的CSMA算法，而選用TDMA算法。根據(jù)大量的實(shí)測(cè)，我們堅(jiān)信這是符合LoRa特性的。實(shí)際上，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷達(dá)到中載（帶寬利用率超過(guò)50%）時(shí)，CSMA的效率大減且耗能增大，因?yàn)榇罅康慕K端通信沖突，不得不延時(shí)重傳。

TDMA的原理如下圖所示：N個(gè)終端將一段時(shí)間分成N個(gè)時(shí)隙（Slot），每個(gè)終端在自己分配的時(shí)隙與網(wǎng)關(guān)通信。沒(méi)有爭(zhēng)搶，沒(méi)有碰撞，節(jié)能效果自然非凡。