LoRa低功耗远程唤醒技术

广州致远电子有限公司文库资料©2017GuangzhouZHIYUANElectronicsStockCo.,Ltd.文章源自广州致远电子有限公司，转载或引用请注明出处1工业通讯-无线通信产品LoRa低功耗远程唤醒技术一、低功耗工作原理ZM470SX-M模块具有信道检测功能（ChannelActivityDetection），简称CAD模式。由于LoRa采用扩频调制，在CAD模式中，通过对扩频序列的计算处理可以从噪声探测可能存在的码元数据。其中影响探测时长和探测精度的主要因素有两个，一个是扩频因子（SF），这个决定扩频调制中每个码元的扩展长度，另一个是扩频带宽（BS），它限制了射频信号的最大带宽。码元的持续时长（Ts）与模块的扩频因子和扩频带宽有关，一般有如下的公式，例如SF=7，BW=500khz，则Ts=0.26ms。而决定码元探测灵敏度的是码元的持续时长，持续时间越长，可探测的灵敏度就越高，但是相对的，数据的传输速率会下降。在CAD模式中，模块会对信道进行数据采样，并进行数字信号处理，一次完整的CAD采样，以SF=7，BW=500khz，Ts=0.26ms参数为例，需要进行0.26ms的采样，还有额外0.26ms的计算时长，也就大约需要0.5ms的处理时间，如图1.1所示。接收端模块每1S进入一次CAD采样，工作0.5ms，然后休眠999.5ms。如果发射端要唤醒这个接收端的模块，那么发射端需要持续发射至少1S的唤醒码元，让接收端可以在醒来的间隙，探测到扩频码元。采用这种工作方式远程唤醒模块，可以极大地降低接收端的功耗，需要接收端上传数据的时候，1S内即可作出响应，这很适合大范围数据采集的应用领域。图1.1CAD模式中电压的瞬态变化图二、低功耗测试原理测试实验原理如图2.1所示。在ZM470SX-M模块的电源端串接入一个20ohm的电阻，用于瞬时电流探测。MCU周期性地使ZM470SX-M模块进入CAD模式。把示波器探头的两端接在20ohm电阻上，观察示波器的电平变化。广州致远电子有限公司文库资料©2017GuangzhouZHIYUANElectronicsStockCo.,Ltd.文章源自广州致远电子有限公司，转载或引用请注明出处2工业通讯-无线通信产品ZM470SX-MMCU电源20ohm电阻示波器图2.1实验原理图图2.2实验仪器三、功耗计算推导计算原理：我们的目标是要求出一次CAD采样，平均到1秒内的功耗电流。因此首先要采样到一次完整的CAD采样过程的电压变化图，然后对这个变化的电压值进行积分，除以电阻值，再除以1秒，即为平均电流，公式推导如下。：示波器采样中，CAD模式的有效电流广州致远电子有限公司文库资料©2017GuangzhouZHIYUANElectronicsStockCo.,Ltd.文章源自广州致远电子有限公司，转载或引用请注明出处3工业通讯-无线通信产品：CAD模式的持续时间，示波器测量大约是0.5ms：按1秒平均来计算一次CAD模式的平均电流：平均时间，1s：示波器采样中，CAD模式的有效电压：示波器采样中，每一时刻的电压值：示波器的采样周期：串联的电阻，20ohm：这一项可以通过图1.2示波器的面积计算直接得出120uVs。由以上计算过程可得模块1S进入一次CAD采样的平均功耗为6.0uA，加上模块的睡眠功耗1.2uA，模块在周期为1S的CAD采样模式下的总功耗为7.2uA。四、功耗计算表扩频因子：决定扩频调制中每个码元的扩展长度扩频带宽：限制射频信号的最大带宽，单位khz码元时长：传输一个码元的时间长度，单位ms接收灵敏度：码元时长越长，接收灵敏度越好，dBm探测时长：示波器测量出的一次CAD采样处理的工作时长，单位ms电压时间积：示波器测量出的次CAD采样处理的电压时间积，单位uVs平均电流：按1S一次CAD采样计算出的平均电流，单位uA表4.1功耗计算表扩频因子扩频带宽(hz)码元时长(ms)接收灵敏度(dBm)探测时长(ms)电压时间积(uVs)平均电流(uA)工作天数工作年数75000.26-118.500.501207.2578715.985000.51-121.000.8722012.234159.495001.02-123.501.7341221.819115.2105002.05-126.003.5681542.09932.7115004.10-128.507.52163082.75041.4125008.19-131.0015.133260164.22540.71225016.38-133.5030.295770289.71440.41212532.77-136.0060.6210700536.2780.2五、示波器截图广州致远电子有限公司文库资料©2017GuangzhouZHIYUANElectronicsStockCo.,Ltd.文章源自广州致远电子有限公司，转载或引用请注明出处4工业通讯-无线通信产品扩频因子：7扩频带宽：500kHz电压时间积：120uVs探测时长：0.5ms扩频因子：8扩频带宽：500kHz电压时间积：220uVs探测时长：0.87ms扩频因子：9扩频带宽：500kHz电压时间积：412uVs探测时长：1.73ms扩频因子：10扩频带宽：500kHz电压时间积：815uVs探测时长：3.56ms广州致远电子有限公司文库资料©2017GuangzhouZHIYUANElectronicsStockCo.,Ltd.文章源自广州致远电子有限公司，转载或引用请注明出处5工业通讯-无线通信产品扩频因子：11扩频带宽：500kHz电压时间积：1630uVs探测时长：7.52ms扩频因子：12扩频带宽：500kHz电压时间积：3260uVs探测时长：15.13ms扩频因子：12扩频带宽：250kHz电压时间积：5770uVs探测时长：30.29ms扩频因子：12扩频带宽：125kHz电压时间积：10700uVs探测时长：60.62ms