低功耗设计实践

功耗优化总体策略

IoT 设备低功耗设计需要从系统级考虑，不仅仅是模组本身：

系统功耗 = 模组功耗 + MCU 功耗 + 传感器功耗 + 其他外设功耗

优化层次：
  1. 应用层：减少不必要的数据传输
  2. 协议层：选择合适的省电模式（PSM/eDRX）
  3. 硬件层：外设按需供电，MCU 深度睡眠
  4. 电源层：高效 DC-DC 转换，减少静态电流

模组省电模式

PSM vs eDRX 选择

PSM（省电模式）：
  适用场景：
    - 上报频率低（每小时或更低）
    - 不需要接收下行数据（或可以等到下次上报时接收）
    - 对时延不敏感
  功耗：2-5 μA（深睡眠）
  缺点：无法实时接收下行数据

eDRX（扩展非连续接收）：
  适用场景：
    - 需要定期接收下行数据
    - 上报频率中等（每分钟到每小时）
    - 对时延有一定要求
  功耗：10-100 μA（取决于 eDRX 周期）
  优点：可以定期接收下行数据

组合使用：
  先用 eDRX 等待下行数据
  无数据时进入 PSM 深睡眠

最优 PSM 配置

# 场景：每小时上报一次，不需要接收下行
AT+CPSMS=1,,,"00100110","00000001"
# TAU = 6小时（"001" × 6 = 6小时）
# Active Time = 2秒

# 场景：每天上报一次（智能水表）
AT+CPSMS=1,,,"01000001","00000001"
# TAU = 1小时（每小时向网络注册，防止被踢出）
# Active Time = 2秒
# 注：TAU 不能设太长，否则网络会认为设备离线

# 场景：需要接收下行命令（远程控制）
AT+CPSMS=1,,,"00100001","00000101"
# TAU = 1分钟
# Active Time = 10秒（给服务器足够时间发送下行）

MCU 低功耗设计

STM32 低功耗模式

// STM32 与 NB-IoT 模组协同低功耗
#include "stm32l4xx_hal.h"

void system_sleep(uint32_t sleep_seconds) {
    // 1. 关闭不需要的外设
    HAL_GPIO_WritePin(SENSOR_PWR_GPIO, SENSOR_PWR_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 2. 配置 RTC 唤醒定时器
    HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, sleep_seconds, 
                                 RTC_WAKEUPCLOCK_CK_SPRE_16BITS);
    
    // 3. 进入 STOP2 模式（最低功耗，保留 RAM）
    HAL_PWREx_EnterSTOP2Mode(PWR_STOPENTRY_WFI);
    
    // 4. 唤醒后恢复时钟
    SystemClock_Config();
    
    // 5. 重新上电外设
    HAL_GPIO_WritePin(SENSOR_PWR_GPIO, SENSOR_PWR_PIN, GPIO_PIN_SET);
}

void main_loop(void) {
    while (1) {
        // 采集传感器数据
        float temperature = read_temperature();
        float humidity = read_humidity();
        
        // 唤醒模组
        wakeup_module();
        
        // 发送数据
        send_data(temperature, humidity);
        
        // 等待发送完成
        wait_send_complete();
        
        // 模组进入 PSM
        module_enter_psm();
        
        // MCU 进入深度睡眠
        system_sleep(3600);  // 睡眠 1 小时
    }
}

模组唤醒方式

// 方法1：通过 UART 发送 AT 指令唤醒
void wakeup_module_uart(void) {
    // 发送任意字符唤醒
    uart_send_byte(0xFF);
    delay_ms(100);
    // 等待模组响应
    uart_send("AT\r\n");
    wait_response("OK", 3000);
}

// 方法2：通过 PWRKEY 引脚唤醒（如果模组支持）
void wakeup_module_pwrkey(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(MODULE_PWRKEY_GPIO, MODULE_PWRKEY_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    delay_ms(200);
    HAL_GPIO_WritePin(MODULE_PWRKEY_GPIO, MODULE_PWRKEY_PIN, GPIO_PIN_SET);
    delay_ms(2000);  // 等待模组启动
}

// 方法3：通过 DTR 引脚唤醒
void wakeup_module_dtr(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(MODULE_DTR_GPIO, MODULE_DTR_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    delay_ms(50);
    HAL_GPIO_WritePin(MODULE_DTR_GPIO, MODULE_DTR_PIN, GPIO_PIN_SET);
    delay_ms(100);
}

电源设计优化

电池选型

电池类型	特点	适用场景
锂亚（Li-SOCl₂）	高能量密度，自放电极低，宽温度	NB-IoT 超长寿命设备
锂锰（Li-MnO₂）	高脉冲电流，低温性能好	需要大电流脉冲的设备
锂聚合物（LiPo）	可充电，轻薄	可充电设备
碱性电池	成本低，易获取	低成本消费品

NB-IoT 设备推荐：锂亚电池（ER系列）

ER14505（AA 尺寸）：2700mAh，3.6V
ER26500（C 尺寸）：9000mAh，3.6V
ER34615（D 尺寸）：19000mAh，3.6V

注意：锂亚电池内阻较高，不适合大电流脉冲
需要并联超级电容（0.1-1F）提供瞬时大电流

超级电容辅助供电

NB-IoT 发射时峰值电流 220mA，持续时间约 1-5 秒
锂亚电池内阻约 10-50Ω，无法提供足够电流

解决方案：锂亚电池 + 超级电容并联
  锂亚电池：提供平均电流（慢充超级电容）
  超级电容：提供瞬时大电流（发射时放电）

电路设计：
  ER14505 → 肖特基二极管 → 超级电容（0.47F/5.5V）→ 模组 VBAT
  超级电容充电时间：约 10-30 秒
  超级电容放电时间：约 2-5 秒（发射期间）

功耗测试方法

使用电流探针测量

测试设备：
  - 精密电流表（如 Nordic PPK2，精度 0.1μA）
  - 示波器（观察电流波形）
  - 逻辑分析仪（关联 AT 指令和电流）

测试步骤：
  1. 串联电流表到 VBAT 供电线
  2. 记录各状态下的电流：
     - 模组启动：峰值电流
     - 网络注册：平均电流
     - 数据发送：峰值和平均电流
     - PSM 睡眠：静态电流
  3. 计算平均功耗和电池寿命

电池寿命计算公式

平均电流 = Σ(各状态电流 × 持续时间) / 总时间

示例（每小时上报一次）：
  启动+注册：500mA × 10s = 5000mAs
  数据发送：220mA × 5s = 1100mAs
  PSM 睡眠：3μA × 3585s = 10755μAs ≈ 10.8mAs
  
  总电荷 = 5000 + 1100 + 10.8 = 6110.8 mAs
  平均电流 = 6110.8 / 3600 = 1.70 mA

  3000mAh 电池寿命 = 3000mAh / 1.70mA = 1765h ≈ 73天

优化后（模组保持注册，不重启）：
  数据发送：220mA × 5s = 1100mAs
  PSM 睡眠：3μA × 3595s = 10785μAs ≈ 10.8mAs
  
  平均电流 = (1100 + 10.8) / 3600 = 0.31 mA
  电池寿命 = 3000mAh / 0.31mA = 9677h ≈ 403天 ≈ 1.1年