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合宙模组的功耗说明

一，合宙模组的低功耗特性概述

- 1. 低功耗是合宙 4G Cat.1 模组最重要的特性之一；

- 2. 合宙 4G Cat.1 模组有三种功耗模式，分别有各自的特点；

- 3. 合宙 4G Cat.1 模组优异的低功耗表现，既有硬件设计的加持，也有软件协议算法的帮助；

- 4. 不同的应用场景，按需选择不同的合宙 4G Cat.1 模组功耗模式，以及三种功耗模式之间的相互转换；

- 5. 除实验室数据外，合宙更关注实网环境下的功耗表现，呈现给用户的效果更多以实网在线表现为准；

二、三种不同的功耗模式

1， 三种功耗模式的简捷定义

合宙的模组有三种功耗模式， 分别是： 常规模式，低功耗模式，PSM+模式，定义如下：

- 1）常规模式；

网络在线状态，随时响应服务器命令，CPU满频运行，外设功能全部可用，比如，所有GPIO电平都可以控制；

- 2）低功耗模式；

网络在线状态，随时响应服务器命令，CPU降频运行，外设功能部份可用，比如，仅有AGPIO可以保持电平；

- 3）PSM+模式；

网络离线状态，无法响应服务器命令，CPU降频运行，外设功能部份可用，比如，仅有AGPIO可以保持电平；

2，三种功耗模式的细节差异

三种功耗模式的不同特性说明参见下表：

常规模式 低功耗模式 PSM+ 模式
4G在线状态 在线，长连接 在线，长连接 离线，飞行模式
CPU主频 满频 降频 降频
定时器唤醒 支持 支持 支持
中断唤醒 支持 支持 支持
服务器4G唤醒 支持，1秒内 支持，1秒内 不支持
串口唤醒 支持 支持，唤醒时串口波特率要用9600 支持，唤醒时串口波特率要用9600
上行发送 1秒内响应 1秒内响应 1.5秒内响应
VEXT电源输出状态 保持输出 不能保持输出，也不能保持关闭，间歇性输出状态 不能保持输出，也不能保持关闭，间歇性输出状态
所有GPIO管脚是否可以控制输出电平 可以 可以 不可以
常规GPIO管脚是否可以保持电平 可以 可以 不可以
特殊AGPIO管脚是否可以保持电平 可以 可以 可以
RAM供电及唤醒后软件运行状态 RAM供电，正常工作，满血状态 RAM供电，唤醒后保持原状态运行 RAM掉电，唤醒后程序从初始状态运行(PSM+状态前运行数据丢失)
典型功耗表现 较低,4.5mA,17毫瓦 均衡,0.3mA,1.1毫瓦 极低,3uA,11微瓦

上述表格的测试环境：

- 1)Air780EPS，供电电压3.8V，移动网络，频段B3，RSRP值-88附近，DRX 2.56秒，

   心跳间隔5分钟，心跳数据100Byte，TCP协议，合宙web服务器，回环测试；

- 2)Air780EPS，同等环境下，低功耗模式，DRX 1.28秒时，平均电流0.5mA，DRX 0.64秒时，

   平均电流0.7mA；

- 3)Air780EPS，同等环境下，常规模式，DRX 1.28秒时，平均电流4.7mA，DRX 0.64秒，

   平均电流4.9mA；

- 4)DRX，Discontinuous Reception，非连续接收，可简单理解为模块与基站之间保持心跳的间隔，

    一般为0.64秒/1.28秒/2.56秒，需要注意的是，DRX由基站根据网络实际情况而定，模组无法自行控制；

- 5)除Air724UG 和 Air795 外，合宙其它所有型号的4G Cat.1模组全部支持低功耗模式和PSM+模式;

- 6)Air780EPS 和 Air201 的功耗表现，在合宙所有模组里面最佳。

3，关于低功耗模式对 GPIO 影响的说明

合宙Air700系列/Air780系列模组在"低功耗模式/PSM+模式"下不同GPIO的功能表现不一致，

请务必根据产品定义所需严谨选择，避免改版；

根据不同GPIO在"低功耗模式/PSM+模式下"的不同表现，可以将GPIO分为四类：

- （1）AGPIO，有些文档中有时也会被写为AON_GPIO，AlwaysON，一直保持的意思；
    低功耗模式下既可以保持输出高，也可以保持输出低，但不能高低变换；

- （2）AGPIOWU，也可以写为AON_GPIO_WAKEUP，既能在低功耗模式下输出保持(输出高低都可以，但不能高低变换)，

   也可以在低功耗模式下作为中断；

- （3）WAKEUP，仅能作为输入，低功耗模式下可以作为中断；

- （4）普通GPIO，低功耗模式下既不能保持输出高，也不能保持输出低。

三、合宙不同模组功耗对比

（一）小数据量实时在线的功耗

小数据量通信，低频次传输，但是又需要实时在线，方便手机或者其他上位机方便的控制物联网设备。

本章描述的是，基于实网环境下，每次通信100个字节， 为了保持TCP连接不断链，几分钟和服务器通信一次。

1、测试条件

- 1， 供电电压：      3.8V；
- 2， IO电平设置：   1.8V；
- 3， 固件版本： 截止到2024年9月30日的最新LuatOS固件；
- 4， 测试服务器：    airtest.openluat.com, "2901"，回环测试；
- 5， 每次心跳的通信内容：  10字节字符串： "0123456789"，    循环10次，一共 100字节；
- 6，  驻网频段与驻网小区ID：   B3频段，小区id：  153708387；
    其他频段的功耗，会略有差异，但是对于小数据量的传输场景来说，差异不会特别的大。
- 7，  UART1串口波特率：         9600；
- 8，  信号强度：         实网环境， RSRP[-86，-88]之间；
- 9， 测试硬件：    合宙Air780E/Air780EQ/Air780EP/Air780EPS/Air700ECQ，通用全IO开发板，2.1版本。
      删除了可能产生耗电的外设，比如 LED状态灯。

2、影响实网功耗的主要网络因素

在实网，实时在线，小数据量传输场景下，影响功耗的因素有很多，按照影响力从大到小排序， 分别是：

（1）心跳间隔时间
在蜂窝通信的场景下，为了保持终端和服务器之间的TCP链接不断，

要定时和服务器之间有心跳包的通信。

这个心跳包的定时间隔，根据多年经验，不能低于5分钟。

在不大于5分钟的条件下， 心跳包间隔越长， 功耗越低。
（2）实网信号强度
终端的4G信号强度越好， 说明跟基站通信越容易。

因此终端就不需要用特别大的功率和基站通信，因此功耗就会比较低。

信号强度越差， 终端就需要用比较大的功率和基站通信，发射的功耗就会上升很多。

本文的测试数据， 是基于信号强度良好的情况下测试出来的，

这符合中国的4G信号的普遍情况。

如果你的设备是在地下室，偏远地区这些信号比较弱的场景，

那么实际的设备的功耗，会上升一些。
（3）网络配置的 DRX 参数
在终端注册到4G网络后，网络会根据网络自身的负载情况，下发一个DRX参数。

这个DRX参数的大概意思是，终端多长时间醒过来去查询一下无线信道，

看看网络有没有发什么通知给到终端。

DRX 参数越小，代表终端就会更频繁的去查询是否有网络来的通知，功耗就会越大。

DRX 参数是网络配置的，终端无法控制。

所以，我们就分别测试了所有的三种 DRX 参数的功耗，让大家有个基本的认识。

DRX 的三个参数分别为： 0.64秒，1.28秒，2.56秒，

下文分别记为 快速监听，中速监听，慢速监听。

这是我们自己发明的词汇，其他地方看不到，只是作为一个称谓，没有其他的含义。
（4）终端注册到4G的不同频段。
国内的4G网络，有如下几个：

B1，B3，B5，B8，B34，B38，B39，B40，B41。

终端会根据信号强度的不同，选择一个信号最好的频段去驻留。

本文给出的数据， 是终端驻留到 B3 的数据。

其他的频段的功耗数据会略有差异，对于小数据量通信的场景，差异不会很大。

3，TCP心跳5分钟的功耗数据

以下的数据， 都是按照快速监听，中速监听，慢速监听的三个数据的次序来排列。
（1）780EPS
0.73 毫安，  0.56 毫安，0.33 毫安；
 转换成毫瓦为：
2.77 毫瓦，  2.13毫瓦，  1.25毫瓦；
（2）780EP
0.88 毫安，  0.52 毫安，0.38 毫安；
3.34 毫瓦，  1.98毫瓦，  1.44毫瓦；
（3）780E和780EX
0.96 毫安，  0.59 毫安，0.46 毫安；
3.65 毫瓦，  2.24毫瓦，  1.75毫瓦；
（4）780EQ，700ECQ，700EAQ，700EMQ，780EEN，700EEU
1.07毫安，   0.93毫安， 0.51毫安。
4.07 毫瓦，  3.53毫瓦，  1.94毫瓦；

4，TCP心跳1分钟的功耗数据

以下的数据， 都是按照快速监听，中速监听，慢速监听的三个数据的次序来排列。
（1）780EPS
1.32 毫安，  1.07 毫安，0.82 毫安；
 转换成毫瓦为：
5.02 毫瓦，  4.07毫瓦，  3.12毫瓦；
（2）780EP
1,73 毫安，  1.38 毫安，1.06 毫安；
6.57 毫瓦，  5.24毫瓦，  4.03毫瓦；
（3）780E和780EX
1.76 毫安，  1.54 毫安，0.86 毫安；
6.69 毫瓦，  5.85毫瓦，  3.27毫瓦；
（4）780EQ，700ECQ，700EAQ，700EMQ，780EEN，700EEU
1.65毫安，   1.62毫安， 1.00毫安。
6.27 毫瓦，  6.16毫瓦， 3.80毫瓦；

（二）长时间休眠低频次唤醒的功耗

在某些场景下，模组绝大多数时间深度休眠状态， 几个小时醒过来一次，

向服务器端发送报文，然后继续深度休眠。

由于不存在TCP链接， 所以服务器端无法主动向终端发送消息。

服务器只能等待终端主动通信， 再通过回复消息，对终端做控制和参数配置。

所以无法实现对终端的实时控制。

这时候，模组的平均功耗，是非常低的，只有几个微安。

1，测试条件

- 1， 供电电压：      3.8V；
- 2， IO电平设置：   1.8V；
- 3， 固件版本： 截止到2024年9月30日的最新LuatOS固件；
- 4， 测试服务器：    airtest.openluat.com, "2901"，回环测试；
- 5， 每次终端醒来通信的内容：  
     10字节字符串： "0123456789"，    循环10次，一共 100字节；
- 6，  驻网频段与驻网小区ID：   B3频段，小区id：  153708387；
    其他频段的功耗，会略有差异，但是对于小数据量的传输场景来说，差异不会特别的大。
- 7，  UART1串口波特率：         9600；
- 8，  信号强度：         实网环境， RSRP[-86，-88]之间；
- 9， 测试硬件：    合宙Air780E/Air780EQ/Air780EP/Air780EPS/Air700ECQ，通用全IO开发板，2.1版本。
      删除了可能产生耗电的外设，比如 LED状态灯。

2，影响实网功耗的主要网络因素

在非实时在线，深度休眠，定时醒来通信的通信场景下，影响功耗的因素，按照影响力从大到小排序， 分别是：

（1）定时醒来的间隔时间
深度休眠的功耗非常低，只有几个微安。

醒来通信的功耗相比深度休眠，功耗高了至少百倍。

所以，醒过来的频次越低，总体功耗就越低。

醒来的频次越高， 总体功耗就越高。
（2）实网信号强度
终端的4G信号强度越好， 说明跟基站通信越容易。

因此终端就不需要用特别大的功率和基站通信，因此功耗就会比较低。

信号强度越差， 终端就需要用比较大的功率和基站通信，发射的功耗就会上升很多。

本文的测试数据， 是基于信号强度良好的情况下测试出来的，

这符合中国的4G信号的普遍情况。

如果你的设备是在地下室，偏远地区这些信号比较弱的场景，

那么实际的设备的功耗，会上升一些。

定时醒来的越频繁， 信号强度对功耗的影响越大；

如果一天只醒来一次， 功耗的消耗主要是休眠的功耗消耗，信号强度对功耗的影响就没那么大了。

3，各个模组的深度休眠定时醒来通信的功耗数据

以下的数据，醒来发送数据的时间间隔按照 1小时，4小时，12，24小时的测试数据来呈现。
（1）780EPS
34 微安，26 微安，7.5微安，5.86微安；
  转换成毫瓦为：
130 微瓦， 99微瓦, 29微瓦，  22微瓦；
（2）780EP
待测试；
（3）780E和780EX
待测试；
（4）780EQ，700ECQ，700EAQ，700EMQ，780EEN，700EEU
待测试；