一种基于STM32L的低功耗物联网终端的设计与实现

丁振杰,李玉秋,赵昌友,刘玉梅

(亳州职业技术学院，安徽 亳州 236800)

随着物联网的发展，物联网终端的需求越来越旺盛，在资源有限或者偏远的应用场景里，不可能给所有的物联网终端设备拉线供电，导致很大部分终端需要电池供电。然而电池技术迟迟未有重大突破，电池容量有限，且频繁更换电池势必会增加大量的人力成本。因此，对于电池供电的应用场景，能耗的高低直接影响产品的生存周期，低功耗工作方式就显得尤为重要，尤其是针对环境相对恶劣的森林、沙漠地区等。物联网设备功耗做得越低，产品的使用周期相应延长，越能减少电池更换的频次，从而节约了维护成本。

1 系统框架

物联网终端是物联网的关键设备，一般由微控制单元(microcontroller unit, MCU)处理模块、外围感知接口、通信接口三部分组成[1-4]。MCU模块对外围感知器件采集的各种信号进行数据分析、校验并将数据通过窄带物联网(narrow band internet of things，NB-IoT)通信模组传输到物联网(云服务器)，前端再从服务器取出相应的传感器数据，以可视化页面的形式呈现出来，系统框架图见图1。

图1 系统框架图

2 系统硬件设计

系统通过采用低功耗的MCU芯片，搭载多种低功耗传感器，如温湿度传感器、红外感应器、RFID读卡器等，以及低功耗NB-IoT通信模组，从而实现超低功耗。

2.1 MCU模块

处理器的功耗对于物联网设备至关重要。系统采用的MCU是STM32L 071芯片，ARM Cortex-M0+内核的32位微控制器，意法半导体的超低功耗系列，有非常优秀的低功耗表现[5]。L0系列产品在待机模式下功耗仅为0.27 μA, 正常运行模式下功耗也仅为88 μA,有低功耗运行、睡眠、低功耗睡眠、停止、待机等多种低功耗模式；工作电压1.65～3.6 V，时钟频率32 MHz。MCU模块能完成对传感器采集数据的处理、低功耗模式的设置等功能。

2.2 NB-IoT模块

NB-IoT是物联网络的一个重要分支，具有部署成本低、待机时间长、功耗低等优点[6]。NB-IoT只消耗大约180 kHz的带宽，可部署于全球移动通信系统、通用移动通信系统或长期演进技术。NB-IoT主要从待机、数据传输、业务模型等方面控制功耗[7]，是低功耗、远距离无线通信的优选技术。本模块采用SIM7020，有标准的AT命令接口；电压范围2.1～3.6 V，典型值3.3 V；超低功耗，休眠模式下的耗流50 μA,PSM模式下仅有5 μA。

2.3 传感器模块

物联网终端的感知部分由各种传感器组成，传感器与主控芯片STM32L相连，收集与周围环境不同的信号(如温度、湿度、光照等)发送与STM32L。本模块测试选用SHTC3数字温湿度传感器，可以测量 0～100% 的相对湿度，-40℃～125℃ 的温度，超高精确度(±2% 相对湿度，±0.2 ℃)；电源电压范围宽1.62～3.6 V；每次测量均低于1 μJ的超低能耗预算，非常适用于由电池供电的移动或无线应用，使设备的电池续航时间大大延长。

3 系统软件设计

3.1 MCU低功耗处理

在MCU的低功耗模式中，待机模式最省电，进入待机模式后所有区域全部断电，仅部分RTC区域未断电，使唤醒源十分有限，而每次唤醒后相当于系统复位。在停止(STOP)模式下，SRAM不断电，从而保存了运行状态，无需再次重新启动，唤醒源较多，这样可以增加软件设计灵活性。停止模式比较适合本项目，它可以在保持SRAM和寄存器内容的同时实现微安量级的电流功耗。

停止模式下，内核被停止，配置关闭除LSE、LSI以外的所有时钟。低速时钟可以为唤醒中断源提供时钟，为了进入停止模式，必须将SLEEP DEEP位置1，停止模式和待机模式都是由Cortex-M0+ 内核提供的深度睡眠状态实现的。不必要的GPIO管脚设置为模拟输入，如果不进行配置，在外部连接器件时，器件的引脚可能会吸收电流，反而达不到低功耗的要求[8]，此时STOP模式的电流很大。但IO引脚配置为模拟输入时，施密特触发器输入被禁用，每个引脚的功耗为零，必须将每个端口的GPIOx_MODER寄存器保存，然后将每个引脚切换到模拟输入模式。唤醒源定位RTC闹钟中断、复位按键中断、低功耗串口LPUART接收中断，设备唤醒后，每个引脚都可以恢复到先前的模式。为了避免意外，保存和恢复的过程必须是原子操作，既不会被线程调度机制打断，在执行完毕之前也不会被任何其他任务或事件中断。进入STOP模式的部分代码如下：

/* Enable ultra low power mode */

LL_PWR_EnableUltraLowPower();

/** Set the regulator to low power before setting MODE_STOP.

* If the regulator remains in "main mode",

* it consumes more power without providing any additional feature. */

LL_PWR_SetRegulModeLP(LL_PWR_REGU_LPMODES_LOW_POWER);

/* Set STOP mode when CPU enters deepsleep */

LL_PWR_SetPowerMode(LL_PWR_MODE_STOP);

/* Set SLEEPDEEP bit of Cortex System Control Register */

LL_LPM_EnableDeepSleep();

/* Request Wait For Interrupt */

__WFI();

为达到最佳的低功耗状态，MCU采集完一次数据并立即通过MQTT发送至MQTT Broker,服务器再从Broker订阅数据，完成一次数据的上传，过程结束，MCU进入休眠状态。一次发送时间约1～2 s，发送频次越低，电池使用寿命便越长，从而完成绿色应用的使命。

3.2 NB模组低功耗处理

NB-IoT 网络利用eDRX技术极大降低了终端功耗。DRX为传统技术模式，终端时刻在线，例如我们的手机，只要开机，就可以时刻被呼叫。eDRX是DRX模式的扩展，将网络先开一会，再停一会(休眠)，开的时候可以收到数据，停的时候收不到数据。低功耗模式(power saving mode, PSM)可以理解为把eDRX模式中的休眠时间拉得更长，从几小时到几天时间，功耗大幅下降。eDRX模式相对于PSM来说，休眠时仍保持设备TCP连接在线，唤醒以后不需要重新注册。三种模式中，PSM的模式可进行长时间的睡眠最为节电，但是寻呼时间较长，不适应于频繁发送数据的应用场景，并且不能马上收到核心网的下行数据，主要用在远程抄表等对下行数据实时性要求不高的产品。由于NB模组进入PSM模式后不保留TCP注册，本次设计采用MQTT协议，它基于TCP/IP协议，PSM模式下，MQTT失去注册，不适用于现在的工作场景。eDRX模式会兼顾上下行通信，出于性能和能耗的权衡，选用eDRX模式比较适合物联网方式。

NB模块工作方式(见图2)，实际是由基站分配网络资源，基站有时候为了权衡，eDRX不一定能寻呼上；由于产品由电池供电，如果寻呼不上，系统则一直处于寻呼状态；而NB通信模组工作是极其耗电的，很容易消耗完电池的电量，所以要权衡寻呼网络和节约能耗两种情况，既节约能耗又不会造成网络状态良好的情况下设备处于离线状态。因此,设计MCU在查询网络时，若无法获取网络，则会延长自己的唤醒时间并进入休眠状态；到达自己设置的阈值唤醒时间，便不再增加唤醒时间。若在这个过程中，获取到网络，便清零之前设置的唤醒时间，回归正常唤醒时间。

图2 系统流程图

4 系统测试

服务器采用GO语言编写，GO语言由于其高效并发的特性特别适用于分布式服务器开发，服务器程序运行于阿里云服务器上，可支持公网访问。由于工作场景要求数据发送频率不高，一次发送约1～2 s，大部分时间都是待机状态。三种工作模式待机测试数据为：MCU STANGDLBY+NB PSM模式耗流318 uA；MCU STOP+NB PSM模式耗流374 uA；MCU STOP+NB eDRX模式耗流1.7 mA。传感器温湿度测试部分数据(见图3)。

图3 温湿度测试结果

5 结 语

通过硬件选择低功耗的控制芯片、通信模组及无线传感器，采用软件控制MCU、通信模组低功耗的工作方式，实现物联网终端的低功耗运行。未来，随着低功耗的MCU技术、电源技术、传感器技术等进一步发展，物联网终端的能耗将会持续不断地降低，在能源节耗方面有着重要的意义。