基于SoC 架构的低时延智能物联代理装置设计

王艳茹，李温静，欧清海，马文洁，佘蕊

（1.北京中电飞华通信有限公司，北京 100070；2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 100052）

物联代理装置具备数据采集和通信服务的能力，内部包含物联网代理机构和物联网终端装置。随着科技的发展，物联代理装置在综合能源服务中的应用越来越广泛，且正在向着应用场景多样化、参与对象普遍化等方向发展，这也对物联代理装置的运算能力和安全能力提出了更高的要求。在现有的物联代理装置中，信息交流过于依赖通信网络，控制信息需要花费大量的时间才能实现交互，由于物联网业务内部包含多种业务逻辑，因此必须要具备较强的实时性信息交互能力才能满足用户要求，但是就目前来看，物联代理装置的实时性难以保障，代理装置在工作过程中极容易受到无线环境和网络负载的影响，甚至运营节点会出现数十秒以上的延时，信息难以实时送达，物联网业务工作质量受到严重影响。一旦代理装置延时过高，通信网络就会失效，数据通信之间的压力更大，增加了运营成本[1-2]。

针对代理装置延时过高，目前相关领域学者进行了较多研究。以往学者通过改变物联网中间节点实现信息汇聚和整合，减少数据访问量，建立安全通道，从而节省网络资源，提高数据运行的可靠性。但是这一问题没有考虑数据在网络之间交接和数据与基站连接过程产生的延迟，虽然能够具备一定的优化能力，但是优化效果难以达到理想效果[3]。除此之外，还有学者提出通过建立服务器镜像将数据分散，利用多镜像分解原理提高数据通信效率，降低通信延迟，但是此种方法只适用于同一网络进行数据交互，不适合网间数据传送，镜像信息的引入为外界数据攻击提供了更多的可能，安全性较差[4]。

为此，文中提出基于SoC 架构的低时延智能物联代理装置设计，并将低时延智能物联代理装置应用于风力发电厂中，验证其实际工作效果。

1 装置结构设计

SoC 架构能够将物联网内部的处理器、储存器和转换器集成，通过定制硬件提高系统的计算能力，降低系统功耗，解决软件程序难以完成的各种问题，提高装置的工作性能[5-6]。文中设计的SoC架构如图1所示。

图1 SoC架构

观察图1 可知，文中设计的SOC 架构能够很好地将指令集和数据集分开存储，内部通过SRAM 进行数据程序编辑，设置的储蓄空间能够达到256 GB，数据空间能够达到128 kB[7-8]。在数据运行过程中，SRAM 会出现掉电操作，数据一旦丢失就会影响整个装置的正常运行，因此需要加入FLASH 芯片存储内部程序数据，通过SRAM 连接上电装置，完成上电操作。利用扩展接口连接外部，得到空间数据，同时配置PLL 完成时钟倍频操作，从而得到更高频率的工作时钟，利用APB 连接ADC 控制模块，实现FPU浮点运算，同时在SoC 架构上配备定时器、串口模块以及看门狗等其他模块，与DMA 连接。架构内部利用AndesCore N10 进行数据处理。该芯片作为处理器软核，是一款32 位高性能处理器，能够很好地完成数据音频分析，通过自动化控制确保电池信息能够顺利传送电量[9]。

装置内部处理器采用N1068A-S 处理器，N1068A-S 处理器结构如图2 所示。

图2 N1068A-S 处理器结构

采用五级流水线结构进行不同格式数据指令连接，通过32 bit 寄存器进行数据计算，装置内部采用DSP 延伸指令与处理器接口连接，通过不同的地址空间支持各种不同的数据总线。在加入N1068A-S 处理器后，SoC 架构的性能更好，系统通过AndeStar™V3 ISA 完成程序代码操作，通过数据延迟分析加快数据控制，提高控制效率，存取各种数据，改善实时信息，实现信息终端的数据读取，改善数据延迟过高这一问题[10-12]。通过先占式数据中断得到信息输入结果，设定嵌入式程序，得到不同的跳跃位置信息，通过信息优化，实现不同终端的数据存储。系统内部的ADC 模块能够进行信息输入，内部控制器进行数据中断判断，完成信息采集，平均设定SRAM 的数据字节，从而存放各种不同语音数据，完成数据复位。

在SoC 设置片上总线，通过IP 连接，进行高速互联和数据传输，将ARM 公司处理器内部IP 应用到SoC 架构上，采用AMBA3.0 规范中的AHB-Lite 总线完成数据连接，确定数据主设备，确保信息能够突发传输，完成设备高效连接。通过AHB-Lite 总线连接各种不同的数据信号、内部地址信号和读写数据信号完成数据传输，利用地址译码器筛选设备中的信号，实现数据响应和输出，将接收的信息传输到接收端口。

2 软件程序设计

在完成装置硬件设计后，针对装置软件进行程序设计，首先进行初始化程序设计，将系统程序分为中断程序和主程序，通过ADC 触发内部中断程序完成各项操作，如果主进程处于运行模式，一旦接收到ADC 中断命令，就会自动转接到中断程序，直到中断程序完成各项操作之后才能运行主程序继续执行命令。利用VDA 函数对数据进行识别，确定数据特征，将识别的数据特征输入到队列内部，从而形成一个完整的指令集，实现图像处理。

2.1 初始化程序

在完成上电操作后，装置进行初始化配置，确定时钟参数、硬件浮点运算参数，并针对ADC 和信息存储实现初始化，建立相关模型，形成一个完成的HMM 链，在完成中断进程后，装置内部的主程序开始运行。

2.2 通信程序设计

通过通信管道完成中断程序和主程序之间的通信，建立通信队列，传递两个系统之间的通信数据，确定数据特征，得到图像信息，分析不同通信数据的MFCC 特征。根据数据传输类型，进行主进程数据分析，在主进程开始队列操作时，自动添加临时屏蔽操作，防止外界数据入侵，影响数据通信。通信过程的通信时延计算公式如式（1）所示：

其中，T表示通信过程中产生的通信时延；Tm表示通信数据在传输过程所耗费的时间；Tn表示装置内部无线信号传输产生的时延；Ti表示数据处理所耗费的时间；Tj表示数据在进行排队等待所耗费的时间。

由于通信时延在不同节点中产生，因此需要计算所有数据节点产生的时间，从而判断通信时延。

2.3 中断程序设计

通过ADC 设计中断程序，读取内部信息特征，提取MFCC 数据，通过信息控制，清除内部的中断信号，建立数据分割点，将分割点通过Pipe 发送给主程序，实现VAD 数据检测，从而将数据传送给主进程。中断函数如式（2）所示：

其中，f(m)表示中断程序；S(m,j)表示通信数据m和队列数据j在S传感器接收到的命令；D(m,j)表示传感器D接收到的命令。

2.4 主进程设计

主进程主要负责数据识别和图像匹配，确定内部指令数目，分析信息特征，将特征信息转换成指令数据[13-15]。数据跟踪公式如式（3）所示：

其中，E表示跟踪结果；e表示无线电系数；k表示接收到的无线电信号；u表示设定阈值；d表示能耗信号。为了增强代理装置的鲁棒性，确定数据输出的稳定度，分析数据在识别过程是否存在波动[16]，设置阈值，进行数据识别，判断数据指令，分析数据帧数，实现信息代理。

3 实验研究

为了验证文中基于SoC 架构设计的低时延智能物联代理装置的实际应用效果，进行实验验证，将物联代理装置连接于风力发电厂中，分析代理装置的实际工作效果。

将文中设计的物联代理装置连接到风力发电厂中，连接图如图3 所示。

图3 风力发电厂连接图

观察图3 可知，文中设计的物联代理装置同时与第一网络的第一代理模块和第二网络的第二代理模块连接，通过中低端采集进行数据接收。数据延迟时间实验结果如表1 所示。

表1 数据延迟时间实验结果

根据表1 可知，设定的工作时间为60 min，随着工作时间的增加，文中装置的工作能力逐渐凸显，在未加入装置前，最高延迟时间可以达到58.96 s，系统的运行状况受到严重影响，而加入文中装置后，数据的延迟时间可以缩减90%以上，系统的整体工作能力提高显著。

丢包率实验结果如表2 所示。

表2 丢包率实验结果

根据表2 可知，与未加入物联代理装置相比，加入后丢包率大大降低，系统运行过程的安全性能够得到很好的保障。

根据上述研究结果可知，电力行业在引入文中设计的物联代理装置后，数据延迟时间和丢包率都有所降低，与未引入装置相比，延迟时间至多减少了50 s，系统在运行过程中，稳定性高达99%。在运行过程中，风力发电厂的能源综合服务数据量相对较大，而引入文中装置后，采集时间明显减少，运营商成本大大缩减，由此可见，文中设计的装置能够很大程度保证风力发电厂的能源综合服务安全。

为更深入验证装置效果，分析风力发电厂内部物联网传感节点，对物联网传感节点进行采集，由于采集的所有数据都会汇总到物联网网关内部，因此必须要保证并网送电量的稳定性。将文中设计的装置连接在第一代理模块和第二代理模块中，对数据进行控制，分析控制过程的稳定性。得到的实验结果如图4 所示。

图4 装置加入前后运行稳定性实验结果

根据图4 可知，接入文中设计的物联代理装置后，系统运行稳定性更好，文中设计的物联代理装置能够很好地避免由于网络失效所带来的负面影响，通过并网送电确保电量能够稳定传输，从而保证电网运行安全。

4 结束语

针对当前电缆综合监测存在的独立分散、接口协议差异性大、业务处理实时性差等问题，文中提出基于SoC 架构的低时延智能物联代理装置设计。文中使用SoC 架构进行算法电路实现和外设控制，能够对所获取的图像进行跟踪、识别和匹配等图像处理，给出了边缘代理装置的软硬件设计方案，提出了现场监测数据的采集、存储、计算分析与异常识别告警；实现了低时延智能物联代理装置在综合能源服务中的有效应用。