面向軌道交通監測的低功耗物聯網數據分發系統

張宏北，王曉懿

(北京工業大學，北京 100020)

1 概述

隨著物聯網技術的不斷發展，越來越多的設備正逐步向微型化、便攜化、低功耗方向轉型，其中也包括軌道交通監測設備，而轉型的結果，導致其對于傳統通信系統的功耗要求越來越嚴格，然而監測設備使用的傳統通信系統是基于數據分發服務實現，其在提供穩定的網絡傳輸性能時，會相應的產生較大能耗，而如果通過減少服務從而降低設備功耗，又會無法保證穩定的傳輸。因此，如何在保持或適當降低原有網絡性能的同時，盡可能減少功耗便成為當前十分重要的研究問題。

2 物聯網數據分發系統功耗優化設計與實現

為使應用于物聯網中的數據分發系統能夠較好的保證傳輸性能的同時，降低設備的功耗，本文基于數據分發服務實現了物聯網數據分發系統，并且為降低系統功耗對服務進行了優化。

由于數據分發服務規范中各模塊和接口定義是固定的，不能修改其結構，但是可以增加新的內部功能。本文依據規范以及系統需求提出了幾點系統低功耗運行的方案，以延長設備使用時間。

2.1 系統架構

系統架構由上到下主要分為發布訂閱層、數據分發協議層和傳輸層，如圖1 所示，其中低功耗設計將在數據分發協議層和傳輸層中進行。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

以數據為中心的發布訂閱層為數據分發系統的核心功能層，主要負責對上層應用提供發布訂閱功能，支持用戶通過該層提供的接口自定義主題和服務質量等基礎設置，并將相關的信息存儲在內部的數據結構中，為下層的行為提供數據基礎。

數據分發協議層為數據分發系統實際上執行發布訂閱層功能的實現層，主要負責接收發布訂閱層傳遞來的數據包，將其按照數據分發協議進一步打包后交給傳輸層發送。獲取傳輸層接收到的消息，進行解析，將解析出的數據包上傳給發布訂閱層。不論是執行發送還是接收，該層都會保存一份數據包的副本作為歷史記錄，以備出現由于網絡異常而重新發送消息等不時之需。

傳輸層為數據分發系統提供網絡通信的功能，負責將數據從物理層面上由發送端發送給接收端的過程。

2.2 傳輸插件框架

在物聯網數據分發系統中，傳輸層負責實現具體的數據發送和接收行為。為使系統能夠接入并支持多種傳輸方式，例如UDP、TCP 等，系統中為傳輸層引入了傳輸插件框架，該框架為不同的傳輸方式定義了統一的接口，便于傳輸層內部的調用和管理，并且在需要支持新的傳輸方式時，僅需實現傳輸插件接口即可，減小了對原有程序的修改。這也為系統接入物聯網通信技術奠定基礎。

2.3 低功耗優化設計

2.3.1 睡眠喚醒機制

物聯網數據分發系統的數據分發協議層是真正處理數據交互的實現層，其中的自動發現協議在正常通信時會頻繁地發送PDP 消息，而對于物聯網設備尤其是電池供電的設備來說，頻繁的通信會增加功耗，從而減少設備使用時間。因此，為降低此類功耗，本文將適當增加發送心跳（Heartbeat）時間間隔以及判斷離線時間上限的方式來降低功耗。

此外，在發布方和訂閱方建立連接后，在消息傳輸協議的影響下，發布方還需要定時發送心跳消息來確認對方的消息接收情況，而訂閱方收到心跳后會立刻回復確認消息（AckNack），在低功耗設備的通信間隔過長，而定時心跳間隔小于交互間隔時，就會多出很多無效確認，從而產生額外功耗，因此此處將定時發送改為跟隨上一個數據一并發送，在上一個數據發送后立刻進行確認，這樣既可以減少定時發送功耗，也能夠去除無效確認。

盡管通過降低工作頻率一定程度降低系統功耗，但如果節點之間交互時間過長，即使工作頻率降低，仍會出現功耗的浪費，因此考慮在通信周期較長的情況下加入睡眠喚醒機制。

本系統設計的睡眠喚醒機制處于數據分發協議層，具有兩種模式：一種是正常運行模式，一種是睡眠模式。正常運行模式即系統處于正常運行的狀態，同時工作頻率為低功耗設計的頻率；睡眠模式下，系統作為發布方會停止所有自主發送消息的功能，如自動發現心跳功能，作為訂閱方會停止內部定時檢查功能以及除自動發現模塊外的所有接收功能。低功耗設備中，兩種模式會交替運行，從而降低系統功耗。由于發布方和訂閱方的功能不盡相同，如圖2 所示，分別展示了兩個角色運行流程。

圖2 流程Fig.2 Flowchart

當系統作為發布方并處于正常模式時，如果很長一段時間沒有收到應用傳來的數據，會轉換到睡眠模式，并通知所有建立連接的訂閱方自己是睡眠，而不是下線。當處于睡眠模式時，如果收到上層應用發送數據的事件，則會再轉回正常模式，并通知訂閱方自己重新開始發布消息。

而當系統作為訂閱方并處于正常模式時，如果很長一段時間沒有收到任何發布方的消息，或者上層傳來的數據，則進入睡眠模式，同樣需要通知所有建立連接的發布方，自己進入睡眠模式。當處于睡眠模式時，如果收到發布方傳來的消息，或者應用主動喚醒，則轉回正常模式，并且通知發布方自己重新開始接收消息。

最后，當系統同時作為發布方和訂閱方并處于正常模式時，只有同時符合上述提到的兩條睡眠條件時，系統才會進入到睡眠狀態。而處于睡眠狀態時，只要滿足上述提到的任意一個喚醒條件時，即被喚醒，并正常運行。

該機制既從根本上解決了發送心跳功能引發的功耗浪費問題，又不會完全停止系統分發與接收功能，導致無法喚醒。

2.3.2 NB-IoT通信協議設計

NB-IoT 窄帶物聯網通信是一種相比通用物聯網，具有更低成本、更低功耗、更強覆蓋等特性的技術。其低功耗模式更是能夠將通信層面的功耗降到uA 級。而由于其功耗低，不可避免地傳輸效率就會相對較慢，上行平均160 kbit/s，下行200 kbit/s，因此適用于少量數據的交互。比如說某一輛車狀態信息的采集，只需要很少的數據即可表示車輛狀態，在該場景下窄帶物聯網通信的延時能夠接近通用網絡。

綜上所述，本節將為系統傳輸層接入NB-IoT窄帶通信技術，在物聯網設備工作頻率低，且交互數據微量的情況下，系統可以使用該通信技術代替通用網絡，從而更好的降低設備功耗。

但是，由于NB-IoT 的低功耗模式位于傳輸層，而前面系統睡眠喚醒機制位于數據分發協議層，因此需要對兩種機制進行適配。

NB-IoT 協議支持3 種省電模式：省電模式(Power Saving Mode，PSM)、不連續接收模式（Discontinuous Reception，DRX），擴展不連續接收模式（Extended DRX，eDRX）。其中本文使用的NB-IoT 模組采用了PSM 和eDRX 來節省功耗。

PSM 下，NB-IoT 模塊不會檢測是否有數據到達，只有在設備主動發送數據時，模塊才會進入連接狀態，此時可以接收數據，并且PSM 的周期TAU（T3412）是運營商下發的，無法配置。因此，該模式不適用于系統單獨作為訂閱方的情況，因為進入PSM 后無法被遠程喚醒，而系統作為發布方時，由于該模式支持主動發送數據，因此睡眠喚醒條件基本不變，為防止在發現時由于網絡原因導致設備提前進入低功耗模式，模式的開啟也由睡眠喚醒機制觸發。最后，當系統同時作為發布方和訂閱方時，該模式只有發布數據或者TAU 結束時才會進入連接狀態，因此系統進入睡眠以及喚醒模式的條件將以單獨作為發布方的條件為準。PSM 運行如圖3 所示。

圖3 PSM模式Fig.3 PSM mode

eDRX 模式下，NB-IoT 模塊會周期性地監聽是否有數據到達，周期內有一個尋呼時間窗口，在此期間設備可以通過模塊接收數據并處理相應的業務，其余時間模塊將處于休眠狀態，不接收任何數據，eDRX 運行周期如圖4 所示。其中時間窗口和周期都是可調節的，因此，該模式能夠兼顧低功耗和對時延有一定要求的業務，無需像PSM 一樣只有發送數據才能接收數據。該模式支持系統作為任何角色進行發布訂閱過程，但是系統無法在該模式處于休眠狀態時進行通信，因此本文適當調整模塊的尋呼周期以及系統睡眠喚醒機制的等待時間，令eDRX 周期與系統判斷離線時間相同，這樣正常通信時可以在判斷超時之前接收新的PDP 消息，使得系統的睡眠喚醒過程能夠及時通知域中的其他節點，最大程度地平衡時延以及低功耗需求。

圖4 eDRX模式Fig.4 eDRX mode

3 系統實驗與結果分析

在寬帶網絡條件下，本文提出的物聯網數據分發系統與傳統通信系統實現差別不大，因此雙方在傳輸性能方面的差距可以忽略不計，本章著重展示系統功耗優化效果。

為保證使用NB-IoT 在降低系統功耗的同時不會過多的損耗通信性能，首先驗證在少量數據交互且頻率較低時，使用NB-IoT 及帶寬受限以太網的兩種情況下，通信效率無顯著差異。選定數據采集應用作為監測應用、本文設計的物聯網數據分發系統作為底層通信系統，測試兩種網絡情況下的傳輸延時，測試結果如表1 所示。

表1 兩種網絡延時對比Tab.1 Comparison between delays of the two networks

由表1 可知，NB-IoT 與受限帶寬的平均延時差距為72 ms。根據實際應用需求，通信延時差距在100 ms 以內是可以接受的，延時差距可忽略不計。因此在上述場景下，可以使用NB-IoT 技術代替帶寬受限的以太網進行通信，來更好的降低系統功耗。

為驗證系統功耗，本次實驗選擇帶有藍牙通訊的數顯usb 電流電壓檢測儀，其能夠在數顯屏幕上顯示出實時的電流電壓值。實驗中將根據某一時刻的(電流×電壓)計算出功率來展示系統的實時功耗。測試平臺采用樹莓派。在樹莓派中運行數據采集應用作為軌道監控應用。

測試時，數據采集應用將分別使用傳統的通信系統以及本文研究的物聯網數據分發系統進行通信。通過對比實驗結果，檢驗數據分發系統降低功耗的效果。為使功耗的變化與節省程度更加明顯，樹莓派待機功耗如圖5 所示，作為之后分析的基準。

圖5 樹莓派待機功率Fig.5 Standby power of Raspberry Pi

根據圖5 可知，樹莓派待機時消耗的功率基本維持在1.4 W 以下。

1）睡眠喚醒功耗測試

為了證明本文設計的睡眠喚醒機制能夠有效的降低功耗，本文針對傳統通信系統以及使用睡眠喚醒機制后的系統功耗分別進行測試。

測試環境設定：采用帶寬受限以太網作為網絡環境、UDP 作為通信協議、低功耗的系統運行模式。

系統參數設置：傳輸模式選擇可靠傳輸，以驗證心跳/確認消息優化是否正常運作。自動發現消息的發送頻率設置為20 s，進入睡眠時間設置為40 s，檢查時間TIMER-C 設置為20 s，超時時間TIMER-O 設置為1 min，信 息采集間隔為20 s。在本文研究系統運行期間，發送方采集一次數據之后暫停40 s，讓系統進入睡眠狀態，等待1 min 后繼續采集，喚醒系統，接收方只需要接收數據，即可被動執行睡眠和喚醒。

通過多次實驗取平均值，得到的系統功耗對比如圖6 所示。

圖6 系統睡眠喚醒功耗對比Fig.6 Comparison between power consumption of sleep wake-up mechanism

由圖6 可知，20～80 s 是系統正常運行產生的功耗，由于減少了PDP 消息以及心跳消息發送頻率，系統在正常運行的情況下會比傳統通信系統的功耗稍低，但未滿足監測應用對于低功耗的需求，說明僅降低工作頻率是不夠的。在80～140 s 系統進入睡眠模式后，功耗得到明顯的降低，相比傳統通信系統，節約了36%。說明睡眠喚醒模式的設計確實能夠有效地降低功耗，滿足物聯網系統的需求。

2）NB-IoT 功耗測試

此部分測試中，應用通信網絡設置為NB-IoT，通信協議設置為udp，系統參數設定不變。對于NB-IoT 的低功耗設置，其中PSM 無需設置周期，對于eDRX 模式，根據運營商給出的時間表設置eDRX 的周期為20.48 s，PTW 為5.12 s，并以此為基礎修改系統內部定時器，其中超時時間與eDRX 相同，定時檢查時間與PTW 相同，這樣可以使訂閱方接收喚醒消息的延時降低，并且防止將遠端睡眠狀態中的發布方信息刪除。

此部分的對比測試使用的是上一部分的數據采集應用以及使用了睡眠喚醒機制的數據分發系統，來檢驗適配了NB-IoT 低功耗模式的數據分發系統對于功耗優化的效果。最終系統功耗對比如圖7 所示。

圖7 NB-IoT低功耗模式對比Fig.7 Comparison between NB-IoT low-power modes

由圖7 可知，系統在使用NB-IoT 通信時，進入睡眠模式后，NB-IoT 模塊也進入休眠，此時消耗的功率最低。在PSM 模式下，相比傳統通信系統節省了48%左右的功耗，同時比單獨使用睡眠喚醒機制的系統節省了12%的功耗。由于eDRX 模式下的NB-IoT 模塊在睡眠期間仍舊會輪詢監聽是否有下行數據，因此比PSM 模式的功率消耗略高，但仍舊比傳統通信系統節省了46%的功耗，說明系統睡眠喚醒機制與NB-IoT 低功耗模式相配合能夠更好的降低軟件的功耗。

4 結束語

本文提出低功耗物聯網數據分發系統，能夠在提高設備傳輸性能的同時，延長其使用壽命。本研究以數據分發服務規范為基礎，設計了新的數據分發系統，加入插件框架，使系統在提供高效的數據分發功能的同時，能夠讓設備更方便的加入到新的網絡架構中進行通信。針對低功耗設備，設計睡眠喚醒機制，并且額外接入了窄帶物聯網NB-IoT 通信技術，將其低功耗模式與系統的睡眠喚醒機制進行了適配，使低功耗設備在面對不同的通信場景時能夠靈活的切換通信方式，最大程度的降低系統功耗。