怎样把LoRa终端功耗降到极致

一.   引言

能耗对于电池供电的产品来说是一个重大的问题，一旦电能耗尽设备将“罢工”，在某些场合电能意味着电子产品的生命。物联网时代将会有越来越多电池供电的设备通过无线通信连接，降低能耗再次摆在工程师的桌面上—解决它。

锐米LoRa终端(简称终端)RNDU470T(http://www.rimelink.com/pd.jsp?id=2)不但具备空旷环境传输5km的超长距离优势，还将休眠能耗降低到极致(0.4uA，带RTC为1.4uA)。我们是怎么做到的呢？接下来，一步一步解密。

二.   硬件设计

1.   选用低功耗器件

终端MCU选用STM8L151C8T6，它属于超低功耗，不带RTC休眠为400nA，带RTC下休眠为1.4uA。该MCU拥有较大的RAM(4KB)和自带EEPROM(2KB)，不用扩展外部存储设备，进行一步降低功耗和成本。

终端射频芯片选用SX1278，在休眠模式下，该芯片功耗低至忽略不计。

2.   尽可能快地让射频模块休眠

SX1278属于LoRa ^TM扩频调制技术，它的远距离优势得益于调制增益，不是靠增大发射功率(那将消耗更多电能)。该射频芯片的电流消耗如下：休眠<0.2uA，空闲=1.6mA，接收=12mA，发射(最大功率)=120mA.

终端MCU通过“中断+定时器超时”方式控制SX1278，一旦射频完成发送或接收，立即进入休眠模式。

3.   了解MCU的工作模式与功耗

降低MCU的功耗首先尽可能少地开启外设，其次尽可能地让其休眠。我们一起看看STM8L151C8T6不同工作模式下功耗。更多信息请链接

http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/47700597

模式	等待		低功耗运行	低功耗等待	主动停止	停止
入口	WFI	WFE	软件代码	软件代码+WFE	HALT	HALT
晶振	开	开	LSI或LSE	LSI或LSE	LSI或LSE	关
CPU	关	关	开	关	关	关
外设	开	开	开	开	关，仅RTC开	关
唤醒	所有内部和外部中断，复位	所有内部和外部中断，复位，唤醒事件	软件代码，复位	内部和外部事件，复位	外部中断，RTC中断，复位	外部中断，复位
电压调节器	MVR	MVR	ULP	ULP	CLK_ICKCR	ULP
程序执行区	FLASH	FLASH	RAM	RAM	FLASH	FLASH
FLASH+E2	开	开	关	关	关	关
中断	允许	允许	禁止	禁止	允许	允许
中断服务后 返回状态	AL=0：mainAL=1：WFI	WFE	/	/	AL=0：mainAL=1主动停止	AL=0：mainAL=1：停止
事件处理后 返回状态	/	Main	/	低功耗运行	/	/
RAM+寄存器	保留	保留	保留	保留	保留	保留
@3V/25℃	5.9uA		5.4uA	3.3uA	1.4uA	0.4uA
特殊事项	/	/	禁止ADC	/	清除外设悬挂中断标志位

上述低功耗运行模式对于开发者来说有点多，尤其刚接触STM8L处理器。我们需要一般性的指导原则，下表2是来源于实践的经验。

节能要求	应用场合	睡眠时长	唤醒方式	恢复时长	运行模式
苛刻	CPU空闲，等待外部信号唤醒	长	外部中断	≥2.8us	HALT
苛刻	CPU空闲，等待时钟周期唤醒	长	RTC周期	≥2.8us	Active-halt
严格	CPU有持续、微负荷任务运行	/	/	≥2.8us	低功耗运行
严格	CPU短暂等待中断发生	短	任意中断	短	等待中断
严格	CPU短暂等待事件发生	短	注册事件	短	等待事件
需要	CPU有持续、轻负荷任务运行	/	/	/	调整主频

4.   静态配置MCU引脚

即使MCU和RF都进入休眠模式，如果没有设置好MCU引脚，它们照样会“偷偷”地消耗电能。以STM8L151C8T6为例，它一共有48个引脚，首先需要用Excel对其进行分类，如下例所示：

序号	引脚	功能	上电初始化	进入低功耗
1	PA0	仿真口	Output push-pull, high level, 2MHz	/
3	PA2	NC	Output push-pull, low level, 2MHz	/
5	PA4	CON1	Output push-pull, high level, 2MHz	Input pull-up
6	PA5	CON2	Input floating, external interrupt	/
9	GND	/	/	/

一般说来可以将引脚分成5类，可以借鉴“地铁颜色区别”方法，设计如下图例：

图例	特性	低功耗配置模式
	MCU输入：输入，浮动	Input floating, no external interrupt
	MCU输出：输入，上拉	Input pull-up, no external interrupt
	3.3V引脚：输出，上拉，高电平	Output push-pull, high level, 2MHz
	未接引脚：输出，上拉，低电平	Output push-pull, low level，2MHz
	MCU电源与地引脚	/

三. 软件设计

1.   动态切换MCU引脚

有2类MCU引脚：MCU输出和MCU输入，它们需要动态进行配置。具体地说，在进入低功耗模式时，将其分别配置成：输入上拉和输入悬浮；在退出低功耗模式时，将其配置成定义的功能状态。在动态切换时需要考虑2点：

首先，动态切换引脚是需要时间的，以STM8L151C8T6为例，动态切换5个引脚需要477us，可见它一般用于休眠这种较长周期的节能模式，不适合空闲停止这种短暂节能模式。

其次，在实际开发中引脚的连接是变化的，换句话说，今天这个引脚是空闲，下次产品升级该引脚可能设计成特定功能。为减少软件维护成本，需要设计一种优秀的数据结构，它能描述MCU所有引脚，如果引脚功能改变，只需要修改数据定义，而不需要修改程序。

2.   一旦无事可干，MCU立即停止或休眠

在LoRa终端系统中MCU是能源的持续消耗者，软件设计需要考虑尽可能快地让MCU节能，STM8L151C8T6有如下2种节能模式。

短暂等待：如等待RF发送数据帧完毕，MCU执行WFI指令，一旦RF完成发送，中断将MCU唤醒继续运行；

长期等待：如等待下一次主动上报数据帧，MCU执行HALT指令，当指定时间到达时，RTC中断将MCU唤醒继续运行。

3.   采用高效率算法

软件算法效率越高，MCU计算时间更少，可以更快进入低功耗，也就更节能。在终端设计中有2个算法比较消耗时间：

CRC16：无线传输易受干扰，一般通信帧需要添加CRC16检测正确性，我们采用查表的方法减少CRC16的计算时间。下载源代码请链接：

http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=33&_np=105_315

计算空中传输时间：该时间对于组网算法十分重要，它包含较多的浮点运算。所幸的是，大部分数据帧长度是固定的，可以提前计算好；对于变化长度的数据帧，可以采用“命中算法”来提高效率，即保存本次长度与时间的值，如果下次长度相同直接返回该时间值。下载源代码请链接：

http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=33&_np=105_315

4.   Contiki操作系统下进程低功耗设计

终端支持TDMA算法，内嵌多种无线通信健壮性技术，智能解决：通信碰撞、微弱信号、外界干扰、断网继连等挑战。这样一来，必然带来软件复杂度。

使用成熟稳定的已有软件库是人们解决软件复杂度的有效方法，因此，我们引入高效强大的Contiki物联网操作系统。

下载Contiki请链接：http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=31&_np=105_315

这样一来，终端系统低功耗设计需要兼顾：MCU运行模式、外设中断、ContikiOS和进程。

上图展示了系统低功耗设计的时序逻辑。我们看到一个基本的思想：当所有的进程“同意休眠”，空闲时ContikiOS执行HALT命令使MCU进入休眠状态；当RTC或EXT中断唤醒MCU时，对应的进程处理该逻辑，完成后“同意休眠”。

这种设计保证了系统只有一个HALT入口，同时复杂的逻辑交给不同的进程处理，降低了设计的复杂度。

为检测是否“所有进程同意休眠”，我们设计了如下图的数据结构：

数据AgrHalt的位宽与进程数目绑定，因此使用typedef定义该数据类型。

当AgrHalt==0时，说明“所有进程同意休眠”，一旦ContikiOS进入空闲状态，它将调用HALT()命令，使MCU进入Active-HALT状态；

当AgrHalt != 0时，说明“某进程还有活要干”，此时ContikiOS进入空闲状态后，它调用WFI()命令，使MCU进入WFI状态。

5.   TDMA通信算法

纵然把单个终端的功耗降到极致，在实际组网运行中该终端的功耗未必是低的，这个叫组网动态运行功耗。组网动态运行功耗依赖于无线通信协议，试想，如果终端需要争抢信道和重传数据帧，那就意味着需要N倍的电能才能完成一次通信，节能将成为空中楼阁。

锐米LoRa终端一开始就把低功耗性能作为重要设计目标，因此我们抛弃了简单但是耗能的CSMA算法，而选用TDMA算法。根据大量的实测，我们坚信这是符合LoRa特性的。实际上，当网络负荷达到中载（带宽利用率超过50%）时，CSMA的效率大减且耗能增大，因为大量的终端通信冲突，不得不延时重传。

TDMA的原理如下图所示：N个终端将一段时间分成N个时隙(Slot)，每个终端在自己分配的时隙与网关通信。没有争抢，没有碰撞，节能效果自然非凡。

了解TDMA算法请链接：http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=36&_np=105_315