## 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。
![EdgeBus DTU power consumption.png](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/8b4139ba738bcaf2f1f177f85d6bd2fb.png)
## 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](https://www.semtech.com/design-support/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：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/b50c5f22c5abac68c5bd35a001763793.svg)
1. **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：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/8b69e57d5787c37c1b3d0a37ff35984e.svg)
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/8e121f55b02c6914db3c5bee79036d4a.png)
### 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：
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/9c4642c97b4dbdf25a6ca25ac06cc03e.svg)
**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：
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/8cd3eb24ff7b0e42c962578c87748686.svg)
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/c5831c3407cc7b392584827ceb8b7d79.png)

### 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：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/9f7171110ffcbb95200290e4a6e88f43.svg)
1. 其中：

**示例**： 外部设备工作电流为 10mA，则电池侧等效电流为：
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/326734816f33e509536339732fb26da6.svg)
- ![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/f99601f7064326d7fe30eed7e4cfe260.svg)：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


1. **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 (**![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/594b8ff1a464da177f7ecbb778940f23.svg)**)**：


![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/92b73ae059980ebee770696c25dba01a.svg)
- 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：


![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/d3cbd0b4adfbe830f8cb51846309cc19.svg)
- **示例 1 (正常情况)**： 波特率 = 9600bps，发送 8 字节，接收 20 字节。


![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/0231720c6755147343383151c9c57bea.svg)
- **加入预热时间 (**![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/8af8ef5af82d238a9345a33537c482f4.svg)**)**： 默认预热时间为 5ms。 总工作时间 (![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/fbf2feb63f0adca071a2fdbc60fb07ff.svg))：


![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/3066eee59871f32edb34bafb8c857f23.svg)
- **加入异常超时情况 (**![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/399e190c9b8258c6fc1ba1c5d7b10c46.svg)**)**： 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：


![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/2acda9e8130cc55081702863d0971b9d.svg)
- 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 (**![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/44ee960de4a8d0d05ea8688cd5762e83.svg)**)**：


![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/5b07a58f5dec5e834027f04e18a14069.svg)
1. **单次抄读能量计算**： 单次抄读电量消耗 (![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/aef4972a73473b35c9e0dc092931b0fa.svg))：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/0337007487ed6addec6062c6d5d5352e.svg)
1. 单位为 As (库仑)。换算成 mAh：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/e761bdaaebcd5d6141fe39faa537ba62.svg)
1. **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：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/235c27286c723758ab0a39ce226e85b2.svg)
1. 如果每天抄读 96 次 (每 15 分钟一次)：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/9c992dac43010e68af15e289da77b835.svg)
#### 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：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/cfd803c588828794ef46c07b96e1e6c7.svg)
1. 工作时间与外部设备通信时间一致。
2. **单次 RS-485 耗电**： 假设工作时间为 34ms (0.034s)。

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/784ead60bdc93af627f20b534574e358.svg)
#### 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**：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/5277c200cbea8f3c20e3d5737de9c573.svg)
1. 其中 ![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/c26464e12a7af433f3f5b8c9b72f302a.svg) 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：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/01b75bb9b17364a90f359584c79d99fc.svg)
1. **单次通信耗电**： 假设单次通信总工作时间 ![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/44ee960de4a8d0d05ea8688cd5762e83.svg) 为 34ms (0.034s)。

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/5cf2786196625e840255af6303476970.svg)
1. 如果每天通信 96 次：

![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/b4755b9365a3a7a81da6ecde59117cbe.svg)
### 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。
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/79d77f9faba06c9102d91bd6b59de576.svg)
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 ![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/548d7c764b5ada18ce737251b951b16a.svg)。
- **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 ![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/90e3675e0bd80996f6cb69fc639d071f.svg)。
- **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 ![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/1a1a39e8f7758ead54450c4e50fade67.svg)。

**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 ![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/dd95fb056e6d6f27541986db585336fd.svg)）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：
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8921672/a255c2f7da17fc3c57f270e8842ca05c.svg)
## 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。

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。

基于EdgeBus 的LoRaWAN DTU功耗计算

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本文详细介绍了基于EdgeBus的DTU设备功耗计算方法，包括基础功耗、SW模式、LoRaWAN通信和有线接口等各部分功耗组成及具体计算公式。通过准确评估不同工作模式下的功耗，可合理设计电池容量，延长物联网设备续航时间。特别说明了如何计算LoRaWAN发送功耗、有线通信功耗及电池寿命估算方法，为低功耗DTU设计提供实用参考。

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