一種低功耗的NB-IoT溫濕度采集器設計

趙 巖， 張永成， 康 軍， 朱慶亮， 王鎣鑫， 李鴻燕

(1. 天津理工大學電氣工程與自動化學院，天津 300384; 2. 天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室，天津 300384)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)在不同的垂直應用領域對無線通信技術的需求也不同，如果需要較低的通信速率和實時性不強的場合，那么 NB-IoT 通信技術就可以派上用場。目前，大多數(shù)運營商選擇 NB-IoT 作為低功耗廣域技術的首個蜂窩網(wǎng)絡[1]。NB-IoT 與其他的通信技術，如 ZigBee、GPRS 以及LTE相比有很大優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）網(wǎng)絡覆蓋能力方面，NB-IoT相比于GPRS 、LTE等技術，其網(wǎng)絡覆蓋能力增強了20 dB，信號的傳輸覆蓋范圍更大[2]；2）成本方面，由于低速率和低功耗， NB模組與其他2G/3G/4G模組相比有較低的復雜度，這就大大節(jié)省了終端的制作成本[3]；3）組網(wǎng)方面，NB-IoT可以直接部署在目前非常成熟的4G網(wǎng)絡，而ZigBee卻通過ZigBee網(wǎng)關進行組網(wǎng)；4）功耗方面，NB-IoT集成了多種節(jié)電技術，大部分時間均處于休眠狀態(tài)。最終NB-IoT憑借其自身優(yōu)勢在環(huán)境監(jiān)測方面很快就占據(jù)了一席之地，依靠其低功耗、廣覆蓋的特點，讓環(huán)境感知設備能夠使用電池供電，有效解決了人們長期對于工農(nóng)業(yè)等場所需要現(xiàn)場布線的問題。

國內外科研院所、商業(yè)公司以及高校都對NBIoT通信技術進行了研究。國外方面，英國的沃達豐很早就青睞于NB-IoT技術，早在2017年8月，就宣布其在愛爾蘭建成全國覆蓋的 NB-IoT 網(wǎng)絡[4]。日本的NB-IoT技術也得到了快速的發(fā)展，在ARM宣布其在NB-IoT 上的投資后，日本軟銀也加快其NB-IoT 網(wǎng)絡的部署[5]。國內方面，對于物聯(lián)網(wǎng)標準的發(fā)展，華為推行得最早，早在2014年華為就提出了窄帶技術NB M2M，并在后期研發(fā)了NB-IoT模組；唐強在“基于NB-IoT電力數(shù)據(jù)采集方案的研究與設計”一文中利用NB-IoT技術實現(xiàn)了將電力數(shù)據(jù)準確上傳到電力計量系統(tǒng)，解決了電表抄表使用GPRS技術面臨的成本高、中繼環(huán)節(jié)多的問題[6]；陳虹豆在 “基于NB-IoT的農(nóng)業(yè)生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)”一文中提出了用STM32L單片機作為主控芯片，BC35-G 模組完成數(shù)據(jù)傳輸，NB模組向云平臺上傳數(shù)據(jù)使用的是COAP（constrained application protocol）協(xié)議[7]；任博在“基于NB-IOT技術的低功耗無線數(shù)據(jù)集中器”中提出了MCU+NBIOT+LORA的模式，此模式在采集終端和云平臺之間需要用到一個數(shù)據(jù)集中器，采集終端和數(shù)據(jù)集中器之間的通信是采用低功耗的LORA（long range radio）技術，數(shù)據(jù)集中器到云平臺之間用NB-IoT通信技術進行數(shù)據(jù)傳輸[8]；呂衛(wèi)、趙佳麗在“一種低功耗高精度的NB-IoT溫度采集系統(tǒng)設計”中提出了PIC18F24K22單片機為處理器，以PT100為溫度傳感器，以高精度的AD7794為A/D轉換器， 利用NB-IoT通信模塊進行無線傳輸并且整個系統(tǒng)使用電池供電[9]；智源物聯(lián)科技公司，公開了 “一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的NB-IoT數(shù)據(jù)采集終端”專利，用于光電檢測組件數(shù)據(jù)的傳輸，降低了現(xiàn)場布線的成本，節(jié)約了生產(chǎn)環(huán)境[10]。

本文提出了一種基于 STM8L+BC28+TPL5010+UDP的低功耗架構，在此架構中以低功耗的STM8L 作為主控芯片，實現(xiàn)了低功耗任務調度和設備管理，并采用了具有看門狗功能的超低功耗外部定時器TPL5010將單片機從休眠中喚醒，并利用三極管的開關特性控制傳感器的電源，UDP協(xié)議快速向監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，此套方案在一定程度上降低了采集器的功耗，延長了電池供電的時間。

1 方案設計

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一般由采集終端層、通信層、和用戶層構成。采集終端層主要是將所采集到的環(huán)境信息通過NB-IoT模組發(fā)送到監(jiān)測平臺，便于用戶進行環(huán)境監(jiān)測和管理[11-12]。采集終端層主要由三個模塊構成，分別是作為主控芯片的STM8L、采集環(huán)境溫濕度的SHT20傳感器和向監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的 BC28 模組。方案設計如圖1 所示。

圖1 整體方案設計

2 低功耗采集器硬件設計

2.1 微控制器模塊

采集器所選用的微控制器是STM8L，此單片機的一大優(yōu)勢就在于兼顧性能的前提下功耗也進一步降低，低功耗特點如下：

1）擁有一種超低功耗的模式halt，僅為0.35 μA；

2）只需 5 μs就可以將單片機從halt模式喚醒。

2.2 定時方法的選擇

由于采集器需要在休眠一段時間后自動喚醒，那么選擇喚醒的方法就顯得尤為重要，目前低功耗設備主要是由內部的RTC模塊或外部的實時時鐘模塊實現(xiàn)喚醒功能[13]。

采集器采用外部實時時鐘模塊定時的方法，STM8L可以進入功耗最低的halt模式。由于此模式下CPU和外設的時鐘都被停止，單片機想要從此模式下喚醒，必須通過外部中斷或者復位的方式。因此，本設計由外部硬件定時器TPL5010完成對單片機在休眠時的喚醒。STM8L的 halt 模式和定時器TPL5010 的組合擁有較低的耗流，前者為0.35 μA后者為 0.035 μA。因此，單片機用這種方法實現(xiàn)定時，其總體功耗進一步降低。

TPL5010可以實現(xiàn)系統(tǒng)喚醒功能，并且當MCU 死機時，其可以從外部強制復位，不僅解決了功耗問題，還解決了系統(tǒng)的死機問題。TPL5010 電路如圖2 所示。

圖2 TPL5010電路圖

引腳DELAY/M_RST與GND之間的電阻R1和R2決定了定時時間；引腳DONE默認為低電平，所以在下位機軟件設計中，只需將該引腳的電平拉高一段時間，然后再拉低，計數(shù)器將重新開始計數(shù)。引腳WAKE從TPL5010端由電阻R1和R2設定的定時時間，主動向單片機發(fā)送信號，當單片機收到WAKE信號后，可以知道定時時間結束，要開始喚醒單片機進行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

2.3 SHT20傳感器模塊電源管理設計

當 SHT20 溫濕度傳感器將測量數(shù)值發(fā)送到單片機后利用三極管的開關特性，對傳感器電源進行斷電處理，進一步降低了系統(tǒng)的功耗。傳感器電源管理設計如圖3 所示[14]。

圖3 傳感器電源管理

2.4 BC28模組電源設計

BC28模組性能的好壞在很大程度上取決于模組的電源設計。采集器在BC28模組的電源方面進行了如下設計，在模組的電壓輸入端并聯(lián)了一個C1為100 μF的鉭電容，確保了更好的供電性能；同時在輸入端也并聯(lián)了 C2、C3 和 C4，分別為 100 nF、100 pF 和 22 pF 的 3 個電容起到濾波作用；最后在電壓輸入端并聯(lián)了一個 TVS 管 D1，用來增加其對浪涌電壓的承受能力。BC28電源電路設計如圖4所示。

圖4 BC28 電源輸入設計

3 采集器軟件設計

3.1 NB-IoT模塊軟件設計

單片機控制BC28模組的工作模式，當需要向監(jiān)測系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)時使用活動模式；當數(shù)據(jù)上傳完畢后由單片機發(fā)送命令控制模組進入省電模式，從而降低采集器的整體功耗。

3.2 SHT20電源軟件設計

如圖3所示，SHT20傳感器的電源由單片機通過 sht20 vcc ctr引腳控制。當 sht20 vcc ctr 引腳為高電平時，由三極管特性可知，三極管Q2導通，從而三極管Q1導通，傳感器電源導通；當 sht20 vcc ctr 引腳為低電平時，傳感器電源關閉，從而降低了傳感器的功耗。

3.3 微控制器軟件設計

為了更加方便地對采集器功耗進行控制，下位機軟件中設置了活動模式和停止模式。活動模式的主要功能是進行單片機時鐘的配置，開啟串口時鐘、使能串口接收中斷以及使能串口等操作。停止模式的主要功能是開啟單片機的快速喚醒使能、超低功耗使能；關閉串口時鐘、串口接收中斷；配置I/O口電平和外部中斷觸發(fā)方式。進入睡眠模式之前需要進行的配置如下：

第一，在整個控制的過程中，對于采集器沒有使用的引腳，需將此類引腳所有的I/O口時鐘打開，并將這些引腳配置為推挽輸出低電平慢速或者模擬輸入模式，然后關閉時鐘；第二，對于采集器已經(jīng)開啟的外設，將其全部關閉；第三，對于加入外部上拉電阻的電路，需要在初始化端口時設置為推挽輸出高電平慢速模式。由于電路外部已經(jīng)上拉，所以輸出高電平功耗是最低的。

3.4 采集器上傳數(shù)據(jù)協(xié)議的選擇

采集器對網(wǎng)絡帶寬需求較小、大部分時間無需維持連接以及需要低功耗等設計要求。因此，采集器采用收發(fā)速度快且沒有阻塞的 UDP 協(xié)議。

4 功耗實驗

4.1 功耗測試

電池供電系統(tǒng)對功耗的要求非常苛刻，因此功耗測試是項目中重要的部分。采集器功耗的高低與實驗環(huán)境的NB-IoT網(wǎng)絡信號質量密切相關，下面以CSQ（信號強度）、RSRP（參考信號接收功率）、SNR（信噪比）、TX POWER（終端發(fā)射功率）、RSSI（參考信號接收強度指示）5個參數(shù)來衡量NB-IoT網(wǎng)絡信號質量。采集器進行功耗實驗時，相應的網(wǎng)絡信號質量如圖5所示。

采集器功耗測試所用的儀器是Fluke8845A 高精度數(shù)字多用表，該儀表可以通過 PC 端軟件將數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，而且可以自動計算某段時間內的平均值。功耗實驗是在圖5所示的網(wǎng)絡環(huán)境下進行的，采集器每10 min上傳一次數(shù)據(jù)。采集器5個周期（15點02分到15點52分）功耗情況如圖6所示。

圖5 功耗實驗網(wǎng)絡信號質量

圖6 采集器功耗測試

最后通過儀表顯示的數(shù)據(jù)可知采集器正常工作的最大電流在45 mA左右，休眠時的電流約為6 μA。

4.2 功耗分析

本文的功耗分析基于圖6第一個周期（15點02分到15點12分）進行，主要思路如下：由Fluke8845A多用表可以測出采集器第一個周期活動時間和休眠時間的平均電流，從而計算出其功耗。具體步驟如下：

1）采集器第一個周期的工作時間是 4 s，由Fluke8845A 數(shù)字多用表計算出其平均電流約為40 mA ，而一天（以24 h計算）的工作時間為：0.16 h，所以一天工作時間耗能為：6.4 mAh。

2）采集器第一個周期的休眠時間為9 min 56 s，由Fluke8845A數(shù)字多用表計算出其平均電流約為6 μA，而一天的休眠時間為23.84 h，所以休眠時間耗能為：0.143 mAh。

從而每天共計耗能為：6.543 mAh。

所以，一節(jié)8 000 mAh的電池，使用時長為1 222 d。

在不同的環(huán)境中，NB-IoT網(wǎng)絡覆蓋情況也不同，所以采集器的功耗也會發(fā)生變化。由于實驗條件有限，采集器的功耗分析是通過圖6第一個周期的功耗估算電池的使用時長，后期還需放到不同的環(huán)境中進行長期的功耗測試。

5 實驗結果與采集器性能分析

5.1 實驗結果

本文設計了基于B/S架構的監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時接收采集器上傳的數(shù)據(jù)，然后按照自定義協(xié)議解析入庫，最后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢與可視化展示，如圖7是2021年5月30日至6月20日的歷史數(shù)據(jù)圖形化顯示。

圖7 歷史數(shù)據(jù)圖形化顯示

5.2 采集器可靠性分析

在采集器功耗測試結束之后，為檢驗其運行的可靠性，進行了實驗驗證。由于實驗條件有限，本文以數(shù)據(jù)有效上傳率來衡量采集器的可靠性。實驗地點為室內，將采集器連續(xù)置于室內一段時間，進行了空氣溫濕度測試。數(shù)據(jù)有效上傳率與實驗地點NB-IoT網(wǎng)絡信號質量密切相關。因此，在數(shù)據(jù)采集過程中需要對實驗地點進行網(wǎng)絡測試。具體測試過程如下：

1）采集數(shù)據(jù)時間段為5月30日至6月9日，共11 d數(shù)據(jù)。

2）選取采集數(shù)據(jù)當天9點至21點時間段，以每3 h為單位測量一次網(wǎng)絡信號。一天測4次，11天測44次。

3）直至11天數(shù)據(jù)采集完畢，網(wǎng)絡信號質量如圖8所示。

圖8 溫濕度實驗地點網(wǎng)絡信號質量

采集器10 min上傳一次數(shù)據(jù)，則24 h上傳的數(shù)據(jù)量應該為144條，本實驗選取5月30日至6月9日的數(shù)據(jù)量作為數(shù)據(jù)樣本，理論下應該為1 440條數(shù)據(jù)。通過查詢監(jiān)測系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，可知在11天中上傳的數(shù)據(jù)總量，就可知采集器的有效數(shù)據(jù)上傳情況，監(jiān)測系統(tǒng)第1天（2021年5月30日）數(shù)據(jù)查詢，部分數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第1天部分數(shù)據(jù)查詢

監(jiān)測系統(tǒng)第11天（2021年6月9日）數(shù)據(jù)查詢，部分數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 第11天部分數(shù)據(jù)查詢

通過歷史數(shù)據(jù)的ID號可以知道5月30日到6月9日期間，上傳的數(shù)據(jù)為1 436條，而理論狀態(tài)下采集器傳輸數(shù)據(jù)總量是1 440條，所以數(shù)據(jù)有效上傳率為99.72%。具體實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 采集器可靠性分析

6 結束語

本采集器利用各種低功耗元器件、通訊協(xié)議以及下位機軟件系統(tǒng)的協(xié)調調度，在一定程度上降低了系統(tǒng)的整體功耗。通過功耗實驗和系統(tǒng)性能分析，可知采集器功耗較低、穩(wěn)定性較好。因此，本文設計的采集器適用于供電不便、布線不便、需要環(huán)境監(jiān)測且NB-IoT網(wǎng)絡覆蓋較好的工業(yè)、農(nóng)業(yè)等場所。