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地质环境监测设备无线低功耗技术及要点分析验证地质环境监测设备能够实现大范围、长时间的持续环境监测,然而大部分裂缝计、倾角加速度计、地下水监测仪等对安装环境有限制要求的设备,常采用电池供电方式,这种供电方式往往能量有限且更换困难,制约了无线环境监测系统的工作时长和传输性能,易造成传输距离短及数据丢包等问题,而无线监测网络的能耗一般消耗在节点发送数据、接收数据以及融合数据上,因此,进行环境监测设备无线传输低功耗设计,有效降低无线传输过程中的能量损耗,以提升新一代无线监测系统长期运行可靠性本文提出了IPV6协议应用设计、硬件集成低功耗设计、通信算法设计等一系列低功耗设计方案,为无线环境监测系统低功耗应用提供了新的技术思路,并搭建了验证平台进行了初步验证
一、IPV6的应用设计IPV6是人们发现IPV4的IP空间不够用时所发展的第二代协议,IPV6扩大了地址空间,由原本的32位的二进制变为了128位,使容量达到了2128个,其地址数量号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址,IPv6的使用,不仅能解决网络地址资源数量的问题,而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍因为IPV4地址的有限性和稀缺性,在IPV4时代的工业互联网中,几乎所有的物联网设备都只能获取一个内网地址,与其他设备或平台的通讯只能通过NAT来解决,但这大大降低了效率,由于NAT隔绝了终端和网络,所有数据和指令都需要通过多个NAT网关,很容易导致对象丢失为了解决这个问题,工程师和程序员都只能让物联网设备维持一个心跳,即让终端每隔一段时间就向主机发送一次指令,帮助主机随时定位和操纵终端,为了保持设备随时在线,心跳包的发送频率可能高达每秒数次这就大大增加了设备的功耗和网络负担,对于手机,几分钟发一个心跳包,耗电不算大,还能接受但对于电池供电的物联网设备,这个心跳包就非常耗电了首先,不能断开和基站之间的信号连接,信号一断,连接就断了其次,每次发送心跳包,需要大功率发射信号据相关分析研究,单位时间内发送心跳包而导致的能耗可达设备总能耗的40%以上,而解决这一问题的根本,在于推广和使用IPV6,而国家早已认识到了这一技术的重要作用,2021年工业和信息化部联合中央网络安全和信息化委员会办公室等七部委就联合发布了《物联网新型基础设施建设三年行动计划(2021—2023年)》,在里面的专栏6就明确了要推进IPV6的规模化应用・中华人民共和■中央人民政府X fIVU CttRMIkVVttlifiMitf rfi二旬h小it H2021-2073G**川图1物联网新型基础设施建设三年行动计划地质环境监测设备运用IPV6技术后,不仅可以大幅降低功耗,还能增强设备之间的联动,各设备之间可直接通讯,大幅缩短预警时间,提高系统可靠性(图2),因此,在地质环境监测设备中运用IPV6,可以有效降低设备能耗,实现超长时间待机声光棍警下的通讯路径IPV6和续航图2IPV4和IPV6数据通讯示意
二、低功耗硬件集成设计多级NAT在地质环境监测无线物联网硬件各模块中,主控和射频模块消耗的能量最多,因此,针对此问题采用可采用控制主板集成化设计,即少量MCU同时负担运算、存储、蓝牙、4G、NBiot通讯等多种功能,同时辅以动态电压调节来实现功耗最小化动态电压调节是在传感器网络运行过程中,节点可以针对负载较低的节点,自动降低处理器的运行频率与电压,以此来降低功耗当前,各大芯片厂商为拓展低功耗应用场景,大部分MCU都具有动态电压调节的功能例如笔者单位研发的一款雨量监测仪,以NRF52系列芯片作为主控MCU,除运行模式外,还有有两种电源模式SYSTEM_0N和SYSTEM_OFFo当系统空闲进入System On模式时,默认情况下将处于低功耗子模式,通常最低功耗为L9uA nRF52832或
1.5uAnRF52840,包括LFCLK和RTCSYSTEMJFF是深省电模式,工作电流为300nA nRF52832或400nA nRF52840,在该模式下,系统的内核和所有在运行的任务都会停止,也就是说时钟也停止可以直接控制POWER相关寄存器使系统进入System OFF模式,也可以通过API函数sleep_mode_enter或nrf_pwr_mgmt_run,此函数执行—WFE指令进入睡眠前清除所有事件,可以通过复位、GPIO中断或NFC信号增加100nA进行唤醒
三、低功耗通讯算法应用随着接入网络的IoT设备不断增多,IoT通信的高能耗已成为亟待解决的关键问题之一资源受限的IoT设备会显著影响系统的使用寿命,且IoT设备持续地通信也会大大增加碳足迹,因此需要研究低功耗的资源分配算法在蜂窝辅助IoT中,通过基站的蜂窝通信导致了巨大的能量消耗,IoT设备作为智能体,通过学习训练可以自适应调整发射功率从而降低干扰和功耗例如综合考虑干扰约束、服务质量和发射功率,构建IoT设备通信的总功率最小化问题,研发智能的低功耗资源分配算法,基于深度神经网络Deep NeuralNetwork,DNN的压缩网络和功率分配网络,可以实现环境状态信息的压缩和IoT设备的发射功率分配,从而降低了IoT设备的总发射功率,减少了计算时间,设备总功率可降低10%以上
四、实验平台的搭建及验证基于以上低功耗解决方案为导向,笔者搭建了一套新型低功耗压电式雨量计实验平台主控单元MCU采用NRF52840蓝牙一体化模组,通过RS485接口实时采集雨量传感器信号,同时采样系统电压和电流情况,实时记录统计容量,保存数据系统的数据传输支持两种方式BLE蓝牙通信和4G无线通信BLE蓝牙通信基于NRF52840内置蓝牙功能实现,主要应用于系统与本地手机APP通信无流量消耗4G无线通信是基于CAT1模组A7680C,可与物联终端服务器实现双向交互经过测试,该雨量计工作电流在3mA左右,发送信号时的峰值电流约30mA,使用一块60AH的胶体电池,可满足2-3年的使用要求,配合小容量太阳能电池可达到更久续航。