基于SoC 架構的低時延智能物聯代理裝置設計

王艷茹，李溫靜，歐清海，馬文潔，佘蕊

（1.北京中電飛華通信有限公司，北京 100070；2.國網信息通信產業集團有限公司，北京 100052）

物聯代理裝置具備數據采集和通信服務的能力，內部包含物聯網代理機構和物聯網終端裝置。隨著科技的發展，物聯代理裝置在綜合能源服務中的應用越來越廣泛，且正在向著應用場景多樣化、參與對象普遍化等方向發展，這也對物聯代理裝置的運算能力和安全能力提出了更高的要求。在現有的物聯代理裝置中，信息交流過于依賴通信網絡，控制信息需要花費大量的時間才能實現交互，由于物聯網業務內部包含多種業務邏輯，因此必須要具備較強的實時性信息交互能力才能滿足用戶要求，但是就目前來看，物聯代理裝置的實時性難以保障，代理裝置在工作過程中極容易受到無線環境和網絡負載的影響，甚至運營節點會出現數十秒以上的延時，信息難以實時送達，物聯網業務工作質量受到嚴重影響。一旦代理裝置延時過高，通信網絡就會失效，數據通信之間的壓力更大，增加了運營成本[1-2]。

針對代理裝置延時過高，目前相關領域學者進行了較多研究。以往學者通過改變物聯網中間節點實現信息匯聚和整合，減少數據訪問量，建立安全通道，從而節省網絡資源，提高數據運行的可靠性。但是這一問題沒有考慮數據在網絡之間交接和數據與基站連接過程產生的延遲，雖然能夠具備一定的優化能力，但是優化效果難以達到理想效果[3]。除此之外，還有學者提出通過建立服務器鏡像將數據分散，利用多鏡像分解原理提高數據通信效率，降低通信延遲，但是此種方法只適用于同一網絡進行數據交互，不適合網間數據傳送，鏡像信息的引入為外界數據攻擊提供了更多的可能，安全性較差[4]。

為此，文中提出基于SoC 架構的低時延智能物聯代理裝置設計，并將低時延智能物聯代理裝置應用于風力發電廠中，驗證其實際工作效果。

1 裝置結構設計

SoC 架構能夠將物聯網內部的處理器、儲存器和轉換器集成，通過定制硬件提高系統的計算能力，降低系統功耗，解決軟件程序難以完成的各種問題，提高裝置的工作性能[5-6]。文中設計的SoC架構如圖1所示。

圖1 SoC架構

觀察圖1 可知，文中設計的SOC 架構能夠很好地將指令集和數據集分開存儲，內部通過SRAM 進行數據程序編輯，設置的儲蓄空間能夠達到256 GB，數據空間能夠達到128 kB[7-8]。在數據運行過程中，SRAM 會出現掉電操作，數據一旦丟失就會影響整個裝置的正常運行，因此需要加入FLASH 芯片存儲內部程序數據，通過SRAM 連接上電裝置，完成上電操作。利用擴展接口連接外部，得到空間數據，同時配置PLL 完成時鐘倍頻操作，從而得到更高頻率的工作時鐘，利用APB 連接ADC 控制模塊，實現FPU浮點運算，同時在SoC 架構上配備定時器、串口模塊以及看門狗等其他模塊，與DMA 連接。架構內部利用AndesCore N10 進行數據處理。該芯片作為處理器軟核，是一款32 位高性能處理器，能夠很好地完成數據音頻分析，通過自動化控制確保電池信息能夠順利傳送電量[9]。

裝置內部處理器采用N1068A-S 處理器，N1068A-S 處理器結構如圖2 所示。

圖2 N1068A-S 處理器結構

采用五級流水線結構進行不同格式數據指令連接，通過32 bit 寄存器進行數據計算，裝置內部采用DSP 延伸指令與處理器接口連接，通過不同的地址空間支持各種不同的數據總線。在加入N1068A-S 處理器后，SoC 架構的性能更好，系統通過AndeStar?V3 ISA 完成程序代碼操作，通過數據延遲分析加快數據控制，提高控制效率，存取各種數據，改善實時信息，實現信息終端的數據讀取，改善數據延遲過高這一問題[10-12]。通過先占式數據中斷得到信息輸入結果，設定嵌入式程序，得到不同的跳躍位置信息，通過信息優化，實現不同終端的數據存儲。系統內部的ADC 模塊能夠進行信息輸入，內部控制器進行數據中斷判斷，完成信息采集，平均設定SRAM 的數據字節，從而存放各種不同語音數據，完成數據復位。

在SoC 設置片上總線，通過IP 連接，進行高速互聯和數據傳輸，將ARM 公司處理器內部IP 應用到SoC 架構上，采用AMBA3.0 規范中的AHB-Lite 總線完成數據連接，確定數據主設備，確保信息能夠突發傳輸，完成設備高效連接。通過AHB-Lite 總線連接各種不同的數據信號、內部地址信號和讀寫數據信號完成數據傳輸，利用地址譯碼器篩選設備中的信號，實現數據響應和輸出，將接收的信息傳輸到接收端口。

2 軟件程序設計

在完成裝置硬件設計后，針對裝置軟件進行程序設計，首先進行初始化程序設計，將系統程序分為中斷程序和主程序，通過ADC 觸發內部中斷程序完成各項操作，如果主進程處于運行模式，一旦接收到ADC 中斷命令，就會自動轉接到中斷程序，直到中斷程序完成各項操作之后才能運行主程序繼續執行命令。利用VDA 函數對數據進行識別，確定數據特征，將識別的數據特征輸入到隊列內部，從而形成一個完整的指令集，實現圖像處理。

2.1 初始化程序

在完成上電操作后，裝置進行初始化配置，確定時鐘參數、硬件浮點運算參數，并針對ADC 和信息存儲實現初始化，建立相關模型，形成一個完成的HMM 鏈，在完成中斷進程后，裝置內部的主程序開始運行。

2.2 通信程序設計

通過通信管道完成中斷程序和主程序之間的通信，建立通信隊列，傳遞兩個系統之間的通信數據，確定數據特征，得到圖像信息，分析不同通信數據的MFCC 特征。根據數據傳輸類型，進行主進程數據分析，在主進程開始隊列操作時，自動添加臨時屏蔽操作，防止外界數據入侵，影響數據通信。通信過程的通信時延計算公式如式（1）所示：

其中，T表示通信過程中產生的通信時延；Tm表示通信數據在傳輸過程所耗費的時間；Tn表示裝置內部無線信號傳輸產生的時延；Ti表示數據處理所耗費的時間；Tj表示數據在進行排隊等待所耗費的時間。

由于通信時延在不同節點中產生，因此需要計算所有數據節點產生的時間，從而判斷通信時延。

2.3 中斷程序設計

通過ADC 設計中斷程序，讀取內部信息特征，提取MFCC 數據，通過信息控制，清除內部的中斷信號，建立數據分割點，將分割點通過Pipe 發送給主程序，實現VAD 數據檢測，從而將數據傳送給主進程。中斷函數如式（2）所示：

其中，f(m)表示中斷程序；S(m,j)表示通信數據m和隊列數據j在S傳感器接收到的命令；D(m,j)表示傳感器D接收到的命令。

2.4 主進程設計

主進程主要負責數據識別和圖像匹配，確定內部指令數目，分析信息特征，將特征信息轉換成指令數據[13-15]。數據跟蹤公式如式（3）所示：

其中，E表示跟蹤結果；e表示無線電系數；k表示接收到的無線電信號；u表示設定閾值；d表示能耗信號。為了增強代理裝置的魯棒性，確定數據輸出的穩定度，分析數據在識別過程是否存在波動[16]，設置閾值，進行數據識別，判斷數據指令，分析數據幀數，實現信息代理。

3 實驗研究

為了驗證文中基于SoC 架構設計的低時延智能物聯代理裝置的實際應用效果，進行實驗驗證，將物聯代理裝置連接于風力發電廠中，分析代理裝置的實際工作效果。

將文中設計的物聯代理裝置連接到風力發電廠中，連接圖如圖3 所示。

圖3 風力發電廠連接圖

觀察圖3 可知，文中設計的物聯代理裝置同時與第一網絡的第一代理模塊和第二網絡的第二代理模塊連接，通過中低端采集進行數據接收。數據延遲時間實驗結果如表1 所示。

表1 數據延遲時間實驗結果

根據表1 可知，設定的工作時間為60 min，隨著工作時間的增加，文中裝置的工作能力逐漸凸顯，在未加入裝置前，最高延遲時間可以達到58.96 s，系統的運行狀況受到嚴重影響，而加入文中裝置后，數據的延遲時間可以縮減90%以上，系統的整體工作能力提高顯著。

丟包率實驗結果如表2 所示。

表2 丟包率實驗結果

根據表2 可知，與未加入物聯代理裝置相比，加入后丟包率大大降低，系統運行過程的安全性能夠得到很好的保障。

根據上述研究結果可知，電力行業在引入文中設計的物聯代理裝置后，數據延遲時間和丟包率都有所降低，與未引入裝置相比，延遲時間至多減少了50 s，系統在運行過程中，穩定性高達99%。在運行過程中，風力發電廠的能源綜合服務數據量相對較大，而引入文中裝置后，采集時間明顯減少，運營商成本大大縮減，由此可見，文中設計的裝置能夠很大程度保證風力發電廠的能源綜合服務安全。

為更深入驗證裝置效果，分析風力發電廠內部物聯網傳感節點，對物聯網傳感節點進行采集，由于采集的所有數據都會匯總到物聯網網關內部，因此必須要保證并網送電量的穩定性。將文中設計的裝置連接在第一代理模塊和第二代理模塊中，對數據進行控制，分析控制過程的穩定性。得到的實驗結果如圖4 所示。

圖4 裝置加入前后運行穩定性實驗結果

根據圖4 可知，接入文中設計的物聯代理裝置后，系統運行穩定性更好，文中設計的物聯代理裝置能夠很好地避免由于網絡失效所帶來的負面影響，通過并網送電確保電量能夠穩定傳輸，從而保證電網運行安全。

4 結束語

針對當前電纜綜合監測存在的獨立分散、接口協議差異性大、業務處理實時性差等問題，文中提出基于SoC 架構的低時延智能物聯代理裝置設計。文中使用SoC 架構進行算法電路實現和外設控制，能夠對所獲取的圖像進行跟蹤、識別和匹配等圖像處理，給出了邊緣代理裝置的軟硬件設計方案，提出了現場監測數據的采集、存儲、計算分析與異常識別告警；實現了低時延智能物聯代理裝置在綜合能源服務中的有效應用。