LoRa終端低功耗策略

LoRa終端的低功耗設計，一直是業(yè)內(nèi)關注的話題。目前IoT業(yè)界一般宣稱loRa的電池壽命可以達到10年以上。但是，到實際的產(chǎn)品中，由于待機時間和工作模式對功耗影響很大，因此待機時間差別也比較大。對于使用頻率比較低的LoRa產(chǎn)品，待機時間可以達到3-5年，但對于一些GPS實時追蹤的LoRa產(chǎn)品，電池可能只有幾天的壽命。因此，對于實際的Lora終端產(chǎn)品，如何降低其功耗、盡量延長實際的待機時間、以降低維護頻率從而降低成本，仍然需要重點關注。

要實現(xiàn)LoRa終端的低功耗設計，就需要了解LoRa終端的不同工作階段的電流消耗特點。

常見的帶傳感器的LoRa終端的工作階段大致可以分為：待機/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，來實際感受一下LoRa終端在上述4種工作階段時的電量消耗特點。

圖 1

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)到再次進入休眠狀態(tài)下的電流變化情況。

圖 2

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：

待機/休眠階段

待機/休眠階段對應的是傳感器不工作時的階段，此階段存在著LoRa終端的靜態(tài)功耗，也就是待機/休眠功耗。待機/休眠階段的電流消耗的特點是：單位時間消耗電流小，但是處于該狀態(tài)的時間長。因此，降低待機電流，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)點不采集傳輸數(shù)據(jù)的時刻，待機電流可以降至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)點待機超過50年（未考慮電池自損耗）！可見當待機電流降到uA級時，待機電流已不是影響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熱功耗、工作功耗和時間及MCU工作功耗的影響。在本案例中，由于采用的SHTC3的工作電流相對較小，傳感器采集階段的主要功耗是MCU喚醒后的運行功耗，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120mA以上，持續(xù)時間最大可超過 2s，每次發(fā)包消耗的電量最大可達0.3mWh。同樣對于一節(jié)2000mAh的電池，只能支持這樣的包發(fā)送不到3萬次。

接收數(shù)據(jù)階段

在LoRa傳感器網(wǎng)絡中，如果節(jié)點打開確認幀設置，在發(fā)送結束后的1s后會打開接收窗口接收確認幀。數(shù)據(jù)發(fā)送后打開接收窗口的電流波形變化，從上面的第2幅圖中可以看到，接收階段相對于發(fā)射，電流要小很多，因確認幀比較短，持續(xù)時間也會相對較短，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方面，來進行LoRa終端的低功耗設計，延長電池使用壽命。

降低待機功耗

雖然在LoRa終端的4個工作階段中，待機功耗是最低的，但是，待機階段一般是維持時間顯著長于其他階段的。因此，降低待機功耗，可以顯著的降低LoRa終端的功耗。

這一點瑞科慧聯(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計，可以使LoRa終端產(chǎn)品待機電流降至4uA。從而，理論上可以使發(fā)送數(shù)據(jù)的RAK4200節(jié)點待機超過50年！

降低發(fā)送數(shù)據(jù)功耗

在LoRa終端的4個工作階段中，發(fā)送數(shù)據(jù)階段是單位時間耗電最多的。在待機功耗已經(jīng)降到較低的前提下（比如瑞科慧聯(lián)的RAK4200的待機電流為4uA），此時已可以忽略待機功耗，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。

而要實現(xiàn)對發(fā)送數(shù)據(jù)功耗的降低，則可以從三個方面著手。

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

（2）可以采用ADR技術。

在LoRaWAN協(xié)議中定義了Adaptive Data Rate (ADR)的相關操作，可以使終端節(jié)點選擇最優(yōu)的傳輸速率和最低的輸出功率，也就是信號好的時候，可以自動降低發(fā)送功率，從而降低功耗，延長電池使用壽命。

我們通過RAK4200入網(wǎng)及ADR動態(tài)調(diào)整的過程，可以清晰地看到，LoRa終端節(jié)點的功耗有了顯著的下降。

圖 3

圖3顯示的是RAK4200的一個使能ADR的節(jié)點從入網(wǎng)到正常發(fā)包的過程，橫軸是時間，縱軸是模塊消耗電流的大小。模塊剛開始入網(wǎng)的時候，發(fā)包時的電流超過120mA。從第三個報文開始，節(jié)點逐步地在下調(diào)自己的輸出功率，所以電流也跟著顯著的下降。經(jīng)過5,6個包的調(diào)整，電流值下降到60mA左右，并且此節(jié)點到達網(wǎng)關的報文，仍能保持著較高的SNR。

如果沒有ADR調(diào)節(jié)，一節(jié)2000mAh的電池可以發(fā)射大概4萬個包，如果使用ADR功能，可以發(fā)射大概220萬個包，提高了55倍！從而可以大大降低LoRa終端的功耗。

（3）如無必要，可以關閉確認幀功能。

當使用傳感器時，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，對于普通用戶來說，在使用LoRa終端產(chǎn)品以實現(xiàn)自己的目的的時候，如果希望降低功耗，從而延長電池使用壽命、降低維護頻率，那么，首先，可以選取待機功耗較低的開發(fā)板，其次，可以選擇采用ADR技術的產(chǎn)品，最后，傳感器盡可能的選取低功耗的傳感器。