DTU 功耗计算

1. 引言

本文档旨在详细说明基于 EdgeBus 的 DTU 设备的功耗计算方法，涵盖了设备在不同工作模式下的功耗组成及计算示例。准确评估功耗对于电池供电的物联网设备至关重要，有助于合理设计电池容量，延长设备续航时间。

2. 功耗组成

DTU 的总功耗由以下几个主要部分组成：

1. 基础功耗：设备在静态或休眠状态下的最低功耗。
2. SW 模式功耗：当设备开启 SleepWakeup (SW) 模式时，周期性侦听 preamble 产生的额外功耗。
3. LoRaWAN 部分功耗：LoRaWAN 模块在发送数据时产生的功耗。
4. 有线通信部分功耗：与外部设备进行有线通信（如 RS-485、M-Bus、4-20mA、0-10V 接口）时产生的功耗，包括外部设备自身功耗和 DTU 接口功耗。

3. 各部分功耗详细计算

3.1 基础功耗

门思科技所有 DTU 类产品的基础静态功耗均为 3uA。

3.2 SW 模式功耗

3.2.1 功能描述

SW (SleepWakeup) 模式旨在满足 LoRaWAN 协议要求的同时，通过周期性侦听 preamble 来降低功耗。当检测到 preamble 后，设备被唤醒并接收数据。SW 模式的功耗受 周期 (Period)、扩频因子 (SF) 和 带宽 (BW) 三个参数影响。SF 和 BW 共同决定了一个 symbol 的时长。DTU 通过连续侦听两个 symbol 的时长来判断是否存在唤醒 preamble 数据。

• 周期越长：SW 模式对应的静态功耗越小，但响应时间越长。
• symbol 时长越大：通信距离越远，侦听时间越长，功耗也随之增加。

3.2.2 功耗计算

1. 获取 Symbol 时长：
   利用 Semtech 提供的在线计算工具 LoRa Calculator 获取 Symbol 时长。在工具中选择对应的 Spreading Factor (SF) 和 Bandwidth (BW) 后，点击 Submit 即可获得。

2. 计算 SW 静态功耗：
   LoRa 模块和 MCU 的接收功耗可按 8mA 计算，MCU 处理时间为 1ms。SW 模式的静态功耗计算公式如下：

$$I_{SW}=\frac{(\text{Symbol Time}\times 4+1\text{ ms})\times 8\text{ mA}}{\text{Period}}$$

3. 示例：
   如果周期为 4000ms，SF=7，BW=500kHz，假设 Symbol Time 为 0.26ms，则对应的静态功耗为：

$$I_{SW}=\frac{(0.26\times 4+1)\times 8}{4000}=\frac{2.04\times 8}{4000}=\frac{16.32}{4000}=0.00408\text{ mA}\approx 4.08\text{ µA}$$

3.3 LoRaWAN 部分功耗

LoRaWAN 的特点是速率越低、通信距离越远，发送时间越长，功耗越大。LoRaWAN 的功耗估算同样可以使用 Semtech 的在线工具进行计算。配置相关参数后，提交即可获得单次发送的耗电量。

关键参数说明：

• Tx Power (发射功率)：根据标准选择，不同的发射功率对应不同的电流。
• Region (区域)：选择不同的区域标准，对应的数据速率 (Data Rate) 定义不同。
• Data Rate (数据速率)：LoRaWAN 可以在不同的 DR 值之间自适应。EdgeBus 可以限制 ADR (Adaptive Data Rate) 的调整范围。为保证电池寿命，可选择合适的 DR 值；若要降低功耗，则需增大网关部署密度以保证信号质量，从而将设备 DR 值调整到最高。
• Payload Length (应用层数据长度)：发送的应用层数据长度。

提交后可获取相关功耗数据。按照发送周期，可换算为对应的静态功耗：

$$I_{LoRaWAN}=\frac{\text{Average Tx Consumption}}{\text{Period}}$$

注意

当前的在线工具中 Average Tx Consumption 的单位应为 mAh 而不是 uAh。

示例：
如果单次发送耗电量为 0.00753mAh，每 1 小时发送一次数据，则对应的静态功耗为：

$$I_{LoRaWAN}=\frac{0.00753\text{ mAh}}{1\text{ h}}=0.00753\text{ mA}=7.53\text{ uA}$$

3.4 有线通信部分功耗

有线通信功耗包括外部设备功耗和 DTU 自身有线通信接口功耗。

3.4.1 外部设备功耗

当 DTU 通过升压电路对外提供 15.1V 电压以驱动外部设备时，需要将外部设备的电流换算为电池侧的等效电流。常规升压效率按 70% 计算。

1. 工作电流换算：
   电池侧电流换算公式：

$$I_{battery}=I_{device}\times \frac{15.1\text{ V}}{3.6\text{ V}}\times 0.7$$

2. 其中：
   • $I_{device}$：外部设备工作电流
   • 15.1V：DTU 对外供电电压
   • 3.6V：锂电池标称电压
   • 0.7：升压效率

示例：
外部设备工作电流为 10mA，则电池侧等效电流为：

$$10\text{ mA}\times \frac{15.1}{3.6}\times 0.7\approx 29.4\text{ mA}$$

3. 通信工作时间计算：
   外部设备功耗不仅取决于电流，还与通信工作时间相关，包括预热时间、指令发送时间、设备响应时间、超时重查时间等。
   • 串口通信时间 ($T_{comm}$)：

$$T_{comm}=\frac{(\text{发送字节数}+\text{接收字节数})\times \text{每字节位数}}{\text{波特率}}$$

• 通常每字节位数为 10 bit (1 起始位 + 8 数据位 + 1 停止位)，因此简化为：

$$T_{comm}=\frac{(Tx+Rx)\times 10}{\text{Baudrate}}$$

• 示例 1 (正常情况)：
  波特率 = 9600bps，发送 8 字节，接收 20 字节。

$$T_{comm}=\frac{(8+20)\times 10}{9600}=\frac{280}{9600}\approx 0.029\text{ s}=29\text{ ms}$$

• 加入预热时间 ($T_{preheat}$)：
  默认预热时间为 5ms。
  总工作时间 ($T_{work}$)：

$$T_{work}=T_{preheat}+T_{comm}=5\text{ ms}+29\text{ ms}=34\text{ ms}$$

• 加入异常超时情况 ($T_{error}$)：
  默认超时时间为 2 秒，超时后重查一次。在最坏情况下，异常情况总时间约为：

$$T_{error}=2\text{ s}+2\text{ s}+T_{comm}\approx 4\text{ s}$$

• 在进行最坏情况计算时，必须计入此部分时间。
• 单次抄读完整工作时间模型 ($T_{total}$)：

$$T_{total}=T_{preheat}+T_{comm}+T_{timeout}$$

4. 单次抄读能量计算：
   单次抄读电量消耗 ($Q$)：

$$Q=I_{battery}\times T_{total}$$

5. 单位为 As (库仑)。换算成 mAh：

$$\text{mAh}=\frac{I(\text{mA})\times T(\text{s})}{3600}$$

6. 示例 (完整计算)：
   假设外部设备电流 10mA，电池侧等效电流 29.4mA，正常工作时间 34ms (0.034s)。
   单次抄读耗电：

$$\text{mAh}=\frac{29.4\text{ mA}\times 0.034\text{ s}}{3600}\approx 0.000277\text{ mAh}$$

7. 如果每天抄读 96 次 (每 15 分钟一次)：

$$0.000277\text{ mAh}\times 96\approx 0.0266\text{ mAh/天}$$

3.4.2 DTU 有线通信接口功耗

DTU 自身有线通信接口（如 RS-485）在工作时也会产生功耗。

1. RS-485 功耗：
   RS-485 接口工作电流通常小于 12mA。由于 RS-485 接口通常不需要升压，其电池侧等效电流直接按工作电流计算：

$$I_{485,battery}=12\text{ mA}$$

2. 工作时间与外部设备通信时间一致。

3. 单次 RS-485 耗电：
   假设工作时间为 34ms (0.034s)。

$$\text{mAh}=\frac{12\text{ mA}\times 0.034\text{ s}}{3600}\approx 0.000113\text{ mAh}$$

3.4.3 其他接口功耗说明

接口类型	典型电流	说明
RS-485	<12mA	差分驱动
4-20mA	<5mA
0-10V	<5mA

对于 4-20mA 等接口，若 DTU 提供 15.1V 供电，需要按 3.4.1 节的升压公式换算成电池电流。

4. 整体功耗计算方法

DTU 的整体功耗是各部分功耗的叠加。在计算整体功耗时，需要区分设备是否对外供电以及对外供电的频率和时长。

4.1 整体通信功耗

整体通信功耗是指在一次完整的有线通信过程中，所有相关组件（外部设备、DTU 接口、DTU MCU）的总功耗。

1. 综合电流：

$$I_{total,comm}=I_{ext,battery}+I_{485,battery}+I_{MCU}$$

2. 其中 $I_{MCU}$ 为 DTU MCU 在通信期间的工作电流，可按 8mA 计算。示例 (完整通信系统)：
   假设外部设备电池侧等效电流 29.4mA，RS-485 接口电流 12mA，MCU 工作电流 8mA。
   总电流：

$$29.4\text{ mA}+12\text{ mA}+8\text{ mA}=49.4\text{ mA}$$

3. 单次通信耗电：
   假设单次通信总工作时间 $T_{total}$ 为 34ms (0.034s)。

$$\text{mAh}=\frac{I_{total,comm}\times T_{total}}{3600}=\frac{49.4\text{ mA}\times 0.034\text{ s}}{3600}\approx 0.000466\text{ mAh}$$

4. 如果每天通信 96 次：

$$0.000466\text{ mAh}\times 96\approx 0.0447\text{ mAh/天}$$

4.2 日均总功耗计算

日均总功耗是评估电池寿命的关键指标。它需要综合考虑设备在不同模式下的工作时长和对应的功耗。

$$\text{日均总耗电量 (mAh/天)}=\text{基础功耗}\times 24\text{ h}+\text{SW 模式日均耗电量}+\text{LoRaWAN 日均耗电量}+\text{有线通信日均耗电量}$$

其中：

• 基础功耗：3uA (转换为 mA 后乘以 24 小时)。
• SW 模式日均耗电量：根据 SW 模式的周期和单次功耗计算，例如 $I_{SW}\times 24\text{ h}$。
• LoRaWAN 日均耗电量：根据 LoRaWAN 发送周期和单次发送耗电量计算，例如 $\frac{\text{单次发送耗电量}}{\text{发送周期}}\times 24\text{ h}$。
• 有线通信日均耗电量：根据有线通信的频率和单次通信耗电量计算，例如 $\text{单次通信耗电量}\times \text{每天通信次数}$。

重要说明：不对外供电的情况

如果 DTU 不需要对外供电（即不连接需要 DTU 供电的外部设备），则 3.4.1 外部设备功耗 部分的计算（包括 $I_{ext,battery}$）应被忽略或视为零。此时，有线通信的功耗仅包含 DTU 自身有线通信接口功耗（如 RS-485 功耗）和 MCU 工作功耗。

4.3 电池寿命估算

在进行电池寿命评估时，建议考虑以下工程裕量：

• 正常工作占比：90%
• 异常重试占比：10%
• 裕量系数：20% (即最终结果乘以 1.2)

最终寿命估算公式：

$$\text{BatteryLife (天)}=\frac{\text{电池容量 (mAh)}}{\text{日均总耗电量 (mAh/天)}\times (1+\text{裕量系数})}$$

5. 工程建议

为了更准确地评估和优化 DTU 设备的功耗，建议在实际应用中：

• 优化 LoRaWAN 参数：根据实际通信需求和网络覆盖情况，合理设置 LoRaWAN 的 DR 值和发送周期，以平衡功耗与通信性能。
• 精简外部设备：尽量选择低功耗的外部设备，并优化其工作模式，减少对外供电的时间和电流。
• 考虑异常情况：在功耗评估中充分考虑异常超时重试等情况，以确保在最坏情况下设备仍能满足续航要求。
• 定期监测：在设备部署后，定期监测实际功耗数据，与理论计算值进行对比，及时调整优化策略。