張國偉

晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西晉中 030600

0 引言

低能量消耗、實時高效的無線通信技術(shù)可以提供更好的移動性能，使用戶能夠在移動中保持穩(wěn)定的連接，并獲得快速的數(shù)據(jù)傳輸，為移動設(shè)備用戶提供更好的用戶體驗和便利性。對于移動應(yīng)用來說，這種技術(shù)不僅滿足了用戶對移動性能的需求，還推動了創(chuàng)新應(yīng)用場景的發(fā)展，促進了數(shù)字化社會的進步[1-3]。

基于此，有學(xué)者提出一些研究方法。任拴哲等人[4]提出基于梯田通信模型的無線通信方法，將梯田通信勢能模型應(yīng)用到數(shù)據(jù)通信工作中，并使用即時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自適應(yīng)長度數(shù)據(jù)組包算法，進一步提升數(shù)據(jù)信號在實際工作中的通信傳輸效率。徐彬彬等人[5]提出基于能量補給的無線通信方法，通過對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的信息以及能量分配執(zhí)行有效優(yōu)化操作，將數(shù)據(jù)信號傳輸功率最小化，并將能量路由度量算法引入到數(shù)據(jù)信號通信傳輸工作中，將能量消耗最低的通信路徑當(dāng)作數(shù)據(jù)信號傳輸路徑，在保證數(shù)據(jù)信號傳輸能量消耗較小的情況下，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號傳輸工作。二者均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號無線通信傳輸，但是能量消耗較高，數(shù)據(jù)信號傳輸速度又不夠理想。

STM32 微控制器具有高性能、低功耗等優(yōu)點，將其應(yīng)用于實際數(shù)據(jù)信號通信工作中可以使數(shù)據(jù)信號以較低的功耗、更快的速度傳輸至上位機，實施相應(yīng)處理。為此，本文提出基于STM32 微控制器的低功耗無線通信方法，更好地滿足實際數(shù)據(jù)信號傳輸工作需要。

1 低功耗無線通信方法

1.1 基于STM32 控制器的低功耗無線通信方法架構(gòu)

運用合適的無線通信方法，將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)以較低功耗傳輸給上位機實施相應(yīng)處理是使實際工作能夠得以有效完成的關(guān)鍵。為此，在本文中充分利用STM32 芯片的低功耗優(yōu)勢，將STM32 控制器應(yīng)用于數(shù)據(jù)無線通信傳輸工作中，研究一種基于STM32 控制器的低功耗無線通信方法，其方法架構(gòu)如圖1 所示。

遠程數(shù)據(jù)采集器在采集完相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將所獲數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成能夠較好適應(yīng)無線傳輸工作的數(shù)據(jù)信號類型；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號經(jīng)傳輸數(shù)據(jù)處理器預(yù)處理操作，并由STM32 微控制器控制后，被發(fā)送給無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊，無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊在STM32 微控制器的調(diào)整以及控制下，以較低的能量消耗將數(shù)據(jù)信號發(fā)送至上位機實施相應(yīng)處理。其中，降低處理器和射頻模塊的工作頻率是一種有效的降低功耗的方法。通過動態(tài)調(diào)整時鐘頻率和采用適當(dāng)?shù)男菝吣Ｊ剑梢栽跐M足通信需求的同時降低功耗。具體而言，動態(tài)時鐘頻率調(diào)整可以根據(jù)實際通信需求和處理負荷的變化，靈活地調(diào)整處理器和射頻模塊的時鐘頻率。休眠模式則將處理器和射頻模塊切換到低功耗狀態(tài)，在待機或空閑時降低時鐘頻率甚至關(guān)閉，以大幅降低功耗。這樣的策略結(jié)合合理的任務(wù)調(diào)度和優(yōu)化算法，能夠減少處理器的工作時間，提高能源利用效率，延長設(shè)備的電池壽命，并為移動設(shè)備用戶帶來更好地使用體驗。應(yīng)用這一理念，可以在連續(xù)通信環(huán)境下顯著降低通信功耗，使其降低范圍一般在10 ～30 J 以內(nèi)。

1.2 基于STM32 控制器邏輯設(shè)計

設(shè)計數(shù)據(jù)通信微控制器可顯著提升其在數(shù)據(jù)信號無線通信控制方面的性能，以及其在數(shù)據(jù)信號無線通信工作中的穩(wěn)定性，使其更好地服務(wù)于對數(shù)據(jù)信號傳輸質(zhì)量要求較高的數(shù)據(jù)信號通信工作[6-7]。STM32 芯片將Cortex-M3 當(dāng)作核心，并擁有多種高性能的數(shù)據(jù)接口，使其可以適應(yīng)多種不同應(yīng)用程序[8-9]。為此，在本文中，使用STM32107 型號的芯片設(shè)計數(shù)據(jù)通信微控制器。STM32107 芯片架構(gòu)如圖2 所示。

STM32107 芯片主要由Flash 存儲器、SRAM 靜態(tài)隨機存儲器、總線矩陣、橋接模塊、多個直接DMA直接內(nèi)存訪問通道、USART 等多種數(shù)據(jù)接口構(gòu)成。相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信微控制器，其使用IEEE1588 以太網(wǎng)協(xié)議，并且內(nèi)嵌CAN 總線，因而具有超強的網(wǎng)絡(luò)連接性能，能夠為各種應(yīng)用程序的嵌入預(yù)留出足夠的CPU 空間。

1.3 提升小波與LZW 數(shù)據(jù)信號壓縮算法設(shè)計

對將要進行通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)合理壓縮，之后再通過使用無線網(wǎng)絡(luò)通信算法對其執(zhí)行有效的數(shù)據(jù)傳輸工作，可更為快速地將其發(fā)送至上位機進行相應(yīng)處理，從而顯著提升實際工作的效率[10-12]。為此，本文在傳輸數(shù)據(jù)處理器中應(yīng)用具有較好數(shù)據(jù)壓縮效果的提升小波與LZW 算法壓縮待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號。具體的數(shù)據(jù)信號壓縮流程如圖3 所示。

首先，對待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號利用提升小波稀疏分解操作，并利用分塊閾值法對小波系數(shù)估計與量化閾值，降低高斯白噪聲對待傳輸數(shù)據(jù)信號的不良影響，從而將有用的數(shù)據(jù)信息凸顯出來，增強數(shù)據(jù)信號在壓縮方面的性能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號初級壓縮；之后，量化編碼小波系數(shù)，并使用LZW 算法對小波系數(shù)執(zhí)行二次壓縮操作；完成數(shù)據(jù)壓縮工作后，利用數(shù)據(jù)傳輸算法將其傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點后，解壓縮數(shù)據(jù)信號小波系數(shù)，并實施數(shù)據(jù)信號重構(gòu)，完成數(shù)據(jù)信號通信傳輸工作。本文數(shù)據(jù)信號無線通信算法選用的是數(shù)據(jù)傳輸效果較好，且能量消耗較低的蟻群尋優(yōu)的無線網(wǎng)絡(luò)通信路徑選取算法。

1.4 基于蟻群尋優(yōu)的無線網(wǎng)絡(luò)通信路徑選取算法

通常，無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點會被安裝在比較隱蔽、較差的環(huán)境內(nèi)，因其能量有限，且電池不易更換或及時充電，若節(jié)點所擁有的能量被消耗殆盡后，無線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點將停止工作，致使無線網(wǎng)絡(luò)無法實施合理通信，所采數(shù)據(jù)信號傳輸失敗[13-15]。為了盡量降低無線網(wǎng)絡(luò)在實施無線通信時的能量消耗，盡量保持各節(jié)點能量均衡，延長無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的壽命，使所獲數(shù)據(jù)信號能夠順利被傳輸出去。本文在收獲相關(guān)數(shù)據(jù)信號后，在無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊使用基于蟻群尋優(yōu)的無線網(wǎng)絡(luò)通信路徑選取算法，完成相關(guān)無線通信工作，將所獲數(shù)據(jù)信號順利傳輸給上位機實施相應(yīng)處理。具體的工作流程如下：

（1）根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在實際無線通信過程中的能量消耗過程，找到所有源節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點的有效通信路徑，并構(gòu)建源節(jié)點至目標(biāo)節(jié)點的路由表格。路徑搜索過程為：

步驟1：將無線網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點分別標(biāo)記為vs、vd，由于蟻群算法在路徑尋優(yōu)工作方面具有絕對優(yōu)勢，將其應(yīng)用于該路徑搜索過程中，在vd處，派遣出一個用于路徑搜索的螞蟻，將該螞蟻標(biāo)記為Bs，并通過執(zhí)行廣播操作將其擴散至無線網(wǎng)絡(luò)中，由此，Bs會以各節(jié)點地址vi、跳數(shù)信息以及源節(jié)點地址vs為主要構(gòu)成，當(dāng)其在目標(biāo)節(jié)點處時，有vi=vd，并且此時跳數(shù)值為0；

步驟2：用vj標(biāo)記中間節(jié)點，其在接收到緊鄰vi節(jié)點的Bs以后，先辨別是否獲得了Bs，若未獲得，需在原有跳數(shù)基礎(chǔ)上增加一跳，與此同時，在路由表內(nèi)構(gòu)建一個表項，用于記錄vi以及跟跳數(shù)具有緊密聯(lián)系的信息素濃度；如果vj沒有獲取到緊鄰vi節(jié)點的Bs，那么可以當(dāng)成是vj已經(jīng)被轉(zhuǎn)發(fā)給螞蟻Bs，對其執(zhí)行刪除操作即可，避免發(fā)送的數(shù)據(jù)信號被循環(huán)通信傳輸，消耗過多能量，與此同時，用vj將螞蟻Bs中存在的vi替換掉，并將螞蟻Bs發(fā)送給其他緊鄰的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；

步驟3：連續(xù)不斷執(zhí)行步驟2 操作，一直到螞蟻Bs順利到達源節(jié)點vs為止。

通過以上3 個步驟便可獲取到vi到目標(biāo)節(jié)點vd的所有路徑以及各節(jié)點最初的信息素值，并構(gòu)建出不同節(jié)點的數(shù)據(jù)信號通信路由表格。

（2）數(shù)據(jù)信號最優(yōu)通信路徑選擇。在本文中，利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信號時，以信息素濃度以及局部剩余能量當(dāng)作有效選擇依據(jù)，挑選數(shù)據(jù)通信的下跳節(jié)點。以存在于節(jié)點vi的數(shù)據(jù)信號包為例，可利用式（1）計算挑選下跳節(jié)點vj的概率。

其中，pij(t)標(biāo)記的是節(jié)點vi挑選下跳節(jié)點vj的概率；hij(t)標(biāo)記的是vi到其緊鄰節(jié)點vj的信息濃度；ηij標(biāo)記的是vi到其緊鄰節(jié)點vj的歸一性質(zhì)剩余能量；α、β分別標(biāo)記的是hij(t)以及ηij的可調(diào)權(quán)重；t標(biāo)記的是時刻；hik(t)標(biāo)記的是vi到其緊鄰節(jié)點vk的信息濃度；ηik標(biāo)記的是vi到其緊鄰節(jié)點vk的歸一性質(zhì)剩余能量。hij(t)的求解過程用公式可描述成：

其中，Δh標(biāo)記的是螞蟻存儲的信息素量。

ηij的求解過程用公式描述為：

其中，Eiinitial、Eiremaining分別標(biāo)記的是vi的初始以及剩余能量。

在實際的數(shù)據(jù)信號通信工作中，如果α、β滿足α高于β，那么在進行數(shù)據(jù)信號通信時，挑選信息濃度高的傳輸路徑完成相關(guān)的數(shù)據(jù)信號通信工作，反之選擇局部剩余能量高的傳輸路徑完成相關(guān)的數(shù)據(jù)信號通信工作。具體流程如圖4 所示。

2 實驗與分析

以處于我國S 省T 市的某大型變電站中的主變壓器為實驗對象，應(yīng)用本文方法對所采集到的變壓器狀態(tài)信號實施無線通信傳輸，驗證本文方法的有效性。變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)信號主要包含電壓、電流、振動以及溫度信號。該大型變電站于2018 年9 月建成投產(chǎn)，它的建成使T 市實現(xiàn)了與其鄰市（G ?。┑碾娏ス?，形成了一個巨大的一體化電力網(wǎng)絡(luò)，并成為了540 公里輸電線路上的一個關(guān)鍵變電樞紐。該變電站年供電量可達23 億千瓦時，其中包含過網(wǎng)電量10.4 億千瓦時以及下網(wǎng)電量12.6 億千瓦時。該變電站擁有3 個電壓等級，分別是220 kV、330 kV 以及110 kV，其中，220 kV 的配電室有3 個，110 kV 的配電室有1 個，330 kV 的配電室有4 個。該變壓器2018 年3 月出廠，在出廠時，其各項參數(shù)指標(biāo)均符合出廠標(biāo)準(zhǔn)，但是為防止其出現(xiàn)運行故障，影響整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，經(jīng)管理人員商議，決定定期對其實施多種工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號采集，并將所獲數(shù)據(jù)信號通過無線網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至上位機，進一步實施相應(yīng)處理。無線網(wǎng)絡(luò)中，包含56 個無線傳感節(jié)點，各節(jié)點完全相同，節(jié)點位置隨機生成。主變壓器主要參數(shù)情況如表1 所示。

表1 變壓器主要參數(shù)情況

應(yīng)用本文方法對數(shù)據(jù)采集器采集到的變壓器振動數(shù)據(jù)信號實施低功耗無線通信傳輸，獲得的數(shù)據(jù)信號通信傳輸效果如圖5 所示。

從圖5 可以看出，應(yīng)用本文方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號無線通信傳輸，并且數(shù)據(jù)信號通信傳輸效果較好。傳輸前，待傳輸變壓器振動信號中含有一定數(shù)量的高斯白噪聲，經(jīng)本文方法通信傳輸后，變壓器振動信號中的高斯白噪聲降低了92%，主要原因是在利用本文方法對變壓器振動信號實施傳輸時，其在傳輸數(shù)據(jù)處理器中應(yīng)用了提升小波與LZW 算法，該算法在對數(shù)據(jù)信號實施初級壓縮時，有效濾除了數(shù)據(jù)信號中存在的高斯白噪聲。

為進一步驗證本文方法在數(shù)據(jù)信號無線通信傳輸方面的優(yōu)勢，繪制應(yīng)用本文方法對待傳遞的變壓器電壓信號、振動信號、電流信號以及溫度信號進行通信傳輸獲得的數(shù)據(jù)信號通信傳輸效果圖如圖6 所示。在本文實驗中，將無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量固定為56 個，節(jié)點位置隨機生成。

分析圖6 可知，應(yīng)用本文方法對待傳輸?shù)淖儔浩鞴ぷ麟妷盒盘?、振動信號、電流信號以及溫度信號進行通信傳輸時，即使在數(shù)據(jù)信號通信傳輸時間較長狀況下，無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點仍然具有較高的存活率，并且即使在要完成通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大時，通信傳輸數(shù)據(jù)信號所產(chǎn)生的延時以及能量消耗也非常低。雖然在通信傳輸變壓器溫度信號時，其數(shù)據(jù)信號通信傳輸?shù)难訒r、能量消耗較之其他3 種數(shù)據(jù)信號要高，無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活量也要更低一些，但其產(chǎn)生的能量消耗與通信傳輸延時最高也僅為20 J、0.15 s，無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的最低存活量也接近50 個。實驗證明，本文方法在數(shù)據(jù)信號通信傳輸方面優(yōu)勢顯著，將其應(yīng)用于實際工作，可收獲較為理想的數(shù)據(jù)通信傳輸效果。

應(yīng)用本文方法對待傳輸?shù)淖儔浩麟妷?、電流、振動以及溫度信號實施合理?shù)據(jù)壓縮，獲得的數(shù)據(jù)信號壓縮效果如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)信號壓縮效果

從表2 可以看出，應(yīng)用本文方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號壓縮，并且數(shù)據(jù)信號壓縮效果較好，將其應(yīng)用到數(shù)據(jù)信號通信傳輸工作中，可顯著提升數(shù)據(jù)信號通信傳輸?shù)男省?/p>

3 結(jié)束語

應(yīng)用本文方法可以有效通信傳輸變電站設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號，并且數(shù)據(jù)信號通信傳輸效果較好，其在變電站設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號通信傳輸方面的有效性主要表現(xiàn)為：

（1）應(yīng)用本文方法可實現(xiàn)變電站設(shè)備工作狀態(tài)信號通信傳輸，并且通信傳輸效果較好，通信傳輸后的數(shù)據(jù)信號中無高斯白噪聲存在，并且本文方法在延時與能量消耗非常低的情況下，便可將待傳輸?shù)淖冸娬驹O(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號實時高效通信傳輸至上位機，即使在通信傳輸時長較長的情況下，仍然具有較高的無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活率，可為實際工作提供可靠數(shù)據(jù)保障；

（2）應(yīng)用本文方法可以有效壓縮待傳輸?shù)淖冸娬驹O(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號，將其應(yīng)用于實際工作，可收獲更好的無線通信傳輸工作效果。

由于時間有限，只在電力領(lǐng)域?qū)Ρ疚姆椒ǖ挠行詫嵤┝蓑炞C，下一階段的研究工作中，將在工業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ρ疚姆椒ㄓ行詫嵤┻M一步驗證。