LoRa终端低功耗设计的策略方案介绍

LoRa终端的低功耗设计,一直是业内关注的话题。目前IoT业界一般宣称loRa的电池寿命可以达到10年以上。但是,到实际的产品中,由于待机时间和工作模式对功耗影响很大,因此待机时间差别也比较大。对于使用频率比较低的LoRa产品,待机时间可以达到3-5年,但对于一些GPS实时追踪的LoRa产品,电池可能只有几天的寿命。因此,对于实际的Lora终端产品,如何降低其功耗、尽量延长实际的待机时间、以降低维护频率从而降低成本,仍然需要重点关注。

要实现LoRa终端的低功耗设计,就需要了解LoRa终端的不同工作阶段的电流消耗特点。常见的带传感器的LoRa终端的工作阶段大致可以分为:待机/休眠阶段、传感器采集阶段、发送数据阶段、接收数据阶段。我们以RAK4200+SHTC3组成的LoRa温湿度传感器为例,来实际感受一下LoRa终端在上述4种工作阶段时的电量消耗特点。

(图1)LoRa终端RAK4200温湿度传感器功耗

图1是RAK4200+SHTC3组成的LoRa温湿度传感器从休眠状态下唤醒,采集数据,发送数据到再次进入休眠状态下的电流变化情况。

(图2)LoRa终端RAK4200温湿度传感器功耗

图2是RAK4200+SHTC3组成的LoRa温湿度传感器发送数据到接收数据,再次进入休眠状态下的电流变化情况。

根据图1以及图2,我们可以看到不同工作阶段的电流消耗的特点:

待机/休眠阶段

待机/休眠阶段对应的是传感器不工作时的阶段,此阶段存在着LoRa终端的静态功耗,也就是待机/休眠功耗。待机/休眠阶段的电流消耗的特点是:单位时间消耗电流小,但是处于该状态的时间长。因此,降低待机电流,可以有效降低LoRa终端的功耗。

RAK4200系列产品使用ST的低功耗MCU,可以使节点不采集传输数据的时刻,待机电流可以降至4uA,这意味着一节2000mAh的电池,理论上可以使发送数据的RAK4200节点待机超过50年(未考虑电池自损耗)!可见当待机电流降到uA级时,待机电流已不是影响LoRa终端的电池寿命的主要因素。

传感器采集阶段
LoRa终端中,传感器采集阶段的功耗主要是受传感器自身预热功耗、工作功耗和时间及MCU工作功耗的影响。在本案例中,由于采用的SHTC3的工作电流相对较小,传感器采集阶段的主要功耗是MCU唤醒后的运行功耗,大概在10mA左右,持续约20ms。

发送数据阶段
从图1以及图2可以看出,电流最大也就是LoRa终端功耗最大的阶段就是发送数据的阶段,这个阶段消耗的电量最大,在LoRa终端产品中,发射电流最大可达120mA以上,持续时间最大可超过 2s,每次发包消耗的电量最大可达0.3mWh。同样对于一节2000mAh的电池,只能支持这样的包发送不到3万次。

接收数据阶段
在LoRa传感器网络中,如果节点打开确认帧设置,在发送结束后的1s后会打开接收窗口接收确认帧。数据发送后打开接收窗口的电流波形变化,从上面的第2幅图中可以看到,接收阶段相对于发射,电流要小很多,因确认帧比较短,持续时间也会相对较短,一般接收数据阶段消耗的电量约为发送数据阶段消耗电量的10%。

因此可以从以下几个方面,来进行LoRa终端的低功耗设计,延长电池使用寿命。

虽然在LoRa终端的4个工作阶段中,待机功耗是最低的,但是,待机阶段一般是维持时间显著长于其他阶段的。因此,降低待机功耗,可以显著的降低LoRa终端的功耗。

这一点瑞科慧联(RAK)已经在LoRa终端产品软硬件中完成了底层的低功耗设计,可以使LoRa终端产品待机电流降至4uA。从而,理论上可以使发送数据的RAK4200节点待机超过50年!

在LoRa终端的4个工作阶段中,发送数据阶段是单位时间耗电最多的。在待机功耗已经降到较低的前提下(比如瑞科慧联的RAK4200的待机电流为4uA),此时已可以忽略待机功耗,那么,影响电池的寿命的主要因素就是发送数据时消耗的电流。因此,降低发送数据功耗,可以有效降低LoRa终端的功耗。

而要实现对发送数据功耗的降低,则可以从三个方面着手。

(1)可以减少发送的次数,增加发送间隔,以有效地降低LoRa终端的额功耗,延长LoRa终端的电池使用寿命。

(2)可以采用ADR技术。
在LoRaWAN协议中定义了Adaptive Data Rate (ADR)的相关操作,可以使终端节点选择最优的传输速率和最低的输出功率,也就是信号好的时候,可以自动降低发送功率,从而降低功耗,延长电池使用寿命。
我们通过RAK4200入网及ADR动态调整的过程,可以清晰地看到,LoRa终端节点的功耗有了显著的下降。

(图3)LoRa终端RAK4200ADR入网发包电流

图3显示的是RAK4200的一个使能ADR的节点从入网到正常发包的过程,横轴是时间,纵轴是模块消耗电流的大小。模块刚开始入网的时候,发包时的电流超过120mA。从第三个报文开始,节点逐步地在下调自己的输出功率,所以电流也跟着显著的下降。经过5,6个包的调整,电流值下降到60mA左右,并且此节点到达网关的报文,仍能保持着较高的SNR。

如果没有ADR调节,一节2000mAh的电池可以发射大概4万个包,如果使用ADR功能,可以发射大概220万个包,提高了55倍!从而可以大大降低LoRa终端的功耗。

(3)如无必要,可以关闭确认帧功能。

当使用传感器时,选择低功耗的传感器,选择低功耗的传感器,将可以降低传感器采集数据的功耗,从而降低LoRa终端的整体的功耗。

在WisBlock系列产品中,瑞科慧联(RAK)也选择了一系列的低功耗MEMS传感器,以降低LoRa终端的功耗,供客户选择使用。综上,对于普通用户来说,在使用LoRa终端产品以实现自己的目的的时候,如果希望降低功耗,从而延长电池使用寿命、降低维护频率,那么,首先,可以选取待机功耗较低的开发板,其次,可以选择采用ADR技术的产品,最后,传感器尽可能的选取低功耗的传感器。

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