一种电力巡检终端设备的低功耗数据传输策略设计

柏帆，葛志峰，郭鹏程，裘森强，吴军法

（1.宁海县雁苍山电力建设有限公司，浙江宁波 315615；2.国网浙江宁海县供电有限公司，浙江宁波 315699；3.浙江黑卡电气有限公司，浙江 杭州 311100）

随着电子技术的发展，穿戴式设备逐渐应用于电力巡检。以电力智能头盔为例，其不但解放了巡检人员的双手，而且有效降低了劳动强度[1-2]。同时，这些设备可以将一线的巡视情况通过5G 或者WiFi随时回传，经过后台信息处理后指导一线人员工作，进而提高了工作效率[3-4]。但终端设备的电源容量有限，如何高效利用能量以最大化网络的生命周期是亟需解决的问题[5]。

目前，降低无线通信网络中数据传输功耗的方法主要有增设中继站、采用分簇协议、实施任务卸载策略等。以上方法虽能够在一定程度上减少功耗，但存在着传输延迟、效率较低等问题[6-7]。为此，提出了一种电力巡检终端设备的低功耗数据传输策略。在5G 通信网络的基础上，引入传输-空闲双模式工作状态，通过优化系统工作状态降低系统耗能，实现低功耗、低延迟的数据传输。

1 新型电力巡检终端设备

现有大部分电力智能头盔均破坏了安全帽的基本安全结构，无法通过电力安全规范的认证，不利于推广使用。同时，电力智能头盔的观测屏会遮挡部分视线，难以在行走时使用[8]。为此，设计了一种新型电力红外智能眼镜，将其安装在安全帽外部。该眼镜具备红外测温组件，既满足安全性要求，又实现了电力巡检设备的功能性，适用于电力巡检的红外智能眼镜的硬件结构如图1 所示。

图1 电力红外智能眼镜的硬件结构

智能眼镜的对外接口设计了红外探测器、电池配件、安全帽安装接口等，还预留有国家电网加密芯片等硬件资源。同时还兼容了热像仪、5G 模块等外设，电路部分精简冗余，通过共用模块实现了设备小型化。而且，设备各个模块的信号不会相互干扰，具有良好的电磁兼容性，穿戴式的设计具有便携性的特点。此外，采用5G 技术将现场的巡视情况随时回传至云端，后台人员或专家库可以指导现场人员工作，从而提高了工作效率。

由于电力红外智能眼镜主要装配在安全帽上，因此还充分考虑了眼镜模块的配重，使其佩戴舒适。在不影响基本结构的基础上，能够满足不同类型安全帽的应用需求。

2 基于5G技术的低功耗数据传输策略

电力红外智能眼镜为便于穿戴，整体小巧化，因此电源模块的容量较小，功耗问题成了直接影响该终端设备实用性的关键技术难题[9-10]。为此，该文基于5G 传输技术设计了适用于电力巡检终端设备的低功耗传输策略。

2.1 5G通信网络的基本原理

第五代（5 Generation，5G）通信技术具备高带宽、高可靠性、低延时、低功耗等特点，其包括了多个通信频段。其中适用于广域连接的频段不超过6 GHz，适用于超高速通信的频段为24～100 GHz[11]。5G 通信网络的主体包含三部分：核心网(CN)、宏基站(MBS)与微基站(SBS)，其结构如图2 所示。

图2 5G通信网络的结构

其中，CN 的功能是实现系统的整体管控及数据传递，把每个端口的数据请求与应答连接至相对应的网络上。MBS 利用光纤或者是微波的模式与CN相连，并采用无线传输的模式把信息传送到网络内各个区域的MBS、SBS 和用户。SBS 的信号发射功率比较低，且涵盖的范围较小，但足量的SBS 共同工作便可确保每个区域的信号强度，从而强化了无线链接的密度[12-13]。

在MBS、SBS 和用户的无线通信中，数据传输速率较大程度上会受到多个因素的干扰，如信噪比等。根据香农定律便可确定数据传输速率的最大值，其数学表示如下：

式中，Vmax为传输速率最大值，单位是bps；W为信道带宽，单位是Hz；PS、PN分别为信号和噪声的功率，单位是W，两者的比值为信噪比。

5G 技术的核心特征，如表1 所示。

表1 5G技术的核心特征

2.2 基于双模式的低功耗数据传输策略

在5G 通信网络中，当业务流需求不饱和时，接收机中可能存在没有数据发送的情况，各个模块均无需工作，且系统也不必额外消耗整个信号路径中的传输信号功率[15-16]。为此，提出了传输与空闲的双模式系统工作状态，通过优化传输策略降低系统功耗。当存在待发送的数据时，系统处于传输模式；当不存在数据待发送时，系统处于空闲模式，或者是由传输模式切换至空闲模式。双模式工作状态的转换流程如图3 所示。

图3 传输与空闲双模式工作流程

根据双模式传输特性，系统消耗的总能量包括固定功率、传输和空闲模式下的消耗功率，其数学表达式如下：

式中，Pc为与数据传输无关的固定功率；Ptr和Pfr分别为传输与空闲模式的功率；κtr和κfr分别为系统处于传输与空闲模式下的几率；γ和γ0分别为信噪比及其阈值。

传输延时是关于数据包长度和链路传输速率的函数，由于其对于固定的包大小和传输速率具有确定的值，因此可以预先评估。相反，排队时间本质上是随机的。所以总延时是一个随机变量，其均值为：

式中，τtr为确定性传输延时；为排队延时的均值。

3 实验结果与分析

实验中，现场操作人员佩戴装有电力红外智能眼镜的安全帽进行电力设备巡检，采集现场设备信息，并基于嵌入式系统和FPGA 系统传输并处理红外数据与5G 信号，以实现高效、可靠的电力巡检。其中，装配电力红外智能眼镜的安全帽实物图如图4所示[17-18]。

图4 电力巡检终端设备的实物图

3.1 参数分析

由于信噪比会直接影响系统的数据传输速率，则阈值γ0的设定会存在一个最大值，以防止数据传输速率超过有效容量。采用能效评估所提传输策略的性能，其结果如图5 所示。其中，能效为数据传输速率与系统总功耗的比值。

图5 系统能效与信噪比阈值的关系

从图5 中可以看出，随着阈值γ0的增加，能效也在不断增加，直至γ0达到最大值。当数据传输速率为1 519.7 kbps时，γ0的最大值是0.53；当数据传输速率为300 kbps时，γ0的最大值是1.73。与不存在传输策略（即γ0=0）的情况相比，对于传输速率分别为1 519.7 kbps 和300 kbps，能效分别提升了40.05%和588.97%。主要是因为所提策略中采用双模式工作流程，能够有效利用传输信道的时变特性，使更多的工作时间处于空闲模式，从而有效降低系统消耗的能量。

3.2 数据传输功耗对比

为了论证所提策略的低功耗性能，将其与文献[6]、文献[7]、文献[9]进行对比分析。不同传输间隔时间内系统总功耗的结果如图6 所示。

图6 系统总功耗的对比结果

从图6 中可以看出，数据包传输间隔时间越长，系统总功耗越大，而所提策略的功耗最小。当数据传输间隔为25 s时，系统功率大约为20 W。由于所提策略在5G 技术的基础上采用传输-空闲两种工作模式，而传输功率远大于空闲功率，因此双模式的使用较大程度上降低了系统功耗。文献[6]通过对数据上传路径的节点唤醒时间的协调调度以减少功耗，但由于缺乏高性能的时间优化算法，因此整体性能不佳。当间隔时间为25 s时，系统总功耗超过200 W。文献[7]基于簇协议、文献[9]利用LoRa 调制技术实现了低功耗数据传输，虽能够减少功耗，但由于没有睡眠机制，当发送数据的间隔时间增加时，系统功耗会快速上升。

3.3 数据传输延时对比

由于系统处于空闲模式时，不存在传输延时，因此，该文只需要考虑传输模式下数据传输量大小对传输延时的影响。不同策略的数据传输延时对比结果如图7 所示。

图7 数据传输延时对比结果

从图7 中可以看出，传输数据量的增加会导致延迟时间的增长，但所提策略的传输延时上升幅度最小且时间最短，不超过2 s。所提策略采用5G 技术，该通信技术传输速率快，且延时短。文献[9]采用的LoRa 调制技术适用于长距离传输，但延时问题明显，一旦传输数据量增加，其延时将快速上升。文献[6]和文献[7]采用的唤醒机制和簇协议均能在一定程度上减缓延时，但在数据量较大的情况下，所产生的延时均较高，其中文献[6]超过了10 s。综合来看，该文所提策略的整体性能最佳，在满足低功耗的条件下实现数据的快速传输，符合电力巡检终端设备的工作需求。

4 结束语

当电力员工在户外巡检时，需要长期佩戴安全帽，而红外智能眼镜的续航时间直接影响其的工作效率。为此，提出一种电力巡检终端设备的低功耗数据传输策略，以最大化设备的使用时间。搭载新型电力红外智能眼镜的安全帽与后台进行数据交互时，采用5G 通信技术，并设计了传输-空闲双模式系统工作状态以实现功耗最小化。利用所提策略进行现场实测的结果表明，不同传输速率对应的信噪比阈值不一致，需动态调整，且所提策略的总功耗随着间隔时间的增长不超过20 W，而传输延时在数据量不超过10 GB 时小于2 s，均优于对比策略。

目前5G 技术在电力领域的应用仍处于起步阶段，对于数据传输的稳定性仍有待论证。因此，接下来的研究中将重点关注数据传输的可靠性。