丁振杰,李玉秋,趙昌友,劉玉梅

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)終端的需求越來(lái)越旺盛，在資源有限或者偏遠(yuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景里，不可能給所有的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備拉線(xiàn)供電，導(dǎo)致很大部分終端需要電池供電。然而電池技術(shù)遲遲未有重大突破，電池容量有限，且頻繁更換電池勢(shì)必會(huì)增加大量的人力成本。因此，對(duì)于電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景，能耗的高低直接影響產(chǎn)品的生存周期，低功耗工作方式就顯得尤為重要，尤其是針對(duì)環(huán)境相對(duì)惡劣的森林、沙漠地區(qū)等。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功耗做得越低，產(chǎn)品的使用周期相應(yīng)延長(zhǎng)，越能減少電池更換的頻次，從而節(jié)約了維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)框架

物聯(lián)網(wǎng)終端是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，一般由微控制單元(microcontroller unit, MCU)處理模塊、外圍感知接口、通信接口三部分組成[1-4]。MCU模塊對(duì)外圍感知器件采集的各種信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、校驗(yàn)并將數(shù)據(jù)通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things，NB-IoT)通信模組傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)(云服務(wù)器)，前端再?gòu)姆?wù)器取出相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，以可視化頁(yè)面的形式呈現(xiàn)出來(lái)，系統(tǒng)框架圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)采用低功耗的MCU芯片，搭載多種低功耗傳感器，如溫濕度傳感器、紅外感應(yīng)器、RFID讀卡器等，以及低功耗NB-IoT通信模組，從而實(shí)現(xiàn)超低功耗。

2.1 MCU模塊

處理器的功耗對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要。系統(tǒng)采用的MCU是STM32L 071芯片，ARM Cortex-M0+內(nèi)核的32位微控制器，意法半導(dǎo)體的超低功耗系列，有非常優(yōu)秀的低功耗表現(xiàn)[5]。L0系列產(chǎn)品在待機(jī)模式下功耗僅為0.27 μA, 正常運(yùn)行模式下功耗也僅為88 μA,有低功耗運(yùn)行、睡眠、低功耗睡眠、停止、待機(jī)等多種低功耗模式；工作電壓1.65～3.6 V，時(shí)鐘頻率32 MHz。MCU模塊能完成對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的處理、低功耗模式的設(shè)置等功能。

2.2 NB-IoT模塊

NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，具有部署成本低、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[6]。NB-IoT只消耗大約180 kHz的帶寬，可部署于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)、通用移動(dòng)通信系統(tǒng)或長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)。NB-IoT主要從待機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸、業(yè)務(wù)模型等方面控制功耗[7]，是低功耗、遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)選技術(shù)。本模塊采用SIM7020，有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口；電壓范圍2.1～3.6 V，典型值3.3 V；超低功耗，休眠模式下的耗流50 μA,PSM模式下僅有5 μA。

2.3 傳感器模塊

物聯(lián)網(wǎng)終端的感知部分由各種傳感器組成，傳感器與主控芯片STM32L相連，收集與周?chē)h(huán)境不同的信號(hào)(如溫度、濕度、光照等)發(fā)送與STM32L。本模塊測(cè)試選用SHTC3數(shù)字溫濕度傳感器，可以測(cè)量 0～100% 的相對(duì)濕度，-40℃～125℃ 的溫度，超高精確度(±2% 相對(duì)濕度，±0.2 ℃)；電源電壓范圍寬1.62～3.6 V；每次測(cè)量均低于1 μJ的超低能耗預(yù)算，非常適用于由電池供電的移動(dòng)或無(wú)線(xiàn)應(yīng)用，使設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間大大延長(zhǎng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 MCU低功耗處理

在MCU的低功耗模式中，待機(jī)模式最省電，進(jìn)入待機(jī)模式后所有區(qū)域全部斷電，僅部分RTC區(qū)域未斷電，使喚醒源十分有限，而每次喚醒后相當(dāng)于系統(tǒng)復(fù)位。在停止(STOP)模式下，SRAM不斷電，從而保存了運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)需再次重新啟動(dòng)，喚醒源較多，這樣可以增加軟件設(shè)計(jì)靈活性。停止模式比較適合本項(xiàng)目，它可以在保持SRAM和寄存器內(nèi)容的同時(shí)實(shí)現(xiàn)微安量級(jí)的電流功耗。

停止模式下，內(nèi)核被停止，配置關(guān)閉除LSE、LSI以外的所有時(shí)鐘。低速時(shí)鐘可以為喚醒中斷源提供時(shí)鐘，為了進(jìn)入停止模式，必須將SLEEP DEEP位置1，停止模式和待機(jī)模式都是由Cortex-M0+ 內(nèi)核提供的深度睡眠狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。不必要的GPIO管腳設(shè)置為模擬輸入，如果不進(jìn)行配置，在外部連接器件時(shí)，器件的引腳可能會(huì)吸收電流，反而達(dá)不到低功耗的要求[8]，此時(shí)STOP模式的電流很大。但I(xiàn)O引腳配置為模擬輸入時(shí)，施密特觸發(fā)器輸入被禁用，每個(gè)引腳的功耗為零，必須將每個(gè)端口的GPIOx_MODER寄存器保存，然后將每個(gè)引腳切換到模擬輸入模式。喚醒源定位RTC鬧鐘中斷、復(fù)位按鍵中斷、低功耗串口LPUART接收中斷，設(shè)備喚醒后，每個(gè)引腳都可以恢復(fù)到先前的模式。為了避免意外，保存和恢復(fù)的過(guò)程必須是原子操作，既不會(huì)被線(xiàn)程調(diào)度機(jī)制打斷，在執(zhí)行完畢之前也不會(huì)被任何其他任務(wù)或事件中斷。進(jìn)入STOP模式的部分代碼如下：

/* Enable ultra low power mode */

LL_PWR_EnableUltraLowPower();

/** Set the regulator to low power before setting MODE_STOP.

* If the regulator remains in "main mode",

* it consumes more power without providing any additional feature. */

LL_PWR_SetRegulModeLP(LL_PWR_REGU_LPMODES_LOW_POWER);

/* Set STOP mode when CPU enters deepsleep */

LL_PWR_SetPowerMode(LL_PWR_MODE_STOP);

/* Set SLEEPDEEP bit of Cortex System Control Register */

LL_LPM_EnableDeepSleep();

/* Request Wait For Interrupt */

__WFI();

為達(dá)到最佳的低功耗狀態(tài)，MCU采集完一次數(shù)據(jù)并立即通過(guò)MQTT發(fā)送至MQTT Broker,服務(wù)器再?gòu)腂roker訂閱數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)的上傳，過(guò)程結(jié)束，MCU進(jìn)入休眠狀態(tài)。一次發(fā)送時(shí)間約1～2 s，發(fā)送頻次越低，電池使用壽命便越長(zhǎng)，從而完成綠色應(yīng)用的使命。

3.2 NB模組低功耗處理

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)利用eDRX技術(shù)極大降低了終端功耗。DRX為傳統(tǒng)技術(shù)模式，終端時(shí)刻在線(xiàn)，例如我們的手機(jī)，只要開(kāi)機(jī)，就可以時(shí)刻被呼叫。eDRX是DRX模式的擴(kuò)展，將網(wǎng)絡(luò)先開(kāi)一會(huì)，再停一會(huì)(休眠)，開(kāi)的時(shí)候可以收到數(shù)據(jù)，停的時(shí)候收不到數(shù)據(jù)。低功耗模式(power saving mode, PSM)可以理解為把eDRX模式中的休眠時(shí)間拉得更長(zhǎng)，從幾小時(shí)到幾天時(shí)間，功耗大幅下降。eDRX模式相對(duì)于PSM來(lái)說(shuō)，休眠時(shí)仍保持設(shè)備TCP連接在線(xiàn)，喚醒以后不需要重新注冊(cè)。三種模式中，PSM的模式可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的睡眠最為節(jié)電，但是尋呼時(shí)間較長(zhǎng)，不適應(yīng)于頻繁發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景，并且不能馬上收到核心網(wǎng)的下行數(shù)據(jù)，主要用在遠(yuǎn)程抄表等對(duì)下行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高的產(chǎn)品。由于NB模組進(jìn)入PSM模式后不保留TCP注冊(cè)，本次設(shè)計(jì)采用MQTT協(xié)議，它基于TCP/IP協(xié)議，PSM模式下，MQTT失去注冊(cè)，不適用于現(xiàn)在的工作場(chǎng)景。eDRX模式會(huì)兼顧上下行通信，出于性能和能耗的權(quán)衡，選用eDRX模式比較適合物聯(lián)網(wǎng)方式。

NB模塊工作方式(見(jiàn)圖2)，實(shí)際是由基站分配網(wǎng)絡(luò)資源，基站有時(shí)候?yàn)榱藱?quán)衡，eDRX不一定能尋呼上；由于產(chǎn)品由電池供電，如果尋呼不上，系統(tǒng)則一直處于尋呼狀態(tài)；而NB通信模組工作是極其耗電的，很容易消耗完電池的電量，所以要權(quán)衡尋呼網(wǎng)絡(luò)和節(jié)約能耗兩種情況，既節(jié)約能耗又不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好的情況下設(shè)備處于離線(xiàn)狀態(tài)。因此,設(shè)計(jì)MCU在查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，若無(wú)法獲取網(wǎng)絡(luò)，則會(huì)延長(zhǎng)自己的喚醒時(shí)間并進(jìn)入休眠狀態(tài)；到達(dá)自己設(shè)置的閾值喚醒時(shí)間，便不再增加喚醒時(shí)間。若在這個(gè)過(guò)程中，獲取到網(wǎng)絡(luò)，便清零之前設(shè)置的喚醒時(shí)間，回歸正常喚醒時(shí)間。

圖2 系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

服務(wù)器采用GO語(yǔ)言編寫(xiě)，GO語(yǔ)言由于其高效并發(fā)的特性特別適用于分布式服務(wù)器開(kāi)發(fā)，服務(wù)器程序運(yùn)行于阿里云服務(wù)器上，可支持公網(wǎng)訪問(wèn)。由于工作場(chǎng)景要求數(shù)據(jù)發(fā)送頻率不高，一次發(fā)送約1～2 s，大部分時(shí)間都是待機(jī)狀態(tài)。三種工作模式待機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)為：MCU STANGDLBY+NB PSM模式耗流318 uA；MCU STOP+NB PSM模式耗流374 uA；MCU STOP+NB eDRX模式耗流1.7 mA。傳感器溫濕度測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)。

圖3 溫濕度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)硬件選擇低功耗的控制芯片、通信模組及無(wú)線(xiàn)傳感器，采用軟件控制MCU、通信模組低功耗的工作方式，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端的低功耗運(yùn)行。未來(lái)，隨著低功耗的MCU技術(shù)、電源技術(shù)、傳感器技術(shù)等進(jìn)一步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)終端的能耗將會(huì)持續(xù)不斷地降低，在能源節(jié)耗方面有著重要的意義。