El diseño de baja potencia de los terminales LoRa siempre ha sido un tema de preocupación en la industria. En la actualidad, la industria de IoT generalmente afirma que la duración de la batería de loRa puede alcanzar más de 10 años. Sin embargo, en los productos reales, dado que el tiempo de espera y el modo de trabajo tienen una gran influencia en el consumo de energía, la diferencia en el tiempo de espera también es relativamente grande. Para los productos LoRa con una frecuencia de uso relativamente baja, el tiempo de espera puede llegar a los 3-5 años, pero para algunos productos LoRa con rastreo GPS en tiempo real, la batería puede tener solo unos pocos días de vida. Por lo tanto, para los productos de terminales Lora reales, aún debe centrarse en cómo reducir su consumo de energía, extender el tiempo de espera real tanto como sea posible y reducir la frecuencia de mantenimiento para reducir los costos.
Para realizar el diseño de baja potencia del terminal LoRa, es necesario comprender las características de consumo de corriente de las diferentes etapas de trabajo del terminal LoRa.
Las fases de trabajo de los terminales LoRa comunes con sensores se pueden dividir aproximadamente en: fase de espera / suspensión, fase de adquisición del sensor, fase de envío de datos y fase de recepción de datos.
Tomemos el sensor de temperatura y humedad LoRa compuesto por RAK4200 + SHTC3 como ejemplo para experimentar realmente las características de consumo de energía del terminal LoRa en las cuatro etapas de trabajo anteriores.
(Imagen 1) Consumo de energía del sensor de temperatura y humedad del terminal LoRa RAK4200
La Figura 1 es el sensor de temperatura y humedad LoRa compuesto por RAK4200 + SHTC3 que se despierta del estado inactivo, recopila datos y envía datos al cambio actual en el estado inactivo nuevamente.
(Imagen 2) Consumo de energía del sensor de temperatura y humedad del terminal LoRa RAK4200
La Figura 2 muestra el cambio actual cuando el sensor de temperatura y humedad LoRa compuesto por RAK4200 + SHTC3 envía datos para recibir datos y vuelve a entrar en el estado de suspensión.
De acuerdo con la Figura 1 y la Figura 2, podemos ver las características del consumo de corriente en diferentes etapas de trabajo:
Fase de reposo / reposo
La fase standby / sleep corresponde a la fase en la que el sensor no está funcionando, en esta fase se encuentra el consumo de energía estática del terminal LoRa, es decir, el consumo de energía standby / sleep. La característica del consumo de corriente en la fase de espera / reposo es que el consumo de corriente por unidad de tiempo es pequeño, pero el tiempo en este estado es largo. Por lo tanto, la reducción de la corriente de espera puede reducir efectivamente el consumo de energía del terminal LoRa.
Los productos de la serie RAK4200 utilizan MCU de bajo consumo de ST, que puede hacer que el nodo no recopile ni transmita datos, y la corriente de espera se puede reducir a 4uA. Esto significa que una batería de 2000 mAh teóricamente puede hacer que el nodo RAK4200 que envía datos esté listo de 50 años (sin considerar el autoconsumo de la batería)! Se puede ver que cuando la corriente de reserva cae al nivel uA, la corriente de reserva ya no es el factor principal que afecta la duración de la batería del terminal LoRa.
En el
terminal LoRa en la fase de adquisición del sensor, el consumo de energía de la fase de adquisición del sensor se ve afectado principalmente por el propio consumo de energía de calentamiento del sensor, el tiempo y el consumo de energía de trabajo y el consumo de energía de trabajo de la MCU. En este caso, debido a la corriente de funcionamiento relativamente pequeña del SHTC3 utilizado, el consumo de energía principal de la fase de adquisición del sensor es el consumo de energía de funcionamiento después de que se activa el MCU, que es de aproximadamente 10 mA y dura aproximadamente 20 ms.
Etapa de transmisión de datos
Como se puede ver en la Figura 1 y la Figura 2, la etapa donde la corriente es mayor, que es el consumo máximo de energía del terminal LoRa, es la etapa de envío de datos . Esta etapa consume la mayor cantidad de energía. En LoRa productos terminales, la corriente de transmisión máxima puede alcanzar 120mA o más., La duración máxima puede exceder 2s, y el consumo máximo de energía por paquete puede ser de hasta 0.3mWh. Del mismo modo, para una batería de 2000 mAh, solo puede admitir que dicho paquete se envíe menos de 30.000 veces.
En la etapa de recepción de datos,
en la red de sensores LoRa, si el nodo abre la configuración del marco de confirmación, la ventana de recepción se abrirá para recibir el marco de confirmación 1 s después del final de la transmisión. Después de que se envían los datos, la forma de onda actual cambia en la ventana de recepción. Como se puede ver en la segunda imagen de arriba, la corriente en la fase de recepción es mucho menor que en la fase de transmisión. Debido a que el marco de confirmación es relativamente corto, el la duración será relativamente corta y, en general, recibirá La energía consumida durante la fase de datos es aproximadamente el 10% de la energía consumida durante la fase de envío de datos.
Por tanto, el diseño de bajo consumo de energía del terminal LoRa se puede realizar a partir de los siguientes aspectos para prolongar la vida útil de la batería.
Reducir el consumo de energía en espera
Aunque el consumo de energía en espera es el más bajo entre las 4 etapas de trabajo del terminal LoRa, la etapa en espera generalmente dura mucho más que otras etapas. Por lo tanto, reducir el consumo de energía en espera puede reducir significativamente el consumo de energía del terminal LoRa.
En este sentido, RAK ha completado el diseño de bajo nivel de bajo consumo en el software y hardware de los productos de terminal LoRa, que puede reducir la corriente de espera de los productos de terminal LoRa a 4uA. Por lo tanto, en teoría, el nodo RAK4200 que envía datos puede estar en espera durante más de 50 años .
Reducir el consumo de energía del envío de datos.
Entre las 4 etapas de trabajo del terminal LoRa, la etapa de envío de datos consume la mayor cantidad de energía por unidad de tiempo. Bajo la premisa de que el consumo de energía en espera se ha reducido a un nivel bajo (por ejemplo, la corriente en espera de RAK4200 RAK4200 es 4uA), el consumo de energía en espera se puede ignorar en este momento. Entonces, el factor principal que afecta la duración de la batería es el consumo al enviar datos 的 actual. Por lo tanto, reducir el consumo de energía del envío de datos puede reducir efectivamente el consumo de energía del terminal LoRa.
Para lograr la reducción del consumo de energía para el envío de datos, se puede proceder desde tres aspectos.
(1) El número de transmisiones se puede reducir y el intervalo de transmisión se puede aumentar para reducir efectivamente el consumo de energía del terminal LoRa y extender la vida útil de la batería del terminal LoRa.
(2) Se puede utilizar la tecnología ADR.
Las operaciones relacionadas con Adaptive Data Rate (ADR) se definen en el protocolo LoRaWAN, que permite al nodo terminal seleccionar la velocidad de transmisión óptima y la potencia de salida más baja, es decir, cuando la señal es buena, la potencia de transmisión se puede reducir automáticamente. reduciendo así el consumo de energía Extiende la vida de la batería.
Procesamos la red RAK4200 ADR y ajustamos dinámicamente, podemos ver claramente, el consumo de LoRa de función de nodo de terminación se ha reducido significativamente.
(Imagen 3) Corriente del paquete de acceso a la red del terminal LoRa RAK4200ADR
La Figura 3 muestra el proceso de un nodo habilitado para ADR de RAK4200 desde que ingresa a la red hasta el envío normal de paquetes El eje horizontal es el tiempo y el eje vertical es el consumo de corriente del módulo. Cuando el módulo ingresó por primera vez a la red, la corriente al enviar el paquete excedía los 120 mA. A partir del tercer mensaje, el nodo reduce gradualmente su potencia de salida, por lo que la corriente también cae significativamente. Después de 5 o 6 ajustes de paquetes, el valor actual se ha reducido a aproximadamente 60 mA y el mensaje de que este nodo llega a la puerta de enlace aún puede mantener una alta SNR.
Si no hay un ajuste ADR, una batería de 2000 mAh puede transmitir alrededor de 40 000 paquetes. Si se utiliza la función ADR, puede transmitir alrededor de 2,2 millones de paquetes, lo que es un aumento de 55 veces. Por lo tanto, el consumo de energía del terminal LoRa se puede reducir en gran medida.
(3) Si no es necesario, puede desactivar la función de marco de confirmación.
Cuando utilice sensores, elija sensores de baja potencia
La elección de un sensor con bajo consumo de energía reducirá el consumo de energía de los datos recopilados por el sensor, reduciendo así el consumo de energía general del terminal LoRa.
En la serie de productos WisBlock, RAK también ha seleccionado una serie de sensores MEMS de baja potencia para reducir el consumo de energía de los terminales LoRa para que los clientes elijan.
En resumen, para los usuarios comunes, cuando usan productos de terminales LoRa para lograr sus propios objetivos, si desean reducir el consumo de energía, extendiendo así la vida útil de la batería y reduciendo la frecuencia de mantenimiento, entonces, en primer lugar, puede elegir un menor consumo de energía en espera. tablero , en segundo lugar, puede elegir productos que utilicen tecnología ADR y, por último, se deben seleccionar los sensores con bajo consumo de energía en la medida de lo posible.