基于STM32 微控制器的低功耗無線通信方法

張國偉

晉中職業(yè)技術學院，山西晉中 030600

0 引言

低能量消耗、實時高效的無線通信技術可以提供更好的移動性能，使用戶能夠在移動中保持穩(wěn)定的連接，并獲得快速的數(shù)據(jù)傳輸，為移動設備用戶提供更好的用戶體驗和便利性。對于移動應用來說，這種技術不僅滿足了用戶對移動性能的需求，還推動了創(chuàng)新應用場景的發(fā)展，促進了數(shù)字化社會的進步[1-3]。

基于此，有學者提出一些研究方法。任拴哲等人[4]提出基于梯田通信模型的無線通信方法，將梯田通信勢能模型應用到數(shù)據(jù)通信工作中，并使用即時網(wǎng)絡狀態(tài)自適應長度數(shù)據(jù)組包算法，進一步提升數(shù)據(jù)信號在實際工作中的通信傳輸效率。徐彬彬等人[5]提出基于能量補給的無線通信方法，通過對無線網(wǎng)絡節(jié)點間的信息以及能量分配執(zhí)行有效優(yōu)化操作，將數(shù)據(jù)信號傳輸功率最小化，并將能量路由度量算法引入到數(shù)據(jù)信號通信傳輸工作中，將能量消耗最低的通信路徑當作數(shù)據(jù)信號傳輸路徑，在保證數(shù)據(jù)信號傳輸能量消耗較小的情況下，完成相應的數(shù)據(jù)信號傳輸工作。二者均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號無線通信傳輸，但是能量消耗較高，數(shù)據(jù)信號傳輸速度又不夠理想。

STM32 微控制器具有高性能、低功耗等優(yōu)點，將其應用于實際數(shù)據(jù)信號通信工作中可以使數(shù)據(jù)信號以較低的功耗、更快的速度傳輸至上位機，實施相應處理。為此，本文提出基于STM32 微控制器的低功耗無線通信方法，更好地滿足實際數(shù)據(jù)信號傳輸工作需要。

1 低功耗無線通信方法

1.1 基于STM32 控制器的低功耗無線通信方法架構(gòu)

運用合適的無線通信方法，將采集到的相關數(shù)據(jù)以較低功耗傳輸給上位機實施相應處理是使實際工作能夠得以有效完成的關鍵。為此，在本文中充分利用STM32 芯片的低功耗優(yōu)勢，將STM32 控制器應用于數(shù)據(jù)無線通信傳輸工作中，研究一種基于STM32 控制器的低功耗無線通信方法，其方法架構(gòu)如圖1 所示。

遠程數(shù)據(jù)采集器在采集完相應的數(shù)據(jù)信號后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將所獲數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成能夠較好適應無線傳輸工作的數(shù)據(jù)信號類型；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號經(jīng)傳輸數(shù)據(jù)處理器預處理操作，并由STM32 微控制器控制后，被發(fā)送給無線通信網(wǎng)絡模塊，無線通信網(wǎng)絡模塊在STM32 微控制器的調(diào)整以及控制下，以較低的能量消耗將數(shù)據(jù)信號發(fā)送至上位機實施相應處理。其中，降低處理器和射頻模塊的工作頻率是一種有效的降低功耗的方法。通過動態(tài)調(diào)整時鐘頻率和采用適當?shù)男菝吣Ｊ?，可以在滿足通信需求的同時降低功耗。具體而言，動態(tài)時鐘頻率調(diào)整可以根據(jù)實際通信需求和處理負荷的變化，靈活地調(diào)整處理器和射頻模塊的時鐘頻率。休眠模式則將處理器和射頻模塊切換到低功耗狀態(tài)，在待機或空閑時降低時鐘頻率甚至關閉，以大幅降低功耗。這樣的策略結(jié)合合理的任務調(diào)度和優(yōu)化算法，能夠減少處理器的工作時間，提高能源利用效率，延長設備的電池壽命，并為移動設備用戶帶來更好地使用體驗。應用這一理念，可以在連續(xù)通信環(huán)境下顯著降低通信功耗，使其降低范圍一般在10 ～30 J 以內(nèi)。

1.2 基于STM32 控制器邏輯設計

設計數(shù)據(jù)通信微控制器可顯著提升其在數(shù)據(jù)信號無線通信控制方面的性能，以及其在數(shù)據(jù)信號無線通信工作中的穩(wěn)定性，使其更好地服務于對數(shù)據(jù)信號傳輸質(zhì)量要求較高的數(shù)據(jù)信號通信工作[6-7]。STM32 芯片將Cortex-M3 當作核心，并擁有多種高性能的數(shù)據(jù)接口，使其可以適應多種不同應用程序[8-9]。為此，在本文中，使用STM32107 型號的芯片設計數(shù)據(jù)通信微控制器。STM32107 芯片架構(gòu)如圖2 所示。

STM32107 芯片主要由Flash 存儲器、SRAM 靜態(tài)隨機存儲器、總線矩陣、橋接模塊、多個直接DMA直接內(nèi)存訪問通道、USART 等多種數(shù)據(jù)接口構(gòu)成。相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信微控制器，其使用IEEE1588 以太網(wǎng)協(xié)議，并且內(nèi)嵌CAN 總線，因而具有超強的網(wǎng)絡連接性能，能夠為各種應用程序的嵌入預留出足夠的CPU 空間。

1.3 提升小波與LZW 數(shù)據(jù)信號壓縮算法設計

對將要進行通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，應用數(shù)據(jù)壓縮技術合理壓縮，之后再通過使用無線網(wǎng)絡通信算法對其執(zhí)行有效的數(shù)據(jù)傳輸工作，可更為快速地將其發(fā)送至上位機進行相應處理，從而顯著提升實際工作的效率[10-12]。為此，本文在傳輸數(shù)據(jù)處理器中應用具有較好數(shù)據(jù)壓縮效果的提升小波與LZW 算法壓縮待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號。具體的數(shù)據(jù)信號壓縮流程如圖3 所示。

首先，對待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號利用提升小波稀疏分解操作，并利用分塊閾值法對小波系數(shù)估計與量化閾值，降低高斯白噪聲對待傳輸數(shù)據(jù)信號的不良影響，從而將有用的數(shù)據(jù)信息凸顯出來，增強數(shù)據(jù)信號在壓縮方面的性能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號初級壓縮；之后，量化編碼小波系數(shù)，并使用LZW 算法對小波系數(shù)執(zhí)行二次壓縮操作；完成數(shù)據(jù)壓縮工作后，利用數(shù)據(jù)傳輸算法將其傳輸?shù)侥繕斯?jié)點后，解壓縮數(shù)據(jù)信號小波系數(shù)，并實施數(shù)據(jù)信號重構(gòu)，完成數(shù)據(jù)信號通信傳輸工作。本文數(shù)據(jù)信號無線通信算法選用的是數(shù)據(jù)傳輸效果較好，且能量消耗較低的蟻群尋優(yōu)的無線網(wǎng)絡通信路徑選取算法。

1.4 基于蟻群尋優(yōu)的無線網(wǎng)絡通信路徑選取算法

通常，無線網(wǎng)絡的節(jié)點會被安裝在比較隱蔽、較差的環(huán)境內(nèi)，因其能量有限，且電池不易更換或及時充電，若節(jié)點所擁有的能量被消耗殆盡后，無線網(wǎng)絡各節(jié)點將停止工作，致使無線網(wǎng)絡無法實施合理通信，所采數(shù)據(jù)信號傳輸失敗[13-15]。為了盡量降低無線網(wǎng)絡在實施無線通信時的能量消耗，盡量保持各節(jié)點能量均衡，延長無線網(wǎng)絡節(jié)點的壽命，使所獲數(shù)據(jù)信號能夠順利被傳輸出去。本文在收獲相關數(shù)據(jù)信號后，在無線通信網(wǎng)絡模塊使用基于蟻群尋優(yōu)的無線網(wǎng)絡通信路徑選取算法，完成相關無線通信工作，將所獲數(shù)據(jù)信號順利傳輸給上位機實施相應處理。具體的工作流程如下：

（1）根據(jù)無線網(wǎng)絡節(jié)點在實際無線通信過程中的能量消耗過程，找到所有源節(jié)點與目標節(jié)點的有效通信路徑，并構(gòu)建源節(jié)點至目標節(jié)點的路由表格。路徑搜索過程為：

步驟1：將無線網(wǎng)絡的源節(jié)點與目標節(jié)點分別標記為vs、vd，由于蟻群算法在路徑尋優(yōu)工作方面具有絕對優(yōu)勢，將其應用于該路徑搜索過程中，在vd處，派遣出一個用于路徑搜索的螞蟻，將該螞蟻標記為Bs，并通過執(zhí)行廣播操作將其擴散至無線網(wǎng)絡中，由此，Bs會以各節(jié)點地址vi、跳數(shù)信息以及源節(jié)點地址vs為主要構(gòu)成，當其在目標節(jié)點處時，有vi=vd，并且此時跳數(shù)值為0；

步驟2：用vj標記中間節(jié)點，其在接收到緊鄰vi節(jié)點的Bs以后，先辨別是否獲得了Bs，若未獲得，需在原有跳數(shù)基礎上增加一跳，與此同時，在路由表內(nèi)構(gòu)建一個表項，用于記錄vi以及跟跳數(shù)具有緊密聯(lián)系的信息素濃度；如果vj沒有獲取到緊鄰vi節(jié)點的Bs，那么可以當成是vj已經(jīng)被轉(zhuǎn)發(fā)給螞蟻Bs，對其執(zhí)行刪除操作即可，避免發(fā)送的數(shù)據(jù)信號被循環(huán)通信傳輸，消耗過多能量，與此同時，用vj將螞蟻Bs中存在的vi替換掉，并將螞蟻Bs發(fā)送給其他緊鄰的無線網(wǎng)絡節(jié)點；

步驟3：連續(xù)不斷執(zhí)行步驟2 操作，一直到螞蟻Bs順利到達源節(jié)點vs為止。

通過以上3 個步驟便可獲取到vi到目標節(jié)點vd的所有路徑以及各節(jié)點最初的信息素值，并構(gòu)建出不同節(jié)點的數(shù)據(jù)信號通信路由表格。

（2）數(shù)據(jù)信號最優(yōu)通信路徑選擇。在本文中，利用無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)信號時，以信息素濃度以及局部剩余能量當作有效選擇依據(jù)，挑選數(shù)據(jù)通信的下跳節(jié)點。以存在于節(jié)點vi的數(shù)據(jù)信號包為例，可利用式（1）計算挑選下跳節(jié)點vj的概率。

其中，pij(t)標記的是節(jié)點vi挑選下跳節(jié)點vj的概率；hij(t)標記的是vi到其緊鄰節(jié)點vj的信息濃度；ηij標記的是vi到其緊鄰節(jié)點vj的歸一性質(zhì)剩余能量；α、β分別標記的是hij(t)以及ηij的可調(diào)權重；t標記的是時刻；hik(t)標記的是vi到其緊鄰節(jié)點vk的信息濃度；ηik標記的是vi到其緊鄰節(jié)點vk的歸一性質(zhì)剩余能量。hij(t)的求解過程用公式可描述成：

其中，Δh標記的是螞蟻存儲的信息素量。

ηij的求解過程用公式描述為：

其中，Eiinitial、Eiremaining分別標記的是vi的初始以及剩余能量。

在實際的數(shù)據(jù)信號通信工作中，如果α、β滿足α高于β，那么在進行數(shù)據(jù)信號通信時，挑選信息濃度高的傳輸路徑完成相關的數(shù)據(jù)信號通信工作，反之選擇局部剩余能量高的傳輸路徑完成相關的數(shù)據(jù)信號通信工作。具體流程如圖4 所示。

2 實驗與分析

以處于我國S 省T 市的某大型變電站中的主變壓器為實驗對象，應用本文方法對所采集到的變壓器狀態(tài)信號實施無線通信傳輸，驗證本文方法的有效性。變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)信號主要包含電壓、電流、振動以及溫度信號。該大型變電站于2018 年9 月建成投產(chǎn)，它的建成使T 市實現(xiàn)了與其鄰市（G ?。┑碾娏ス?，形成了一個巨大的一體化電力網(wǎng)絡，并成為了540 公里輸電線路上的一個關鍵變電樞紐。該變電站年供電量可達23 億千瓦時，其中包含過網(wǎng)電量10.4 億千瓦時以及下網(wǎng)電量12.6 億千瓦時。該變電站擁有3 個電壓等級，分別是220 kV、330 kV 以及110 kV，其中，220 kV 的配電室有3 個，110 kV 的配電室有1 個，330 kV 的配電室有4 個。該變壓器2018 年3 月出廠，在出廠時，其各項參數(shù)指標均符合出廠標準，但是為防止其出現(xiàn)運行故障，影響整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，經(jīng)管理人員商議，決定定期對其實施多種工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號采集，并將所獲數(shù)據(jù)信號通過無線網(wǎng)絡實時傳輸至上位機，進一步實施相應處理。無線網(wǎng)絡中，包含56 個無線傳感節(jié)點，各節(jié)點完全相同，節(jié)點位置隨機生成。主變壓器主要參數(shù)情況如表1 所示。

表1 變壓器主要參數(shù)情況

應用本文方法對數(shù)據(jù)采集器采集到的變壓器振動數(shù)據(jù)信號實施低功耗無線通信傳輸，獲得的數(shù)據(jù)信號通信傳輸效果如圖5 所示。

從圖5 可以看出，應用本文方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號無線通信傳輸，并且數(shù)據(jù)信號通信傳輸效果較好。傳輸前，待傳輸變壓器振動信號中含有一定數(shù)量的高斯白噪聲，經(jīng)本文方法通信傳輸后，變壓器振動信號中的高斯白噪聲降低了92%，主要原因是在利用本文方法對變壓器振動信號實施傳輸時，其在傳輸數(shù)據(jù)處理器中應用了提升小波與LZW 算法，該算法在對數(shù)據(jù)信號實施初級壓縮時，有效濾除了數(shù)據(jù)信號中存在的高斯白噪聲。

為進一步驗證本文方法在數(shù)據(jù)信號無線通信傳輸方面的優(yōu)勢，繪制應用本文方法對待傳遞的變壓器電壓信號、振動信號、電流信號以及溫度信號進行通信傳輸獲得的數(shù)據(jù)信號通信傳輸效果圖如圖6 所示。在本文實驗中，將無線通信網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量固定為56 個，節(jié)點位置隨機生成。

分析圖6 可知，應用本文方法對待傳輸?shù)淖儔浩鞴ぷ麟妷盒盘?、振動信號、電流信號以及溫度信號進行通信傳輸時，即使在數(shù)據(jù)信號通信傳輸時間較長狀況下，無線通信網(wǎng)絡節(jié)點仍然具有較高的存活率，并且即使在要完成通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大時，通信傳輸數(shù)據(jù)信號所產(chǎn)生的延時以及能量消耗也非常低。雖然在通信傳輸變壓器溫度信號時，其數(shù)據(jù)信號通信傳輸?shù)难訒r、能量消耗較之其他3 種數(shù)據(jù)信號要高，無線通信網(wǎng)絡節(jié)點存活量也要更低一些，但其產(chǎn)生的能量消耗與通信傳輸延時最高也僅為20 J、0.15 s，無線通信網(wǎng)絡節(jié)點的最低存活量也接近50 個。實驗證明，本文方法在數(shù)據(jù)信號通信傳輸方面優(yōu)勢顯著，將其應用于實際工作，可收獲較為理想的數(shù)據(jù)通信傳輸效果。

應用本文方法對待傳輸?shù)淖儔浩麟妷?、電流、振動以及溫度信號實施合理?shù)據(jù)壓縮，獲得的數(shù)據(jù)信號壓縮效果如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)信號壓縮效果

從表2 可以看出，應用本文方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號壓縮，并且數(shù)據(jù)信號壓縮效果較好，將其應用到數(shù)據(jù)信號通信傳輸工作中，可顯著提升數(shù)據(jù)信號通信傳輸?shù)男省?/p>

3 結(jié)束語

應用本文方法可以有效通信傳輸變電站設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號，并且數(shù)據(jù)信號通信傳輸效果較好，其在變電站設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號通信傳輸方面的有效性主要表現(xiàn)為：

（1）應用本文方法可實現(xiàn)變電站設備工作狀態(tài)信號通信傳輸，并且通信傳輸效果較好，通信傳輸后的數(shù)據(jù)信號中無高斯白噪聲存在，并且本文方法在延時與能量消耗非常低的情況下，便可將待傳輸?shù)淖冸娬驹O備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號實時高效通信傳輸至上位機，即使在通信傳輸時長較長的情況下，仍然具有較高的無線通信網(wǎng)絡節(jié)點存活率，可為實際工作提供可靠數(shù)據(jù)保障；

（2）應用本文方法可以有效壓縮待傳輸?shù)淖冸娬驹O備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信號，將其應用于實際工作，可收獲更好的無線通信傳輸工作效果。

由于時間有限，只在電力領域?qū)Ρ疚姆椒ǖ挠行詫嵤┝蓑炞C，下一階段的研究工作中，將在工業(yè)等領域?qū)Ρ疚姆椒ㄓ行詫嵤┻M一步驗證。