如何降低LoRa終端功耗 - 全文

如何把LoRa終端功耗降到最低？降低能耗成為電池供電的產(chǎn)品來重要難題，銳米LoRa終端）RNDU470T可以將休眠能耗降低到極致，但是他又是如何實(shí)現(xiàn)的，我們將進(jìn)行詳細(xì)的解說。

能耗對于電池供電的產(chǎn)品來說是一個(gè)重大的問題，一旦電能耗盡設(shè)備將“罷工”，在某些場合電能意味著電子產(chǎn)品的生命。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會有越來越多電池供電的設(shè)備通過無線通信連接，降低能耗再次擺在工程師的桌面上—解決它。

銳米LoRa終端（簡稱終端）RNDU470T不但具備空曠環(huán)境傳輸5km的超長距離優(yōu)勢，還將休眠能耗降低到極致（0.4uA，帶RTC為1.4uA）。我們是怎么做到的呢？接下來，一步一步解密。

硬件設(shè)計(jì)

1. 選用低功耗器件

終端MCU選用STM8L151C8T6，它屬于超低功耗，不帶RTC休眠為400nA，帶RTC下休眠為1.4uA。該MCU擁有較大的RAM（4KB）和自帶EEPROM（2KB），不用擴(kuò)展外部存儲設(shè)備，進(jìn)行一步降低功耗和成本。

終端射頻芯片選用SX1278，在休眠模式下，該芯片功耗低至忽略不計(jì)。

2. 盡可能快地讓射頻模塊休眠

SX1278屬于LoRa TM擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，它的遠(yuǎn)距離優(yōu)勢得益于調(diào)制增益，不是靠增大發(fā)射功率（那將消耗更多電能）。該射頻芯片的電流消耗如下：休眠《0.2uA，空閑=1.6mA，接收=12mA，發(fā)射（最大功率）=120mA.

終端MCU通過“中斷+定時(shí)器超時(shí)”方式控制SX1278，一旦射頻完成發(fā)送或接收，立即進(jìn)入休眠模式。

3. 了解MCU的工作模式與功耗

降低MCU的功耗首先盡可能少地開啟外設(shè)，其次盡可能地讓其休眠。我們一起看看STM8L151C8T6不同工作模式下功耗。

上述低功耗運(yùn)行模式對于開發(fā)者來說有點(diǎn)多，尤其剛接觸STM8L處理器。我們需要一般性的指導(dǎo)原則，下表2是來源于實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)。

4. 靜態(tài)配置MCU引腳

即使MCU和RF都進(jìn)入休眠模式，如果沒有設(shè)置好MCU引腳，它們照樣會“偷偷”地消耗電能。以STM8L151C8T6為例，它一共有48個(gè)引腳，首先需要用Excel對其進(jìn)行分類，如下例所示：

一般說來可以將引腳分成5類，可以借鑒“地鐵顏色區(qū)別”方法，設(shè)計(jì)如下圖例：

軟件設(shè)計(jì)

1. 動態(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，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?。辉谕顺龅凸哪Ｊ綍r(shí)，將其配置成定義的功能狀態(tài)。在動態(tài)切換時(shí)需要考慮2點(diǎn)：

首先，動態(tài)切換引腳是需要時(shí)間的，以STM8L151C8T6為例，動態(tài)切換5個(gè)引腳需要477us，可見它一般用于休眠這種較長周期的節(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)際開發(fā)中引腳的連接是變化的，換句話說，今天這個(gè)引腳是空閑，下次產(chǎn)品升級該引腳可能設(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；

長期等待：如等待下一次主動上報(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：無線傳輸易受干擾，一般通信幀需要添加CRC16檢測正確性，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)幀長度是固定的，可以提前計(jì)算好；對于變化長度的數(shù)據(jù)幀，可以采用“命中算法”來提高效率，即保存本次長度與時(shí)間的值，如果下次長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)嵌多種無線通信健壯性技術(shù)，智能解決：通信碰撞、微弱信號、外界干擾、斷網(wǎng)繼連等挑戰(zhàn)。這樣一來，必然帶來軟件復(fù)雜度。

使用成熟穩(wěn)定的已有軟件庫是人們解決軟件復(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，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。

為檢測是否“所有進(jìn)程同意休眠”，我們設(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)動態(tài)運(yùn)行功耗。組網(wǎng)動態(tài)運(yùn)行功耗依賴于無線通信協(xié)議，試想，如果終端需要爭搶信道和重傳數(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)，因此我們拋棄了簡單但是耗能的CSMA算法，而選用TDMA算法。根據(jù)大量的實(shí)測，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。沒有爭搶，沒有碰撞，節(jié)能效果自然非凡。