模組在物聯(lián)網(wǎng)、通信和嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，而其功耗表現(xiàn)是決定項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素之一。許多新手因忽視功耗參數(shù)而導(dǎo)致設(shè)備異常關(guān)機(jī)或續(xù)航不足。本文將用通俗易懂的方式，帶你全面認(rèn)識(shí)模組的功耗機(jī)制與評(píng)估方法。

一，模組的低功耗特性概述

低功耗是 4G Cat.1 模組最重要的特性之一

4G Cat.1 模組有三種功耗模式，分別有各自的特點(diǎn)；

4G Cat.1 模組優(yōu)異的低功耗表現(xiàn)，既有硬件設(shè)計(jì)的加持，也有軟件協(xié)議算法的幫助；

不同的應(yīng)用場(chǎng)景，按需選擇不同的 4G Cat.1 模組功耗模式，以及三種功耗模式之間的相互轉(zhuǎn)換；

除實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)外，實(shí)網(wǎng)環(huán)境下的功耗表現(xiàn)，呈現(xiàn)給用戶(hù)的效果更多以實(shí)網(wǎng)在線表現(xiàn)為準(zhǔn)；

二、三種不同的功耗模式

1， 三種功耗模式的簡(jiǎn)捷定義

模組有三種功耗模式， 分別是： 常規(guī)模式，低功耗模式，PSM+模式，定義如下：

1）常規(guī)模式；

網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)，隨時(shí)響應(yīng)服務(wù)器命令，CPU滿(mǎn)頻運(yùn)行，外設(shè)功能全部可用，比如，所有GPIO電平都可以控制；

2）低功耗模式；

網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)，隨時(shí)響應(yīng)服務(wù)器命令，CPU降頻運(yùn)行，外設(shè)功能部分可用，比如，僅有AGPIO可以保持電平；

3）PSM+模式；

網(wǎng)絡(luò)離線狀態(tài)，無(wú)法響應(yīng)服務(wù)器命令，CPU降頻運(yùn)行，外設(shè)功能部分可用，比如，僅有AGPIO可以保持電平；

2，三種功耗模式的細(xì)節(jié)差異

三種功耗模式的不同特性說(shuō)明參見(jiàn)下表：

3，關(guān)于低功耗模式對(duì) GPIO 影響的說(shuō)明

Air700系列/Air780系列模組在"低功耗模式/PSM+模式"下不同GPIO的功能表現(xiàn)不一致，

請(qǐng)務(wù)必根據(jù)定義所需嚴(yán)謹(jǐn)選擇，避免改版；

根據(jù)不同GPIO在"低功耗模式/PSM+模式下"的不同表現(xiàn)，可以將GPIO分為四類(lèi)：

（1）AGPIO，有些文檔中有時(shí)也會(huì)被寫(xiě)為AON_GPIO，AlwaysON，一直保持的意思；

低功耗模式下既可以保持輸出高，也可以保持輸出低，但不能高低變換；

（2）AGPIOWU，也可以寫(xiě)為AON_GPIO_WAKEUP，既能在低功耗模式下輸出保持(輸出高低都可以，但不能高低變換)，

也可以在低功耗模式下作為中斷；

（3）WAKEUP，僅能作為輸入，低功耗模式下可以作為中斷；

（4）普通GPIO，低功耗模式下既不能保持輸出高，也不能保持輸出低。

4，如何進(jìn)入低功耗模式，以及功耗模式與看門(mén)狗的關(guān)系

1. 4G Cat.1模組，共有三個(gè)工作模式，分別是：

1）常規(guī)模式；

2）低功耗模式；

3）PSM+模式；

2. 常規(guī)模式比較好理解，就是正常的工作模式，3.8V供電情況下，實(shí)網(wǎng)環(huán)境下平均電流大概4.5mA；

3. 低功耗模式下，26M時(shí)鐘關(guān)閉，內(nèi)部32K工作，看門(mén)狗繼續(xù)工作，3.8V供電情況下，實(shí)網(wǎng)環(huán)境下平均電流大概1mA-2mA；

在低功耗模式下，看門(mén)狗的工作狀態(tài)分為兩種情況：

1）用戶(hù)自己設(shè)置了喂狗時(shí)間，則系統(tǒng)按照用戶(hù)設(shè)置的時(shí)間喂狗；

2）用戶(hù)自己沒(méi)有設(shè)置喂狗時(shí)間，則系統(tǒng)底層會(huì)自動(dòng)喚醒喂狗；

4. PSM+模式下，26M時(shí)鐘關(guān)閉，內(nèi)部32K工作，3.8V供電情況下，實(shí)網(wǎng)環(huán)境下平均電流大概3uA-12uA；

在PSM+模式下，看門(mén)狗仍然工作，也分為兩種情況：

1）如果用戶(hù)設(shè)置過(guò)deeptimer，那么喂狗時(shí)間就是最短的deeptimer時(shí)長(zhǎng)；

2）如果沒(méi)有設(shè)置過(guò)deeptimer，系統(tǒng)自己會(huì)計(jì)算一個(gè)時(shí)間執(zhí)行喂狗操作；

5. deeptimer相關(guān)API函數(shù)及系統(tǒng)消息：

API函數(shù)：

pm.dtimerStart(id, timeout)

pm.dtimerStop(id)

pm.dtimerCheck(id)

pm.dtimerWkId()

系統(tǒng)消息：

DTIMER_WAKEUP

6. 進(jìn)入 低功耗模式 的API函數(shù)有兩個(gè)：

1）pm.power(pm.WORK_MODE, 1) 或者 pm.power(pm.WORK_MODE, 2)，建議使用該函數(shù)；

說(shuō)明：

因?yàn)闅v史原因，mode 1 和 mode 2 都是進(jìn)入低功耗模式，二者完全一致；

2）pm.request(pm.LIGHT)，不建議使用該函數(shù)，后續(xù)不再維護(hù)；

7. 進(jìn)入PSM+模式的API函數(shù)有兩個(gè)：

1）pm.power(pm.WORK_MODE, 3)，建議使用該函數(shù)；

2）pm.request(pm.DEEP) 或者pm.request(pm.HIB)，不建議使用該函數(shù)，后續(xù)不再維護(hù)；

三、不同模組功耗對(duì)比

（一）小數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)在線的功耗

小數(shù)據(jù)量通信，低頻次傳輸，但是又需要實(shí)時(shí)在線，方便手機(jī)或者其他上位機(jī)方便的控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

本章描述的是，基于實(shí)網(wǎng)環(huán)境下，每次通信100個(gè)字節(jié)， 為了保持TCP連接不斷鏈，幾分鐘和服務(wù)器通信一次。

1、測(cè)試條件

1， 供電電壓： 3.8V；

2， IO電平設(shè)置： 1.8V；

3， 固件版本： 截止到2024年9月30日的最新LuatOS固件；

4， 測(cè)試服務(wù)器： airtest.openluat.com, "2901"，回環(huán)測(cè)試；

5， 每次心跳的通信內(nèi)容：10字節(jié)字符串： "0123456789"，循環(huán)10次，一共 100字節(jié)；

6， 駐網(wǎng)頻段與駐網(wǎng)小區(qū)ID： B3頻段，小區(qū)id：153708387；

其他頻段的功耗，會(huì)略有差異，但是對(duì)于小數(shù)據(jù)量的傳輸場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，差異不會(huì)特別的大。

7， UART1串口波特率： 9600；

8， 信號(hào)強(qiáng)度： 實(shí)網(wǎng)環(huán)境， RSRP[-86，-88]之間；

9， 測(cè)試硬件： Air780E/Air780EQ/Air780EP/Air780EPS/Air700ECQ，通用全I(xiàn)O開(kāi)發(fā)板，2.1版本。

刪除了可能產(chǎn)生耗電的外設(shè)，比如 LED狀態(tài)燈。

2、影響實(shí)網(wǎng)功耗的主要網(wǎng)絡(luò)因素

在實(shí)網(wǎng)，實(shí)時(shí)在線，小數(shù)據(jù)量傳輸場(chǎng)景下，影響功耗的因素有很多，按照影響力從大到小排序， 分別是：

（1）心跳間隔時(shí)間

在蜂窩通信的場(chǎng)景下，為了保持終端和服務(wù)器之間的TCP鏈接不斷，

要定時(shí)和服務(wù)器之間有心跳包的通信。

這個(gè)心跳包的定時(shí)間隔，根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，不能大于5分鐘。

在不大于5分鐘的條件下， 心跳包間隔越長(zhǎng)， 功耗越低。

（2）實(shí)網(wǎng)信號(hào)強(qiáng)度

終端的4G信號(hào)強(qiáng)度越好， 說(shuō)明跟基站通信越容易。

因此終端就不需要用特別大的功率和基站通信，因此功耗就會(huì)比較低。

信號(hào)強(qiáng)度越差， 終端就需要用比較大的功率和基站通信，發(fā)射的功耗就會(huì)上升很多。

本文的測(cè)試數(shù)據(jù)， 是基于信號(hào)強(qiáng)度良好的情況下測(cè)試出來(lái)的，

這符合中國(guó)的4G信號(hào)的普遍情況。

如果你的設(shè)備是在地下室，偏遠(yuǎn)地區(qū)這些信號(hào)比較弱的場(chǎng)景，

那么實(shí)際的設(shè)備的功耗，會(huì)上升一些。

（3）網(wǎng)絡(luò)配置的 DRX 參數(shù)

在終端注冊(cè)到4G網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)自身的負(fù)載情況，下發(fā)一個(gè)DRX參數(shù)。

這個(gè)DRX參數(shù)的大概意思是，終端多長(zhǎng)時(shí)間醒過(guò)來(lái)去查詢(xún)一下無(wú)線信道，

看看網(wǎng)絡(luò)有沒(méi)有發(fā)什么通知給到終端。

DRX 參數(shù)越小，代表終端就會(huì)更頻繁的去查詢(xún)是否有網(wǎng)絡(luò)來(lái)的通知，功耗就會(huì)越大。

DRX 參數(shù)是網(wǎng)絡(luò)配置的，終端無(wú)法控制。

所以，當(dāng)你在實(shí)網(wǎng)中測(cè)試的功耗數(shù)據(jù)有差異的話，是正常的現(xiàn)象。

（4）終端注冊(cè)到4G的不同頻段。

國(guó)內(nèi)的4G網(wǎng)絡(luò)，有如下幾個(gè)：

B1，B3，B5，B8，B34，B38，B39，B40，B41。

終端會(huì)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的不同，選擇一個(gè)信號(hào)最好的頻段去駐留。

本文給出的數(shù)據(jù)， 是終端駐留到 B3 的數(shù)據(jù)。

其他的頻段的功耗數(shù)據(jù)會(huì)略有差異，對(duì)于小數(shù)據(jù)量通信的場(chǎng)景，差異不會(huì)很大。

3，TCP心跳5分鐘的功耗數(shù)據(jù)

780EPM 保持 TCP 連接， 5 分鐘心跳一次，

實(shí)網(wǎng)測(cè)試的功耗在 0.5毫安到 1.2毫安之間，

也就是 2毫瓦到5毫瓦之間。

780 系列的其他型號(hào)， 功耗和 780EPM 基本一致。

4，TCP心跳1分鐘的功耗數(shù)據(jù)

780EPM 保持 TCP 連接， 1 分鐘心跳一次，

實(shí)網(wǎng)測(cè)試的功耗在 1.1 毫安到 2.5 毫安之間，

也就是 4.5 毫瓦到 10 毫瓦之間。

780 系列的其他型號(hào)， 功耗和 780EPM 基本一致。

（二）長(zhǎng)時(shí)間休眠低頻次喚醒的功耗

在某些場(chǎng)景下，模組絕大多數(shù)時(shí)間深度休眠狀態(tài)， 幾個(gè)小時(shí)醒過(guò)來(lái)一次，

向服務(wù)器端發(fā)送報(bào)文，然后繼續(xù)深度休眠。

由于不存在TCP鏈接， 所以服務(wù)器端無(wú)法主動(dòng)向終端發(fā)送消息。

服務(wù)器只能等待終端主動(dòng)通信， 再通過(guò)回復(fù)消息，對(duì)終端做控制和參數(shù)配置。

所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的實(shí)時(shí)控制。

這時(shí)候，模組的平均功耗，是非常低的，只有幾個(gè)微安。

1、測(cè)試條件

1， 供電電壓： 3.8V；

2， IO電平設(shè)置： 1.8V；

3， 固件版本： 截止到2025年7月30日的最新LuatOS固件；

4， 測(cè)試服務(wù)器： airtest.openluat.com, "2901"，回環(huán)測(cè)試；

5， 每次終端醒來(lái)通信的內(nèi)容：

10字節(jié)字符串： "0123456789"， 循環(huán)10次，一共 100字節(jié)；

6， 駐網(wǎng)頻段與駐網(wǎng)小區(qū)ID： B3頻段，小區(qū)id： 153708387；

其他頻段的功耗，會(huì)略有差異，但是對(duì)于小數(shù)據(jù)量的傳輸場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，差異不會(huì)特別的大。

7， UART1串口波特率： 9600；

8， 信號(hào)強(qiáng)度：實(shí)網(wǎng)環(huán)境， RSRP[-86，-88]之間；

9， 測(cè)試硬件：Air700EPM 核心板。

刪除了可能產(chǎn)生耗電的外設(shè)，比如 LED狀態(tài)燈。

2、影響實(shí)網(wǎng)功耗的主要網(wǎng)絡(luò)因素

在非實(shí)時(shí)在線，深度休眠，定時(shí)醒來(lái)通信的通信場(chǎng)景下，影響功耗的因素，按照影響力從大到小排序， 分別是：

（1）定時(shí)醒來(lái)的間隔時(shí)間

深度休眠的功耗非常低，只有幾個(gè)微安。

醒來(lái)通信的功耗相比深度休眠，功耗高了至少百倍。

所以，醒過(guò)來(lái)的頻次越低，總體功耗就越低。

醒來(lái)的頻次越高， 總體功耗就越高。

（2）實(shí)網(wǎng)信號(hào)強(qiáng)度

終端的4G信號(hào)強(qiáng)度越好， 說(shuō)明跟基站通信越容易。

因此終端就不需要用特別大的功率和基站通信，因此功耗就會(huì)比較低。

信號(hào)強(qiáng)度越差， 終端就需要用比較大的功率和基站通信，發(fā)射的功耗就會(huì)上升很多。

本文的測(cè)試數(shù)據(jù)， 是基于信號(hào)強(qiáng)度良好的情況下測(cè)試出來(lái)的，

這符合中國(guó)的4G信號(hào)的普遍情況。

如果你的設(shè)備是在地下室，偏遠(yuǎn)地區(qū)這些信號(hào)比較弱的場(chǎng)景，

那么實(shí)際的設(shè)備的功耗，會(huì)上升一些。

定時(shí)醒來(lái)的越頻繁， 信號(hào)強(qiáng)度對(duì)功耗的影響越大；

如果一天只醒來(lái)一次， 功耗的消耗主要是休眠的功耗消耗，信號(hào)強(qiáng)度對(duì)功耗的影響就沒(méi)那么大了。

（三）Air780EPM/EHM 的低功耗教程

https://docs.openluat.com/air780epm/luatos/app/lowpower/sleep/

（四）Air780EHV 的低功耗教程

https://docs.openluat.com/air780ehv/luatos/app/lowpower/sleep/

（五）Air780EGH 的低功耗教程

https://docs.openluat.com/air780egh/luatos/app/lowpower/sleep/

（六）Air8000 系列的低功耗教程

https://docs.openluat.com/air8000/luatos/app/lowpower/sleep/

今天的內(nèi)容就分享到這里了~

審核編輯 黃宇