A Study of Efficient Power Consumption Wireless Communication Techniques/ Modules for Internet of Things (IoT) Applications

A study of wireless technologies for IoT applications in terms of power consumption has been presented in this paper. The study focuses on the importance of using low power wireless techniques and modules in IoT applications by introducing a comparative between different low power wireless communication techniques such as ZigBee, Low Power Wi-Fi, 6LowPAN, LPWA and their modules to conserve power and longing the life for the IoT network sensors. The approach of the study is in term of protocol used and the particular module that achieve that protocol. The candidate protocols are classified according to the range of connectivity between sensor nodes. For short ranges connectivity the candidate protocols are ZigBee, 6LoWPAN and low power Wi-Fi. For long connectivity the candidate is LoRaWAN protocol. The results of the study demonstrate that the choice of module for each protocol plays a vital role in battery life due to the difference of power consumption for each module/protocol. So, the evaluation of protocols with each other depends on the module used.

基于NB-IoT的地下管网数据采集仪设计

针对地下管网的水质数据采集困难、监测方式落后等问题,设计了一种基于NB-IoT的数据采集仪。数据采集仪选用STM32L151RET6低功耗芯片和NB-IoT通信模块,利用MOS管控制外设电源的通断。在软件设计中微控制器采用定时休眠和中断唤醒的工作模式降低运行功耗。实验结果表明:数据采集仪运行稳定,数据传输符合HJ212-2017协议,在工作状态、接收状态和休眠状态时的平均工作电流分别为94 mA、9 mA和300μA,一次充电使用时间约为134日,可应用于工厂排污管道和城市地下管网的实时监测。

基于NB-IoT的智能网关设计

为解决家庭物联网水、电、气三表数据广域传输中低功耗、低成本的问题,设计了基于NB-IoT网络的智能网关,以STM32F103芯片为核心控制器,主要包括三表数据采集接口、NB-IoT网络接口和家庭智能终端扩展接口,实现了家庭三表数据采集及对智能云端平台的传输功能,并为智能家居服务数据提供网络支撑;所设计智能网关针对性的解决了三表数据的统一管理问题,创新性的将三表接入网关设计成86型底盒的方式,在较小改变房屋电气布局基础上实现了智能网关的安装;实验及应用测试结果表明,所设计智能网关具有性能稳定、功耗较低、便于安装的优势,可快速实现家庭物理信息系统的构建。

NB-IoT的技术背景及面临的挑战

该文对窄带物联网(NB-IOT)的技术特点进行简要介绍,并将NB-IoT技术与现有其他物联网连接技术的进行分析对比。NB-IoT具有低速率、低功耗、低成本、高容量、广覆盖、多连接等特点,随后介绍了NB-IoT技术现今的行业应用和发展情况,包括交通行业、卫生医疗、公共设施、物流业、抄表、工业制造、商品零售行业、智能家居、智能农业、企业能耗管理等行业。最后阐述NB-IoT面临的挑战。

NB-IoT综述及性能测试

窄带物联网(NB-IoT)是一种针对mMTC场景设计的低功耗广域网技术,可处理大规模低功耗连接并提供超大覆盖范围,同时具有深度室内穿透性能。为探究NB-IoT在实际应用中的性能表现,介绍其标准化历程、技术特点、物理层结构和主要信令流程,对比控制面和用户面数据传输模式。在此基础上,针对反映NB-IoT通信质量的主要指标进行户外测试,即不同距离下的信号强度、上下行实际传输速率、PING时延以及半封闭环境下的穿透性能,描述闭环通信系统的结构和工作过程。使用基于华为Boudica120芯片的BC95NB模块进行测试,结果表明,在250 m左右的范围内,NB-IoT的信号强度为-70 dBm^-80 dBm,平均上行传输速率约为4 kb/s,平均下行传输速率为13 kb/s^18 kb/s,不同距离下的PING时延控制在350 ms^380 ms。

基于NB-IoT的物联网应用研究

随着物联网技术的发展,整个社会正经历着一场数字化变革,万物移动互联(包括人物互联以及物物相连)产生巨量的数据并进一步影响到人类社会生活的各个方面,基于大数据和物联网融合的应用也在生产和生活中逐步得到大规模使用。电信运营商在物联网生态中占据重要的位置,是底层基础设施的提供者,其所主导的NB-IoT技术在低功耗广域网领域具有诸多优势,包括低功耗、覆盖广、低成本、大连接、可靠安全等,可应用在公共事业、智慧建筑、智慧城市、工业自动化等领域。笔者重点介绍基于NB-IoT的物联网应用,并对相关趋势进行分析和研究。

基于IoT-G 230 MHz电力无线通信关键技术分析

随着电网技术的发展,传统电网逐步迈向能源互联网,电力无线专网能全联接智能电网,已逐渐成为能源互联网的基础。首先,分析了IoT-G 230 MHz关键性能指标与国家电网公司核心业务的匹配度;然后,对IoT-G 230 MHz电力无线通信关键技术进行分析,总结了IoT-G 230 MHz电力无线通信技术的九大技术优势;最后,分别对IoT-G 230 MHz现阶段的应用情况及未来发展部署进行了介绍。通过文中的分析介绍,可以得出IoT-G 230 MHz关键性能指标与国家电网公司核心业务具有高度匹配性,为IoT-G 230 MHz电力无线通信技术的发展方向提供了建议。

偏远油气田现场的通信新技术应用及效果分析

针对偏远油气田现场没有电信网络覆盖,导致现场数据无法采集回传,作业现场管理存在盲区,依赖移动通信网络进行的过程控制系统PCS(Process Control System)巡检作业无法使用等问题,提出了不同生产场景下利用通信新技术解决偏远油气田现场数据传输的方法,包括电力线载波、无线微波、NB-IOT、LORA、北斗卫星、高通量卫星等传输方式,结合生产现场实际情况,对每种技术的适用场景、成本效益以及可能的局限性进行了综合评估,得出了在不同应用场景下最适合的通信技术方案。结果表明,采用通信新技术可以快速解决不同偏远生产现场的传输难题,降低传输成本,为企业数字化发展助力。

新型电力系统背景下配电网数字化技术应用及发展

为了适应新能源并网和消纳要求,支撑分布式资源、储能、充电桩等交互式设施广泛接入配电网,解决目前配电网感知装置覆盖不足、本地通信协议多样、数据利用不足、分布式资源管理无序等诸多问题,提出将先进数字技术与配电网深度融合,以数字化智能化技术支撑新型电力系统建设,推动配电网数字化转型。文章从配电网物联感知体系现状、感知体系布局和典型数字应用3个方面进行分析研究,提出利用数字化技术改造提升传统配电网业务,制定配电网数字化转型整体方案;最后对配电网数字化建设所面临的挑战及关键技术进行探讨,为下一步配电网的数字化转型发展提供一些思考和借鉴。

智能配电系统的通信网络建模与性能分析

由于我国的综合能源系统(IES)迅速发展,智能配电系统(SPDS)中集成了越来越多的先进设备和组件,伴随而来的是多样化的信息交互、海量的复杂数据、先进的智能设备使用所带来的技术挑战,因而如何可以在有限的通信网络资源内满足各种应用需求成为一个关键的问题。首先分析了在智能配电系统中的各类应用对于系统通信网络的性能要求,然后介绍了一种基于物联网技术的通信网络架构,并描述了其在智能配电系统中的应用和服务质量QoS要求。进一步地,基于排队论的带宽模型提出了一种考虑QoS的数据采集应用的预测带宽方法。最后,考虑三种典型智能配电站应用场景对网络性能进行分析,通过OPNET仿真,证明所提方法具有合理性与有效性。

应用于物联网的纳瓦级唤醒接收机芯片

针对物联网中无线接收机模块功耗浪费的问题,设计并实现了一种纳瓦级功耗唤醒接收机。唤醒接收机接收到唤醒信号后将“唤醒”主接收机。该唤醒接收机系统包括匹配网络、无源包络检波、基带放大器、比较器、相关器以及数字比较器。所提出的无源包络检波代替传统有源检波电路,极大地节省了系统功耗,同时配合前端无源匹配网络可以提供23.6 dB的无源增益。信息通过通断键控(On Off Keying,OOK)进行调制,该唤醒接收机基于65 nm CMOS工艺设计,在载波频率433 MHz、数据速率100 bps、码长8位的OOK信号下,唤醒接收机的灵敏度可达-72 dBm,模拟部分功耗为21.9 nW,数字部分功耗为93.8 nW。

面向新型电力系统的粗糙集和双流网络自动化物联设备故障诊断方法研究

在新型电力系统中,自动化物联设备类型多样,性能参数和状态指标众多,而目前主流基于深度学习的故障诊断方法,也存在参数较多、算法复杂等问题,难以满足实时应用。因此,文中提出一种基于粗糙集(rough set,RS)和双流网络(dual-stream network,DSN)的自动化物联设备故障快速诊断方法。首先构建物联设备故障判定函数,计算高压侧三相电流,针对连续属性和定性属性,采用离散化算法进行约简,输出故障特征集;然后利用卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)和门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)组成的DSN对历史故障信息进行训练,最终实现快速故障诊断。实验证明所提方法能够精准检测新型电力系统的自动化物联设备故障,具有良好的应用性能,和同类深度学习算法相比,精准率平均提升4.35%,时间平均下降14%。

自取电的电缆故障类型及故障分段定位的研究

针对配电网电缆故障产生的机理,使用MATLAB/Simulink对配电网电缆的故障类型进行实验分析,得出故障类型的特征,通过这些特征判断电缆故障类型,并且定位故障发生的区间段。在电缆发生故障时,对故障信号采样分析,并将故障类型及模块地址通过NB-IoT上传至OneNET云平台。故障段电缆与无故障段电缆的电流变化不同,根据这个规律可以快速定位故障段。该系统采用线圈取电,解决了该装置实际应用的供电问题。结果表明,系统通过对故障信号的采集和处理,准确地判断故障类型和定位故障段,完成故障的在线监测和定位。

配用电物联网的异构无线网络终端接入策略

论文提出了一种面向配用电物联网(PD-IoT)的异构无线通信网络最佳适配性动态接入策略。首先,引入网络属性效用函数,并基于聚合效用建立量化PD-IoT业务终端与无线网络适配性的评价模型;其次,综合考虑PD-IoT业务通信需求和通信网络性能来完成业务终端对各网络属性的动态定权;再次,引入网络切换控制机制以确保终端与无线网络间可靠的通信连接和通信质量;最后,通过案例仿真验证了论文异构网络接入选择策略的有效性。

基于边缘计算的电力无线专网组网方案

建设全业务泛在电力物联网成为打造坚强智能电网的强有力支撑,分析了电力无线专网的两种网络架构和典型的电力业务对通信的要求,围绕省集中部署方案,提出了云边协同的网络架构及组网方案,满足了大带宽、低时延、本地特色应用等业务需求。

配网开关设备智能物联感知与关键技术研究

针对配网开关设备智能化程度不高、难以支撑智能运维的现状,以新型电力系统建设中对电力设备实现“可观、可测、可控”的要求为目标,构建了配网开关设备智能物联感知方案,实现配网开关设备状态感知及故障研判。根据“软件定义硬件”的技术原则,基于国产芯片设计了自主可控的智能物联感知终端软硬件平台。终端采用LXC容器技术实现软硬件的解耦,通过业务类APP实现终端功能及灵活扩展。同时对机械特性分析、温度监测、电机状态、图像位置识别等核心边缘计算等算法进行了详细论证。最后进行了试验验证,结果表明可实现配网开关设备状态实时感知、就地故障分析等功能,能够有效支撑设备的智能运维,具有良好的应用价值。

窄带物联网部署策略

基于蜂窝的物联网连接由于设备功耗大、部署成本高等劣势,目前在移动网络上承载的物联网连接只占到总数的6%。以NB-IoT(Narrow-Band Internet of Things)为代表的低功耗广域网(Low Power Wide Area,LPWA)具有低成本、广覆盖的特点,在未来低速率物联网业务中扮演着重要角色。文章从标准化进展、频率部署方式等方面对NB-loT技术进行分析,给出中国联通窄带物联网的网络架构和部署方案,为中国联通NB-IoT的内外场测试及商用部署提供参考。

基于6LoWPAN的物联网寻址策略研究

在6LoWPAN(IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Network)的基础上,该文提出应用于物联网的寻址策略,实现基于IEEE 802.15.4协议的底层异构网络与互联网的实时通信。寻址策略包括IPv6地址自动配置和报头压缩。采用的分层地址自动配置策略,首先在底层网络内部允许节点使用16位短地址导出的链路本地地址进行数据分组传输,该链路本地地址需通过执行基于分簇的重复地址检测机制保证唯一性;其次,每个底层网络中的Sink节点通过上层IP路由器获取全球路由前缀,并与接口标识符相结合,形成Sink节点的全球地址,实现底层网络与互联网的数据交换。同时,通过在报头压缩编码中植入链路本地地址和全球地址控制位,提出了一种适用于物联网应用的报头压缩方案IIPHC(IoTs IPv6 Header Compression)。如果地址类型为链路本地地址,则采用简单灵活的IIPHC1方案,如果地址类型为全球地址,则采用相对复杂但有效的IIPHC2方案。仿真及测试结果表明,基于6LoWPAN的物联网寻址策略在网络开销、时延、吞吐量、能耗等性能方面存在一定的优越性。

广播电视相关行业物联网业务发展状况的探讨

主要介绍了电信行业、电力行业的物联网(Internet of Ting,IOT)应用服务开展情况以及物联网网络整体规划和设计情况。探讨了基于广电网络开展物联网业务的优势,以及符合现有网络发展趋势,和适合广电网络开展的物联网应用服务类型。

面向认知物联网的隐蔽通信智能功率控制

针对认知物联网的安全问题,提出了一种基于生成对抗网络的认知物联网隐蔽通信智能功率控制算法。首先将认知物联网隐蔽通信问题转化为认知物联网用户和窃听者之间的动态博弈问题,然后利用生成器模仿认知物联网用户,利用鉴别器模仿窃听者,两者分别采用3层神经网络构建,并通过二人零和博弈实现学习优化过程,最终达到纳什均衡,获得隐蔽功率控制方案。仿真结果表明,所提出的算法收敛速度快,不仅可以获得近似最优的隐蔽功率控制方案,而且在未来认知物联网中更具有实用性。