LoRa終端低功耗設(shè)計(jì)的策略方案介紹

LoRa終端的低功耗設(shè)計(jì)，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的話題。目前IoT業(yè)界一般宣稱(chēng)loRa的電池壽命可以達(dá)到10年以上。但是，到實(shí)際的產(chǎn)品中，由于待機(jī)時(shí)間和工作模式對(duì)功耗影響很大，因此待機(jī)時(shí)間差別也比較大。對(duì)于使用頻率比較低的LoRa產(chǎn)品，待機(jī)時(shí)間可以達(dá)到3-5年，但對(duì)于一些GPS實(shí)時(shí)追蹤的LoRa產(chǎn)品，電池可能只有幾天的壽命。因此，對(duì)于實(shí)際的Lora終端產(chǎn)品，如何降低其功耗、盡量延長(zhǎng)實(shí)際的待機(jī)時(shí)間、以降低維護(hù)頻率從而降低成本，仍然需要重點(diǎn)關(guān)注。

要實(shí)現(xiàn)LoRa終端的低功耗設(shè)計(jì)，就需要了解LoRa終端的不同工作階段的電流消耗特點(diǎn)。常見(jiàn)的帶傳感器的LoRa終端的工作階段大致可以分為：待機(jī)/休眠階段、傳感器采集階段、發(fā)送數(shù)據(jù)階段、接收數(shù)據(jù)階段。我們以RAK4200+SHTC3組成的LoRa溫濕度傳感器為例，來(lái)實(shí)際感受一下LoRa終端在上述4種工作階段時(shí)的電量消耗特點(diǎn)。

（圖1）LoRa終端RAK4200溫濕度傳感器功耗

圖1是RAK4200+SHTC3組成的LoRa溫濕度傳感器從休眠狀態(tài)下喚醒，采集數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)到再次進(jìn)入休眠狀態(tài)下的電流變化情況。

（圖2）LoRa終端RAK4200溫濕度傳感器功耗

圖2是RAK4200+SHTC3組成的LoRa溫濕度傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)到接收數(shù)據(jù)，再次進(jìn)入休眠狀態(tài)下的電流變化情況。

根據(jù)圖1以及圖2，我們可以看到不同工作階段的電流消耗的特點(diǎn)：

待機(jī)/休眠階段

待機(jī)/休眠階段對(duì)應(yīng)的是傳感器不工作時(shí)的階段，此階段存在著LoRa終端的靜態(tài)功耗，也就是待機(jī)/休眠功耗。待機(jī)/休眠階段的電流消耗的特點(diǎn)是：?jiǎn)挝粫r(shí)間消耗電流小，但是處于該狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)。因此，降低待機(jī)電流，可以有效降低LoRa終端的功耗。

RAK4200系列產(chǎn)品使用ST的低功耗MCU，可以使節(jié)點(diǎn)不采集傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)刻，待機(jī)電流可以降至4uA，這意味著一節(jié)2000mAh的電池，理論上可以使發(fā)送數(shù)據(jù)的RAK4200節(jié)點(diǎn)待機(jī)超過(guò)50年（未考慮電池自損耗）！可見(jiàn)當(dāng)待機(jī)電流降到uA級(jí)時(shí)，待機(jī)電流已不是影響LoRa終端的電池壽命的主要因素。

傳感器采集階段
LoRa終端中，傳感器采集階段的功耗主要是受傳感器自身預(yù)熱功耗、工作功耗和時(shí)間及MCU工作功耗的影響。在本案例中，由于采用的SHTC3的工作電流相對(duì)較小，傳感器采集階段的主要功耗是MCU喚醒后的運(yùn)行功耗，大概在10mA左右，持續(xù)約20ms。

發(fā)送數(shù)據(jù)階段
從圖1以及圖2可以看出，電流最大也就是LoRa終端功耗最大的階段就是發(fā)送數(shù)據(jù)的階段，這個(gè)階段消耗的電量最大，在LoRa終端產(chǎn)品中，發(fā)射電流最大可達(dá)120mA以上，持續(xù)時(shí)間最大可超過(guò) 2s，每次發(fā)包消耗的電量最大可達(dá)0.3mWh。同樣對(duì)于一節(jié)2000mAh的電池，只能支持這樣的包發(fā)送不到3萬(wàn)次。

接收數(shù)據(jù)階段
在LoRa傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如果節(jié)點(diǎn)打開(kāi)確認(rèn)幀設(shè)置，在發(fā)送結(jié)束后的1s后會(huì)打開(kāi)接收窗口接收確認(rèn)幀。數(shù)據(jù)發(fā)送后打開(kāi)接收窗口的電流波形變化，從上面的第2幅圖中可以看到，接收階段相對(duì)于發(fā)射，電流要小很多，因確認(rèn)幀比較短，持續(xù)時(shí)間也會(huì)相對(duì)較短，一般接收數(shù)據(jù)階段消耗的電量約為發(fā)送數(shù)據(jù)階段消耗電量的10%。

因此可以從以下幾個(gè)方面，來(lái)進(jìn)行LoRa終端的低功耗設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)電池使用壽命。

雖然在LoRa終端的4個(gè)工作階段中，待機(jī)功耗是最低的，但是，待機(jī)階段一般是維持時(shí)間顯著長(zhǎng)于其他階段的。因此，降低待機(jī)功耗，可以顯著的降低LoRa終端的功耗。

這一點(diǎn)瑞科慧聯(lián)(RAK)已經(jīng)在LoRa終端產(chǎn)品軟硬件中完成了底層的低功耗設(shè)計(jì)，可以使LoRa終端產(chǎn)品待機(jī)電流降至4uA。從而，理論上可以使發(fā)送數(shù)據(jù)的RAK4200節(jié)點(diǎn)待機(jī)超過(guò)50年！

在LoRa終端的4個(gè)工作階段中，發(fā)送數(shù)據(jù)階段是單位時(shí)間耗電最多的。在待機(jī)功耗已經(jīng)降到較低的前提下（比如瑞科慧聯(lián)的RAK4200的待機(jī)電流為4uA），此時(shí)已可以忽略待機(jī)功耗，那么，影響電池的壽命的主要因素就是發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)消耗的電流。因此，降低發(fā)送數(shù)據(jù)功耗，可以有效降低LoRa終端的功耗。

而要實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)功耗的降低，則可以從三個(gè)方面著手。

（1）可以減少發(fā)送的次數(shù)，增加發(fā)送間隔，以有效地降低LoRa終端的額功耗，延長(zhǎng)LoRa終端的電池使用壽命。

（2）可以采用ADR技術(shù)。
在LoRaWAN協(xié)議中定義了Adaptive Data Rate (ADR)的相關(guān)操作，可以使終端節(jié)點(diǎn)選擇最優(yōu)的傳輸速率和最低的輸出功率，也就是信號(hào)好的時(shí)候，可以自動(dòng)降低發(fā)送功率，從而降低功耗，延長(zhǎng)電池使用壽命。
我們通過(guò)RAK4200入網(wǎng)及ADR動(dòng)態(tài)調(diào)整的過(guò)程，可以清晰地看到，LoRa終端節(jié)點(diǎn)的功耗有了顯著的下降。

（圖3）LoRa終端RAK4200ADR入網(wǎng)發(fā)包電流

圖3顯示的是RAK4200的一個(gè)使能ADR的節(jié)點(diǎn)從入網(wǎng)到正常發(fā)包的過(guò)程，橫軸是時(shí)間，縱軸是模塊消耗電流的大小。模塊剛開(kāi)始入網(wǎng)的時(shí)候，發(fā)包時(shí)的電流超過(guò)120mA。從第三個(gè)報(bào)文開(kāi)始，節(jié)點(diǎn)逐步地在下調(diào)自己的輸出功率，所以電流也跟著顯著的下降。經(jīng)過(guò)5,6個(gè)包的調(diào)整，電流值下降到60mA左右，并且此節(jié)點(diǎn)到達(dá)網(wǎng)關(guān)的報(bào)文，仍能保持著較高的SNR。

如果沒(méi)有ADR調(diào)節(jié)，一節(jié)2000mAh的電池可以發(fā)射大概4萬(wàn)個(gè)包，如果使用ADR功能，可以發(fā)射大概220萬(wàn)個(gè)包，提高了55倍！從而可以大大降低LoRa終端的功耗。

（3）如無(wú)必要，可以關(guān)閉確認(rèn)幀功能。

當(dāng)使用傳感器時(shí)，選擇低功耗的傳感器，選擇低功耗的傳感器，將可以降低傳感器采集數(shù)據(jù)的功耗，從而降低LoRa終端的整體的功耗。

在WisBlock系列產(chǎn)品中，瑞科慧聯(lián)(RAK)也選擇了一系列的低功耗MEMS傳感器，以降低LoRa終端的功耗，供客戶選擇使用。綜上，對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)，在使用LoRa終端產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)自己的目的的時(shí)候，如果希望降低功耗，從而延長(zhǎng)電池使用壽命、降低維護(hù)頻率，那么，首先，可以選取待機(jī)功耗較低的開(kāi)發(fā)板，其次，可以選擇采用ADR技術(shù)的產(chǎn)品，最后，傳感器盡可能的選取低功耗的傳感器。

? ? ? ?fqj