一種電力巡檢終端設備的低功耗數據傳輸策略設計

柏帆，葛志峰，郭鵬程，裘森強，吳軍法

（1.寧海縣雁蒼山電力建設有限公司，浙江寧波 315615；2.國網浙江寧海縣供電有限公司，浙江寧波 315699；3.浙江黑卡電氣有限公司，浙江 杭州 311100）

隨著電子技術的發展，穿戴式設備逐漸應用于電力巡檢。以電力智能頭盔為例，其不但解放了巡檢人員的雙手，而且有效降低了勞動強度[1-2]。同時，這些設備可以將一線的巡視情況通過5G 或者WiFi隨時回傳，經過后臺信息處理后指導一線人員工作，進而提高了工作效率[3-4]。但終端設備的電源容量有限，如何高效利用能量以最大化網絡的生命周期是亟需解決的問題[5]。

目前，降低無線通信網絡中數據傳輸功耗的方法主要有增設中繼站、采用分簇協議、實施任務卸載策略等。以上方法雖能夠在一定程度上減少功耗，但存在著傳輸延遲、效率較低等問題[6-7]。為此，提出了一種電力巡檢終端設備的低功耗數據傳輸策略。在5G 通信網絡的基礎上，引入傳輸-空閑雙模式工作狀態，通過優化系統工作狀態降低系統耗能，實現低功耗、低延遲的數據傳輸。

1 新型電力巡檢終端設備

現有大部分電力智能頭盔均破壞了安全帽的基本安全結構，無法通過電力安全規范的認證，不利于推廣使用。同時，電力智能頭盔的觀測屏會遮擋部分視線，難以在行走時使用[8]。為此，設計了一種新型電力紅外智能眼鏡，將其安裝在安全帽外部。該眼鏡具備紅外測溫組件，既滿足安全性要求，又實現了電力巡檢設備的功能性，適用于電力巡檢的紅外智能眼鏡的硬件結構如圖1 所示。

圖1 電力紅外智能眼鏡的硬件結構

智能眼鏡的對外接口設計了紅外探測器、電池配件、安全帽安裝接口等，還預留有國家電網加密芯片等硬件資源。同時還兼容了熱像儀、5G 模塊等外設，電路部分精簡冗余，通過共用模塊實現了設備小型化。而且，設備各個模塊的信號不會相互干擾，具有良好的電磁兼容性，穿戴式的設計具有便攜性的特點。此外，采用5G 技術將現場的巡視情況隨時回傳至云端，后臺人員或專家庫可以指導現場人員工作，從而提高了工作效率。

由于電力紅外智能眼鏡主要裝配在安全帽上，因此還充分考慮了眼鏡模塊的配重，使其佩戴舒適。在不影響基本結構的基礎上，能夠滿足不同類型安全帽的應用需求。

2 基于5G技術的低功耗數據傳輸策略

電力紅外智能眼鏡為便于穿戴，整體小巧化，因此電源模塊的容量較小，功耗問題成了直接影響該終端設備實用性的關鍵技術難題[9-10]。為此，該文基于5G 傳輸技術設計了適用于電力巡檢終端設備的低功耗傳輸策略。

2.1 5G通信網絡的基本原理

第五代（5 Generation，5G）通信技術具備高帶寬、高可靠性、低延時、低功耗等特點，其包括了多個通信頻段。其中適用于廣域連接的頻段不超過6 GHz，適用于超高速通信的頻段為24～100 GHz[11]。5G 通信網絡的主體包含三部分：核心網(CN)、宏基站(MBS)與微基站(SBS)，其結構如圖2 所示。

圖2 5G通信網絡的結構

其中，CN 的功能是實現系統的整體管控及數據傳遞，把每個端口的數據請求與應答連接至相對應的網絡上。MBS 利用光纖或者是微波的模式與CN相連，并采用無線傳輸的模式把信息傳送到網絡內各個區域的MBS、SBS 和用戶。SBS 的信號發射功率比較低，且涵蓋的范圍較小，但足量的SBS 共同工作便可確保每個區域的信號強度，從而強化了無線鏈接的密度[12-13]。

在MBS、SBS 和用戶的無線通信中，數據傳輸速率較大程度上會受到多個因素的干擾，如信噪比等。根據香農定律便可確定數據傳輸速率的最大值，其數學表示如下：

式中，Vmax為傳輸速率最大值，單位是bps；W為信道帶寬，單位是Hz；PS、PN分別為信號和噪聲的功率，單位是W，兩者的比值為信噪比。

5G 技術的核心特征，如表1 所示。

表1 5G技術的核心特征

2.2 基于雙模式的低功耗數據傳輸策略

在5G 通信網絡中，當業務流需求不飽和時，接收機中可能存在沒有數據發送的情況，各個模塊均無需工作，且系統也不必額外消耗整個信號路徑中的傳輸信號功率[15-16]。為此，提出了傳輸與空閑的雙模式系統工作狀態，通過優化傳輸策略降低系統功耗。當存在待發送的數據時，系統處于傳輸模式；當不存在數據待發送時，系統處于空閑模式，或者是由傳輸模式切換至空閑模式。雙模式工作狀態的轉換流程如圖3 所示。

圖3 傳輸與空閑雙模式工作流程

根據雙模式傳輸特性，系統消耗的總能量包括固定功率、傳輸和空閑模式下的消耗功率，其數學表達式如下：

式中，Pc為與數據傳輸無關的固定功率；Ptr和Pfr分別為傳輸與空閑模式的功率；κtr和κfr分別為系統處于傳輸與空閑模式下的幾率；γ和γ0分別為信噪比及其閾值。

傳輸延時是關于數據包長度和鏈路傳輸速率的函數，由于其對于固定的包大小和傳輸速率具有確定的值，因此可以預先評估。相反，排隊時間本質上是隨機的。所以總延時是一個隨機變量，其均值為：

式中，τtr為確定性傳輸延時；為排隊延時的均值。

3 實驗結果與分析

實驗中，現場操作人員佩戴裝有電力紅外智能眼鏡的安全帽進行電力設備巡檢，采集現場設備信息，并基于嵌入式系統和FPGA 系統傳輸并處理紅外數據與5G 信號，以實現高效、可靠的電力巡檢。其中，裝配電力紅外智能眼鏡的安全帽實物圖如圖4所示[17-18]。

圖4 電力巡檢終端設備的實物圖

3.1 參數分析

由于信噪比會直接影響系統的數據傳輸速率，則閾值γ0的設定會存在一個最大值，以防止數據傳輸速率超過有效容量。采用能效評估所提傳輸策略的性能，其結果如圖5 所示。其中，能效為數據傳輸速率與系統總功耗的比值。

圖5 系統能效與信噪比閾值的關系

從圖5 中可以看出，隨著閾值γ0的增加，能效也在不斷增加，直至γ0達到最大值。當數據傳輸速率為1 519.7 kbps時，γ0的最大值是0.53；當數據傳輸速率為300 kbps時，γ0的最大值是1.73。與不存在傳輸策略（即γ0=0）的情況相比，對于傳輸速率分別為1 519.7 kbps 和300 kbps，能效分別提升了40.05%和588.97%。主要是因為所提策略中采用雙模式工作流程，能夠有效利用傳輸信道的時變特性，使更多的工作時間處于空閑模式，從而有效降低系統消耗的能量。

3.2 數據傳輸功耗對比

為了論證所提策略的低功耗性能，將其與文獻[6]、文獻[7]、文獻[9]進行對比分析。不同傳輸間隔時間內系統總功耗的結果如圖6 所示。

圖6 系統總功耗的對比結果

從圖6 中可以看出，數據包傳輸間隔時間越長，系統總功耗越大，而所提策略的功耗最小。當數據傳輸間隔為25 s時，系統功率大約為20 W。由于所提策略在5G 技術的基礎上采用傳輸-空閑兩種工作模式，而傳輸功率遠大于空閑功率，因此雙模式的使用較大程度上降低了系統功耗。文獻[6]通過對數據上傳路徑的節點喚醒時間的協調調度以減少功耗，但由于缺乏高性能的時間優化算法，因此整體性能不佳。當間隔時間為25 s時，系統總功耗超過200 W。文獻[7]基于簇協議、文獻[9]利用LoRa 調制技術實現了低功耗數據傳輸，雖能夠減少功耗，但由于沒有睡眠機制，當發送數據的間隔時間增加時，系統功耗會快速上升。

3.3 數據傳輸延時對比

由于系統處于空閑模式時，不存在傳輸延時，因此，該文只需要考慮傳輸模式下數據傳輸量大小對傳輸延時的影響。不同策略的數據傳輸延時對比結果如圖7 所示。

圖7 數據傳輸延時對比結果

從圖7 中可以看出，傳輸數據量的增加會導致延遲時間的增長，但所提策略的傳輸延時上升幅度最小且時間最短，不超過2 s。所提策略采用5G 技術，該通信技術傳輸速率快，且延時短。文獻[9]采用的LoRa 調制技術適用于長距離傳輸，但延時問題明顯，一旦傳輸數據量增加，其延時將快速上升。文獻[6]和文獻[7]采用的喚醒機制和簇協議均能在一定程度上減緩延時，但在數據量較大的情況下，所產生的延時均較高，其中文獻[6]超過了10 s。綜合來看，該文所提策略的整體性能最佳，在滿足低功耗的條件下實現數據的快速傳輸，符合電力巡檢終端設備的工作需求。

4 結束語

當電力員工在戶外巡檢時，需要長期佩戴安全帽，而紅外智能眼鏡的續航時間直接影響其的工作效率。為此，提出一種電力巡檢終端設備的低功耗數據傳輸策略，以最大化設備的使用時間。搭載新型電力紅外智能眼鏡的安全帽與后臺進行數據交互時，采用5G 通信技術，并設計了傳輸-空閑雙模式系統工作狀態以實現功耗最小化。利用所提策略進行現場實測的結果表明，不同傳輸速率對應的信噪比閾值不一致，需動態調整，且所提策略的總功耗隨著間隔時間的增長不超過20 W，而傳輸延時在數據量不超過10 GB 時小于2 s，均優于對比策略。

目前5G 技術在電力領域的應用仍處于起步階段，對于數據傳輸的穩定性仍有待論證。因此，接下來的研究中將重點關注數據傳輸的可靠性。