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使用单块电池为 NB-IoT 连接供电十年

Container tracking harbor sunset

是的,这可以通过正确的设置在正确的环境下实现。在这里,我们将向您展示如何操作。

NB-IoT(窄带 IoT)长期以来一直被誉为低功耗物联网应用场景的推动者,有望利用单块电池实现十年的连接。该技术针对少量数据的不频繁传输进行了优化,可满足多种应用场景的需求,包括智能公共计量、智能城市、物流和资产追踪以及农业和环境应用。现在,世界各地的网络正在迅速成熟,已有 50 个国家/地区网络完成了推广工作,而且这一数字还在不断增长

利用单块电池保证十年性能是一个强有力的销售论据。这意味着,一旦部署,传感器一次可以保持数年不动。尤其是在难以进入的地点(如地下)安排的应用,这可以显著降低设备群的维护成本。不止如此。可持续多年的自主运行以 NB-IoT 带来的其他优势为基础,例如低设备成本、长距离和高频率效率。

听起来很不错,但实际上,开发一款能够利用单块电池可靠地提供长达十年的连接的设备可能是一项挑战。在 3G 网络中,功耗是确定性的:您可以根据给定的使用情形提前计算。在 NB-IoT 中,移动网络运营商 (MNO) 的决策(通常是自动化)可以说明整整十年与仅仅几年的运营之间的差异。

自从我们于 2016 年通过实时网络发送全球首条标准前 NB-IoT 消息以来,我们一直在优化我们的 NB-IoT 模块并汇总专业知识,以帮助向我们的客户兑现十年连接的承诺。

以下是实现 10 年基准的五个注意事项:

1:明智地设置 PSM 参数。

与其他 LPWA 技术一样,NB-IoT 通过最大限度地延长设备休眠时间来节省能源。省电模式 (PSM) 提供了一种有效的方法来缩短完全关闭调制解调器的时间。在 PSM 中,设备可以唤醒以与网络通信。但是,网络无法连接到设备。

PSM 将电流消耗降低到 3 微安以下。它使用释放辅助功能向网络发出信号,表明模块不期望对其上行链路消息进行下行链路响应。这样,可以立即从网络中“释放”模块,而不是等待 6-20 秒使得连接因不活动而超时。此外,PSM 还允许设备在进入睡眠状态时保留其注册详细信息,从而防止其在每次新通信时都不得不经历重新连接到无线电网络的耗电过程。

省电模式使用两个 +CPSMS 定时器 T3324 和 T3412 进行参数化,设备在初始化时会向移动网络运营商请求这些定时器。T3324 指定在进入 PSM 之前网络可访问设备的时间。T3412 指定设备定期通知网络其可用的时间。每个 PSM 间隔的持续时间由两者之间的差值定义。

NB-IoT parameter settings图:注册到网络后的 NB-IoT 调制解调器状态。

 

2:您不能强制执行 PSM 定时器。

假设您已找到 +CPSMS 定时器的合适位置,它可以很好地平衡功率自主性和应用所需的可用性。那么,是时候开瓶庆祝了吗?

别急。移动网络运营商接受从设备收到的 +CPSMS 定时器作为请求。它没有义务对其进行相应的设置;如果它们超出范围,则可以将其取消。因此,在庆祝之前,确保使用相应的 AT 命令检查网络分配给设备的定时器。此外,由于定时器可能在任何给定时间发生变化,因此建议持续追踪定时器以在 MNO(移动运营商, mobile network operator) 重置定时器时,迅速做出响应。

3:eDRX 将延长设备的侦听时间。

正如我们之前所看到的,借助 T3324 定时器,您可以请求设备在一段时间内侦听网络。即将由 MNO 推出的 eDRX(长时间不连续接收)将让您的设备延长侦听时间,同时只略微增加一点功率消耗。基本上,只需将其切入/切出低功耗状态(电流消耗降至约三微安)。

使用 eDRX 时,移动网络运营商的物联网平台会存储设备处于低功耗状态时收到的任何消息,并在设备唤醒时将其转发给设备。值得一提的是,eDRX 也可以在没有 PSM 的情况下使用,特别适合需要不定时接收消息的应用。

4:覆盖范围等级超出您的控制

NB-IoT 节省电力的一种方式是通过在电波上低声说出消息而不是大声喊叫。为确保听到 NB-IoT 基站范围内的所有消息,NB-IoT 会基于其测量的信噪比的覆盖范围等级,归因于每条消息,甚至每条消息的每个部分。

在噪声中容易听到的消息属于覆盖范围等级 0 (CO0)。不清晰的消息属于覆盖范围等级 1 (CO1),由具有 10 dB 覆盖范围增强功能的设备发射。最极端的情形属于覆盖范围等级 2 (CO2),其中消息使用 20 dB 覆盖范围增强功能发送。

如果被归类为 CO1 或 CO2,很可能会将设备的消息发送到基站,但这也有代价。由于它们的发射功率更大,并且重复多次,因此它们从电池中消耗的电流比在 CO0 中发送的电流要大得多。

覆盖范围等级的问题在于,虽然它们是决定自主性的主要因素,但它们超出了您的控制范围。移动网络运营商通常无法提供透明的准则,说明您设备发送的消息将属于哪个覆盖范围等级。要想得到确切答案,唯一方法是在现场部署设备后监控其功耗。

5:最终,这是一种平衡行为

假设您正在设计使用 NB-IoT 将数据传输到云端的智能水表,市政当局或水务公用事业可以实时监控水网的状态和消耗。在这种情况下,如果您的产品仅在 0 级和 1 级覆盖范围内提供十年连接性,您也许就不能在宣传中提到“利用单块电池提供十年连接性”了。

现实是电池寿命和覆盖范围之间存在不可避免的权衡问题。正如我们所看到的,影响设备性能的许多关键因素都不在您的可控范围内。当然,您可以随时扩充电池,但这可能会使您的部分客户流失。为物联网设计设备始终是一种平衡行为,通过 NB-IoT 网络进行通信的设备也是如此。

如果您正在使用 SARA-R4/N4SARA-N3SARA-N2 系列模块开发物联网解决方案,并且需要有关最大化电池自主性或优化其性能的指导,我们可以为您提供工具,帮助您在坚实的基础上构建设计。