一种低功耗的NB-IoT温湿度采集器设计

2022-10-14张永成朱庆亮王蓥鑫李鸿燕

中国测试 2022年9期

赵岩，张永成，康军，朱庆亮，王蓥鑫，李鸿燕

(1. 天津理工大学电气工程与自动化学院，天津 300384; 2. 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384)

0 引言

物联网在不同的垂直应用领域对无线通信技术的需求也不同，如果需要较低的通信速率和实时性不强的场合，那么 NB-IoT 通信技术就可以派上用场。目前，大多数运营商选择 NB-IoT 作为低功耗广域技术的首个蜂窝网络[1]。NB-IoT 与其他的通信技术，如 ZigBee、GPRS 以及LTE相比有很大优势，主要表现在以下几个方面：1）网络覆盖能力方面，NB-IoT相比于GPRS 、LTE等技术，其网络覆盖能力增强了20 dB，信号的传输覆盖范围更大[2]；2）成本方面，由于低速率和低功耗， NB模组与其他2G/3G/4G模组相比有较低的复杂度，这就大大节省了终端的制作成本[3]；3）组网方面，NB-IoT可以直接部署在目前非常成熟的4G网络，而ZigBee却通过ZigBee网关进行组网；4）功耗方面，NB-IoT集成了多种节电技术，大部分时间均处于休眠状态。最终NB-IoT凭借其自身优势在环境监测方面很快就占据了一席之地，依靠其低功耗、广覆盖的特点，让环境感知设备能够使用电池供电，有效解决了人们长期对于工农业等场所需要现场布线的问题。

国内外科研院所、商业公司以及高校都对NBIoT通信技术进行了研究。国外方面，英国的沃达丰很早就青睐于NB-IoT技术，早在2017年8月，就宣布其在爱尔兰建成全国覆盖的 NB-IoT 网络[4]。日本的NB-IoT技术也得到了快速的发展，在ARM宣布其在NB-IoT 上的投资后，日本软银也加快其NB-IoT 网络的部署[5]。国内方面，对于物联网标准的发展，华为推行得最早，早在2014年华为就提出了窄带技术NB M2M，并在后期研发了NB-IoT模组；唐强在“基于NB-IoT电力数据采集方案的研究与设计”一文中利用NB-IoT技术实现了将电力数据准确上传到电力计量系统，解决了电表抄表使用GPRS技术面临的成本高、中继环节多的问题[6]；陈虹豆在 “基于NB-IoT的农业生态监控系统的研究与实现”一文中提出了用STM32L单片机作为主控芯片，BC35-G 模组完成数据传输，NB模组向云平台上传数据使用的是COAP（constrained application protocol）协议[7]；任博在“基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器”中提出了MCU+NBIOT+LORA的模式，此模式在采集终端和云平台之间需要用到一个数据集中器，采集终端和数据集中器之间的通信是采用低功耗的LORA（long range radio）技术，数据集中器到云平台之间用NB-IoT通信技术进行数据传输[8]；吕卫、赵佳丽在“一种低功耗高精度的NB-IoT温度采集系统设计”中提出了PIC18F24K22单片机为处理器，以PT100为温度传感器，以高精度的AD7794为A/D转换器，利用NB-IoT通信模块进行无线传输并且整个系统使用电池供电[9]；智源物联科技公司，公开了 “一种基于窄带物联网的NB-IoT数据采集终端”专利，用于光电检测组件数据的传输，降低了现场布线的成本，节约了生产环境[10]。

本文提出了一种基于 STM8L+BC28+TPL5010+UDP的低功耗架构，在此架构中以低功耗的STM8L 作为主控芯片，实现了低功耗任务调度和设备管理，并采用了具有看门狗功能的超低功耗外部定时器TPL5010将单片机从休眠中唤醒，并利用三极管的开关特性控制传感器的电源，UDP协议快速向监测系统发送数据，此套方案在一定程度上降低了采集器的功耗，延长了电池供电的时间。

1 方案设计

传统的物联网系统一般由采集终端层、通信层、和用户层构成。采集终端层主要是将所采集到的环境信息通过NB-IoT模组发送到监测平台，便于用户进行环境监测和管理[11-12]。采集终端层主要由三个模块构成，分别是作为主控芯片的STM8L、采集环境温湿度的SHT20传感器和向监测系统发送数据的 BC28 模组。方案设计如图1 所示。

图1 整体方案设计

2 低功耗采集器硬件设计

2.1 微控制器模块

采集器所选用的微控制器是STM8L，此单片机的一大优势就在于兼顾性能的前提下功耗也进一步降低，低功耗特点如下：

1）拥有一种超低功耗的模式halt，仅为0.35 μA；

2）只需 5 μs就可以将单片机从halt模式唤醒。

2.2 定时方法的选择

由于采集器需要在休眠一段时间后自动唤醒，那么选择唤醒的方法就显得尤为重要，目前低功耗设备主要是由内部的RTC模块或外部的实时时钟模块实现唤醒功能[13]。

采集器采用外部实时时钟模块定时的方法，STM8L可以进入功耗最低的halt模式。由于此模式下CPU和外设的时钟都被停止，单片机想要从此模式下唤醒，必须通过外部中断或者复位的方式。因此，本设计由外部硬件定时器TPL5010完成对单片机在休眠时的唤醒。STM8L的 halt 模式和定时器TPL5010 的组合拥有较低的耗流，前者为0.35 μA后者为 0.035 μA。因此，单片机用这种方法实现定时，其总体功耗进一步降低。

TPL5010可以实现系统唤醒功能，并且当MCU 死机时，其可以从外部强制复位，不仅解决了功耗问题，还解决了系统的死机问题。TPL5010 电路如图2 所示。

图2 TPL5010电路图

引脚DELAY/M_RST与GND之间的电阻R1和R2决定了定时时间；引脚DONE默认为低电平，所以在下位机软件设计中，只需将该引脚的电平拉高一段时间，然后再拉低，计数器将重新开始计数。引脚WAKE从TPL5010端由电阻R1和R2设定的定时时间，主动向单片机发送信号，当单片机收到WAKE信号后，可以知道定时时间结束，要开始唤醒单片机进行数据的采集和发送。

2.3 SHT20传感器模块电源管理设计

当 SHT20 温湿度传感器将测量数值发送到单片机后利用三极管的开关特性，对传感器电源进行断电处理，进一步降低了系统的功耗。传感器电源管理设计如图3 所示[14]。

图3 传感器电源管理

2.4 BC28模组电源设计

BC28模组性能的好坏在很大程度上取决于模组的电源设计。采集器在BC28模组的电源方面进行了如下设计，在模组的电压输入端并联了一个C1为100 μF的钽电容，确保了更好的供电性能；同时在输入端也并联了 C2、C3 和 C4，分别为 100 nF、100 pF 和 22 pF 的 3 个电容起到滤波作用；最后在电压输入端并联了一个 TVS 管 D1，用来增加其对浪涌电压的承受能力。BC28电源电路设计如图4所示。

图4 BC28 电源输入设计

3 采集器软件设计

3.1 NB-IoT模块软件设计

单片机控制BC28模组的工作模式，当需要向监测系统上传数据时使用活动模式；当数据上传完毕后由单片机发送命令控制模组进入省电模式，从而降低采集器的整体功耗。

3.2 SHT20电源软件设计

如图3所示，SHT20传感器的电源由单片机通过 sht20 vcc ctr引脚控制。当 sht20 vcc ctr 引脚为高电平时，由三极管特性可知，三极管Q2导通，从而三极管Q1导通，传感器电源导通；当 sht20 vcc ctr 引脚为低电平时，传感器电源关闭，从而降低了传感器的功耗。

3.3 微控制器软件设计

为了更加方便地对采集器功耗进行控制，下位机软件中设置了活动模式和停止模式。活动模式的主要功能是进行单片机时钟的配置，开启串口时钟、使能串口接收中断以及使能串口等操作。停止模式的主要功能是开启单片机的快速唤醒使能、超低功耗使能；关闭串口时钟、串口接收中断；配置I/O口电平和外部中断触发方式。进入睡眠模式之前需要进行的配置如下：

第一，在整个控制的过程中，对于采集器没有使用的引脚，需将此类引脚所有的I/O口时钟打开，并将这些引脚配置为推挽输出低电平慢速或者模拟输入模式，然后关闭时钟；第二，对于采集器已经开启的外设，将其全部关闭；第三，对于加入外部上拉电阻的电路，需要在初始化端口时设置为推挽输出高电平慢速模式。由于电路外部已经上拉，所以输出高电平功耗是最低的。

3.4 采集器上传数据协议的选择

采集器对网络带宽需求较小、大部分时间无需维持连接以及需要低功耗等设计要求。因此，采集器采用收发速度快且没有阻塞的 UDP 协议。

4 功耗实验

4.1 功耗测试

电池供电系统对功耗的要求非常苛刻，因此功耗测试是项目中重要的部分。采集器功耗的高低与实验环境的NB-IoT网络信号质量密切相关，下面以CSQ（信号强度）、RSRP（参考信号接收功率）、SNR（信噪比）、TX POWER（终端发射功率）、RSSI（参考信号接收强度指示）5个参数来衡量NB-IoT网络信号质量。采集器进行功耗实验时，相应的网络信号质量如图5所示。

采集器功耗测试所用的仪器是Fluke8845A 高精度数字多用表，该仪表可以通过 PC 端软件将数据进行图形化显示，而且可以自动计算某段时间内的平均值。功耗实验是在图5所示的网络环境下进行的，采集器每10 min上传一次数据。采集器5个周期（15点02分到15点52分）功耗情况如图6所示。

图5 功耗实验网络信号质量

图6 采集器功耗测试

最后通过仪表显示的数据可知采集器正常工作的最大电流在45 mA左右，休眠时的电流约为6 μA。

4.2 功耗分析

本文的功耗分析基于图6第一个周期（15点02分到15点12分）进行，主要思路如下：由Fluke8845A多用表可以测出采集器第一个周期活动时间和休眠时间的平均电流，从而计算出其功耗。具体步骤如下：

1）采集器第一个周期的工作时间是 4 s，由Fluke8845A 数字多用表计算出其平均电流约为40 mA ，而一天（以24 h计算）的工作时间为：0.16 h，所以一天工作时间耗能为：6.4 mAh。

2）采集器第一个周期的休眠时间为9 min 56 s，由Fluke8845A数字多用表计算出其平均电流约为6 μA，而一天的休眠时间为23.84 h，所以休眠时间耗能为：0.143 mAh。

从而每天共计耗能为：6.543 mAh。

所以，一节8 000 mAh的电池，使用时长为1 222 d。

在不同的环境中，NB-IoT网络覆盖情况也不同，所以采集器的功耗也会发生变化。由于实验条件有限，采集器的功耗分析是通过图6第一个周期的功耗估算电池的使用时长，后期还需放到不同的环境中进行长期的功耗测试。

5 实验结果与采集器性能分析

5.1 实验结果

本文设计了基于B/S架构的监测系统，该监测系统能够实时接收采集器上传的数据，然后按照自定义协议解析入库，最后实现数据的查询与可视化展示，如图7是2021年5月30日至6月20日的历史数据图形化显示。

图7 历史数据图形化显示

5.2 采集器可靠性分析

在采集器功耗测试结束之后，为检验其运行的可靠性，进行了实验验证。由于实验条件有限，本文以数据有效上传率来衡量采集器的可靠性。实验地点为室内，将采集器连续置于室内一段时间，进行了空气温湿度测试。数据有效上传率与实验地点NB-IoT网络信号质量密切相关。因此，在数据采集过程中需要对实验地点进行网络测试。具体测试过程如下：

1）采集数据时间段为5月30日至6月9日，共11 d数据。

2）选取采集数据当天9点至21点时间段，以每3 h为单位测量一次网络信号。一天测4次，11天测44次。

3）直至11天数据采集完毕，网络信号质量如图8所示。

图8 温湿度实验地点网络信号质量

采集器10 min上传一次数据，则24 h上传的数据量应该为144条，本实验选取5月30日至6月9日的数据量作为数据样本，理论下应该为1 440条数据。通过查询监测系统的历史数据，可知在11天中上传的数据总量，就可知采集器的有效数据上传情况，监测系统第1天（2021年5月30日）数据查询，部分数据如表1所示。