u-blox SARA-N3用于通过小电池进行定期物联网传感

远程位置监控是典型的物联网应用，但目标用例不同。很多时候，观察到的参数预计不会快速变化并且本身并不重要，但企业主要求定期更新，例如每天一次。让我们以“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，将电池供电的传感器设备安装在树上，并获取一些重要和环境参数 - 包含对有兴趣优化生长、产量等的森林所有者的宝贵信息。

但在森林等露天环境中，将没有电源插座，也无法使用 LAN。这就是为什么对于这种用例，物联网传感器应该由电池供电，并且应该使用蜂窝网络以确保可靠运行。此外，物联网设备应在其整个产品生命周期内为零接触操作做好准备，即应 100% 免维护，且多年无需更换电池或充电。这意味着我们的森林传感器物联网设备应设计为最大功率效率。

这是一个典型的“推送”应用程序，其中物联网设备大部分时间都处于非活动状态，只是在固定时间表或外部事件触发时偶尔“唤醒”。有许多这样的物联网用例，例如，提供容器填充水平的仪表设备或提供资产地理位置的跟踪设备。事实上，NB-IoT 蜂窝网络已被特别指定来满足此类要求，尤其是在固定物联网设备用于不经常传输小型有效载荷数据包的情况下。

采用 NB-IoT 和 SARA-N3 的低功耗设计

为了尽可能降低物联网设备的功耗，NB-IoT 网络技术提供了一个很好的功能，称为省电模式（简称 PSM），它允许 NB-IoT 设备关闭大部分网络接口，包括其收发器 RF 部分在约定的不活动期间内。

此间隔的持续时间由网络计时器 T3412（又名“TAU 计时器”）确定，该计时器主要由 NB-IoT 设备用于执行定期跟踪区域更新 （TAU）。这是一项标准 LTE 功能，用于通知用户设备对连接网络的可用性。事实上，一旦设备成功连接到网络，它会在 PSM 间隔期间保持注册状态，但传输活动可能会等到 T3412 计时器到期。从本质上讲，更长的 PSM 周期将导致更少的功耗。根据物联网用例，现在由开发人员确定其设备保持 PSM 模式的理想时间段。

根据 3GPP 规范，可以将 T3412 编程为最长 413 天 （！） 的 PSM 间隔。但不幸的是，实现方式不同，这将取决于网络基础设施的所有者允许 T3412 间隔。..。..对于我们的 IoT 设备概念，选择了专用的 NB-IoT 网络接口模块 u-blox SARA-N310。本模块用户使用 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）。

在商定的 PSM 期间，所有到已注册但无法访问的 IoT 设备的下载流量都将由网络缓冲。我们的电池供电“推送”设备的设计理念是基于所有本地 IoT 活动都在单个周期性时隙内处理，即读取传感器、接收待处理消息（例如，操作员远程控制命令），传输物联网有效载荷数据。大多数情况下（大约 99.99%），设备将保持深度睡眠模式，在此期间消耗几微安电流。T3412 到期后，SARA-N3 模块将从网络中检索待处理的消息（如果有）。在接收事件期间，模块将消耗 46 mA，在上行链路传输期间，理想情况下它将在 23dBm 输出功率下消耗 220 mA。随着时间的推移，这些短暂的功耗峰值的频率和持续时间将对电池寿命产生重大影响。毫无疑问，将活动周期的频率加倍（例如，从一天一次到一天两次）将使电池寿命减半。

但除此之外，还有许多其他方面会影响器件的整体功耗（另请参见参考文献 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显着影响射频性能的关键设计方面。需要天线匹配来最大化特定 NB-IoT 载波频率下的输出功率。一般来说，设备位置对功耗有影响，与连接的蜂窝塔的距离应尽可能短，以最大限度地提高信号效率和质量。这是一个关键点，因为电池供电设备在覆盖范围扩展 （CE）上的操作应避免使用 2 级。这种 NB-IoT 功能有助于在难以到达的区域提供覆盖，但可以使用重复和额外的纠错码，这会显着增加有效负载数据开销和传输时间。因此，从部署的角度来看，与 MVNO（“虚拟”网络运营商）合作是有益的，它允许您从多个网络中进行选择来连接，而不仅仅是一个。参见参考文献。4 进一步解释。

SARA-N3 提供了多种选项来支持基于利用 NB-IoT PSM 功能的低功耗设备设计（参见参考文献 2）。请求 NB-IoT 网络进入 PSM 状态可以由 IoT 设备通过 AT 命令发起，允许设备在商定的 PSM 间隔内进入深度睡眠。在深度睡眠模式下，UART 接口不起作用，只有两种方法可以使模块返回活动状态：在内部周期性 TAU 定时器到期后或通过外部唤醒事件。 通过切换 SARA-N3 模块的 PWR_ON 引脚来指示外部唤醒事件。该方法可以用于预定义的本地事件，例如超过阈值（例如，说“它太热”）或者如果已经检测到对象的存在。这是另一种典型的“推送”物联网应用，可以由 SARA-N3 分别与 NB-IoT 网络合作解决。但是对于我们的“森林传感器”示例，我们使用提到的内部周期性 TAU 定时器来唤醒。

电池供电“推动”设备的概念

在商定的 PSM 期间，所有设备组件都配置为以极低的功耗在各自的空闲模式下工作。为了实现物联网设备的最长电池寿命，需要对所有三个主要组件的电源管理功能进行适当的编排：u-blox SARA-N3 网络模块、主机 MCU 和传感器（参见框图图 2）。主机角色在两者之间交替：物联网应用程序由主机 MCU 执行，但唤醒管理由 SARA-N3 蜂窝模块与 NB-IoT 网络合作处理。这是通过V_INT 输出引脚完成的，该引脚在内部用作数字接口的电源，但也可以用作 SARA-N3 当前处于深度睡眠模式的外部指示器。

因此，只要 SARA-N3 从深度睡眠中恢复，它的 V_INT 信号就会唤醒主机 MCU 和嵌入式 IoT 应用程序（固件），以根据用例要求接管 IoT 设备的控制权。对于物联网程序，重新连接到已注册的网络并请求未决的下行链路消息将是第一件事。唤醒传感器芯片并开始一个测量周期也需要在每个活动周期内完成（回忆图 1）。完成后，MCU 会将 IoT 有效载荷数据传递给 SARA-N3 模块，请求将数据转换为选定的协议格式（例如，UDP 或 MQTT）并进行数据传输。最后，MCU 将要求 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。

最后，每个组件在所有活动和空闲期间的功耗将汇总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 和一个具有低功耗空闲模式的传感器，其消耗小于 1 µA。对于我们的计算，我们假设我们将每 12 小时有一个活动时段（即，物联网数据将每天报告两次），每次需要 5 秒。在这些活动期间，设备功耗将主要由重新连接物联网数据包并将其传输到网络所需的射频功率决定。对于我们的用例，短活动周期和长 PSM 周期的选定组件和配置参数导致每年的总功耗为 （223+61） mAh = 284 mAh（有关更详细的说明，请参阅参考文献 4）。采用这种方法，10.5 年的零接触产品寿命——对于可在任何地方使用的远程监控物联网解决方案来说，这是一个很好的价值主张。

审核编辑：郭婷