CN111007406B - 一种物联网节点功耗统计学习方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网节点功耗统计学习装置及方法，涉及物联网领域，该装置包括电量统计单元和微处理器单元，电量统计单元用于连接物联网节点以及物联网节点的电池，以采集电池剩余电量、电池电流和电池电压；微处理器单元用于连接电量统计单元和物联网节点，所述微处理器单元用于接收物联网节点发送的微操作功耗统计请求后驱使电量统计单元周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压，计算得到每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，然后再基于采集的周期数，以及每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，进行平均计算，得到每一种微操作的平均功耗。本发明能够简单而高效的实现对物联网电量的精确计算。

Description

一种物联网节点功耗统计学习方法

技术领域

本发明涉及物联网领域，具体涉及一种物联网节点功耗统计学习装置及方法。

背景技术

处于物联网边缘的每一个终端节点大多采用电池供电，终端节点所选电池的电量大小和功率消耗直接影响节点的生命周期，在节点生命周期中，对节点剩余电量进行准确有效的监控和管理有利于对节点能耗进行最大化利用。

目前，针对物联网节点的电量统计与分析主要采用电池电压估算法和电池电量库仑统计法。电池电压估算法是利用电池电压电量近似线性化特征，通过测得实际工作电压所在范围来预估电池剩余电量，但此方法不适用物联网中使用数量较多的恒压型锂亚电池；电池电量库仑统计法通过在电池与节点之间插入专用电量统计电路，对节点的剩余电量进行实时采样与监控，该方法可以很好的实现电量监控，但缺点是需要给每一个物联节点配置一个电池库仑统计电路，不但增加了额外的硬件开销，而且电池库伦统计装置的插入也会增加整个物联节点的功耗。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种物联网节点功耗统计学习装置及方法，能够简单而高效的实现对物联网电量的精确计算。

为达到以上目的，本发明提供的一种物联网节点功耗统计学习装置，包括：

电量统计单元，其用于连接物联网节点以及物联网节点的电池，以采集电池剩余电量、电池电流和电池电压；

微处理器单元，其用于连接电量统计单元和物联网节点，所述微处理器单元用于接收物联网节点发送的微操作功耗统计请求后驱使电量统计单元周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压，计算得到每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，然后再基于采集的周期数，以及每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，进行平均计算，得到每一种微操作的平均功耗。

在上述技术方案的基础上，

所述微处理器单元上还连接有存储单元和人机交互接口；

所述存储单元用于对电量统计单元采集的电池剩余电量、电池电流和电池电压进行存储，以及对每一种微操作的平均功耗进行存储；

所述人机交互接口包括上位机交互通信接口、显示单元和按键，所述上位机交互通信接口用于上位机与微处理器单元进行数据交互，所述显示单元用于显示当前时间点微处理器单元读取的电量统计单元采集的数据，所述按键用于对工作于低功耗模式下的微处理器单元进行唤醒。

在上述技术方案的基础上，所述微处理器单元和物联网节点间通过单总线进行连接。

本发明提供的一种物联网节点功耗统计学习方法，包括以下步骤：

基于物联网节点的微操作类型创建至少一个微操作模板，每个微操作模板用于存储一种微操作的平均功耗；

当微处理器单元处于休眠模式被唤醒时，对唤醒源进行判断：

若唤醒源为物联网节点，记录每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，形成记录数据，基于记录数据中每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，以及周期数，进行平均计算得到每一种微操作的平均功耗；

若唤醒源为与微处理器单元连接的按键，则微处理器单元驱使电量统计单元采集当前时间点的电池剩余电量、电池电流和电池电压，并进行显示；

若唤醒源为上位机，则微处理器单元接受上位机发送的指令并对指令进行判断，

-若指令为功耗学习指令，则物联网节点开启功耗学习模式；

-若指令为退出功耗学习指令，将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中，物联网节点退出功耗学习模式，并根据微操作模板中存储的每一种微耗操作的平均功耗计算物联网节点正常工作中各微操作产生的电量消耗；

-若指令为电量上传指令，则微处理器单元将电量统计单元采集的电池信息上传至上位机；

在上述技术方案的基础上，所述功耗学习模式为物联网节点按照预设需求依次执行相应的微操作。

在上述技术方案的基础上，

所述微操作模板由物联网节点创建；

所述微处理器单元创建平均功耗记录区，所述平均功耗记录区用于对每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗进行记录。

在上述技术方案的基础上，

所述微处理器单元上连接有存储单元和人机交互接口；

所述人机交互接口包括上位机交互通信接口、显示单元和按键，所述上位机交互通信接口用于连接上位机；

所述微处理器单元创建的平均功耗记录区位于所述存储单元中。

在上述技术方案的基础上，所述记录每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，形成记录数据，具体步骤包括：

微处理器单元接收物联网节点发送的微操作功耗统计请求，所述微操作功耗统计请求中包括当前正在进行的微操作类型；

微处理器单元驱使电量统计单元以设定的周期，周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压；

微处理器单元读取电量统计单元采集的电池剩余电量、电池电流和电池电压，并存储于自身的缓存中；

物联网节点向微处理器单元发送的停止采集指令，微处理器单元接收指令后驱使电量统计单元停止采集电池剩余电量、电池电流和电池电压；

微处理器单元根据缓存中存储的电池剩余电量、电池电流和电池电压信息，计算得到每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗并存储于平均功耗记录区中。

在上述技术方案的基础上，

所述微处理器单元和物联网节点间通过单总线进行连接；

所述物联网节点通过单总线发送微操作功耗统计请求给微处理器单元；

所述物联网节点通过单总线向微处理器单元发送的停止采集指令。

在上述技术方案的基础上，所述将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中，具体步骤包括：

微处理器单元按照微操作类型，对平均功耗记录区中每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗进行滤值操作；

基于周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压的周期数，以及滤值操作后剩下的每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，进行平均计算，得到每一种微操作的平均功耗，然后将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过记录每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，形成记录数据，然后基于记录数据中每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，以及周期数，进行平均计算得到每一种微操作的平均功耗，最后将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中，后续便可以根据学习到的功耗信息，以及物联网节点中每种类型微操作执行时间，准确累积物联网节点投放生命周期的电量消耗，简单而高效的实现对物联网电量的精确计算。

附图说明

图1为本发明实施例中一种物联网节点功耗统计学习装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种物联网节点功耗统计学习装置的实际部件构成图；

图3为本发明实施例中一种物联网节点功耗统计学习方法的流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种物联网节点功耗统计学习装置，当物联网节点进行微操作时，周期性采集电池信息，计算得到每一种微操作的平均功耗进行学习，后续便可以根据学习到的功耗信息准确累积物联网节点投放生命周期的电量消耗。本发明实施例相应地还提供了一种物联网节点功耗统计学习方法。以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供的一种物联网节点功耗统计学习装置包括电量统计单元和微处理器单元。电量统计单元用于连接物联网节点以及物联网节点的电池，以采集电池剩余电量、电池电流和电池电压。微处理器单元用于连接电量统计单元和物联网节点，微处理器单元用于接收物联网节点发送的微操作功耗统计请求后驱使电量统计单元周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压，计算得到每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，然后再基于采集的周期数，以及每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，进行平均计算，得到每一种微操作的平均功耗。通过周期性采集电池信息，计算得到每一种微操作的平均功耗进行学习，后续便可以根据学习到的功耗信息准确累积物联网节点投放生命周期的电量消耗。

微处理器单元上还连接有存储单元和人机交互接口。存储单元用于对电量统计单元采集的电池剩余电量、电池电流和电池电压进行存储，以及对每一种微操作的平均功耗进行存储。人机交互接口包括上位机交互通信接口、显示单元和按键，上位机交互通信接口用于上位机与微处理器单元进行数据交互，显示单元用于显示当前时间点微处理器单元读取的电量统计单元采集的数据，所述按键用于对工作于低功耗模式下的微处理器单元进行唤醒。微处理器单元和物联网节点间通过单总线进行连接，从而物联网节点通过单总线与微处理器单元进行信息交互。

参见图2所示，对于本发明物联网节点功耗统计学习装置的构成，具体的，微处理器单元选用STM32L031芯片，电量统计单元采用BQ35100芯片，存储单元选用256Mb SPIFLASH芯片，STM32L031芯片通过I2C(Inter－Integrated Circuit，两线式串行总线)接口与BQ35100芯片进行通信，STM32L031芯片的一GPIO(General Purpose Input Output，通用输入/输出口)与BQ35100芯片的使能引脚连接，用于控制BQ35100芯片进行电池信息采集的开启和关闭。BQ35100芯片通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)与256Mb SPI FLASH芯片连接，用于进行数据的存储和读取。

显示单元选用12864OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机电激光显示)屏，12864OLED屏通过SPI接口与STM32L031芯片进行通信，人机交互接口选用USB(UniversalSerial Bus通用串行总线)接口，上位机选用CP2102芯片，STM32L031芯片通过一低功耗异步通信接口LPUART与USB转串口CP2102芯片对接，上位机可通过MICRO USB接口与微处理器进行数据交互。STM32L031芯片的XL引脚连接一32.768KHZ低频晶体振荡器，用于微处理器的实时时钟走时，STM32L031芯片通过一GPIO引脚与物联网节点对应微控制器的一GPIO引脚连接，用于唤醒物联网节点与被唤醒，此外微控制器该GPIO可与作为ONEWIRE(单总线)与物联网节点进行数据交互。物联网节点的电池一方面接入微处理器单元，提供电量监测与存储装置所需的工作电源，另一方面通过BQ35100芯片及外围电路后给物联网节点供电。

物联网节点选用了一用于光交箱电子锁系统的控制器，控制器挂载了若干外设(电子锁锁具、温湿度传感器、水浸传感器、门磁感应器、振动倾斜传感器、NBIOT通信单元)，每种外设产生不同的微操作。控制器电池使用了一次性锂亚电池ER34615，该电池具有容量大、自放电率低、耐环境、电压恒定特征。

参见图3所示，本发明实施例提供的一种物联网节点功耗统计学习方法，基于上述所述的学习装置实现，该方法包括：

S1：基于物联网节点的微操作类型创建至少一个微操作模板，每个微操作模板用于存储一种微操作的平均功耗，转到S2；

本发明实施例中，微操作模板由物联网节点创建。微处理器单元创建平均功耗记录区，所述平均功耗记录区用于对每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗进行记录。微处理器单元创建的平均功耗记录区位于微处理器单元上连接的存储单元中。

S2：当微处理器单元处于休眠模式被唤醒时，对唤醒源进行判断，若唤醒源为物联网节点，转到S3，若唤醒源为与微处理器单元连接的按键，转到S4，若唤醒源为上位机，则转到S5；

S3：记录每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，形成记录数据，基于记录数据中每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，以及周期数，进行平均计算得到每一种微操作的平均功耗；进一步的，步骤S3执行完毕后返回步骤S2；

对于记录每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，形成记录数据，平均功耗指单位时间的电量消耗，微操作类型分为多种，例如微操作1、微操作2等，对每种微操作单独进行平均功耗计算，例如记录数据中，对于微操作1，记录第1个周期下的平均功耗，记录第2个周期下的平均功耗，记录第3个周期下的平均功耗等，周期数根据需要进行预设。

本发明实施例中，根据每个周期下的平均功耗以及周期数，再次进行平均计算，即可得到每一种微操作的平均功耗，通过2次平均计算，有效保证计算得到的每种微操作平均功耗的准确性。

S4：微处理器单元驱使电量统计单元采集当前时间点的电池剩余电量、电池电流和电池电压，并进行显示；进一步的，步骤S3执行完毕后返回步骤S2；

S5：微处理器单元接受上位机发送的指令并对指令进行判断，若指令为功耗学习指令，则转到S6，若指令为退出功耗学习指令，则转到S7，若指令为电量上传指令，则转到S8；

S6：微处理器单元唤醒物联网节点，物联网节点开启功耗学习模式，功耗学习模式为物联网节点按照预设需求依次执行相应的微操作，例如，在功耗学习模式下，物联网节点的每种微操作依次执行一次，或者仅依次执行所有微操作中的某几种微操作。进一步的，步骤S6执行完毕后返回步骤S2。

S7：将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中，物联网节点退出功耗学习模式，并根据微操作模板中存储的每一种微耗操作的平均功耗计算物联网节点正常工作中各微操作产生的电量消耗。

S8：微处理器单元将电量统计单元采集的电池信息上传至上位机。

本发明实施例中，微操作模板由物联网节点创建。微处理器单元创建平均功耗记录区，平均功耗记录区用于对每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗进行记录。微处理器单元上连接有存储单元和人机交互接口。人机交互接口包括上位机交互通信接口、显示单元和按键，所述上位机交互通信接口用于连接上位机。微处理器单元创建的平均功耗记录区位于所述存储单元中。

本发明实施例的物联网节点功耗统计学习方法，通过记录每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，形成记录数据，然后基于记录数据中每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，以及周期数，进行平均计算得到每一种微操作的平均功耗，最后将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中，后续便可以根据学习到的功耗信息，以及物联网节点中每种类型微操作执行时间，准确累积物联网节点投放生命周期的电量消耗，简单而高效的实现对物联网电量的精确计算。

可选的，在上述图3对应实施例的基础上，本发明实施例提供的一种物联网节点功耗统计学习方法的第一个可选实施例中，记录每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，形成记录数据，具体步骤包括：

S301：微处理器单元接收物联网节点发送的微操作功耗统计请求，所述微操作功耗统计请求中包括当前正在进行的微操作类型；

S302：微处理器单元驱使电量统计单元以设定的周期，周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压；

S303：微处理器单元读取电量统计单元采集的电池剩余电量、电池电流和电池电压，并存储于自身的缓存中；

S304：物联网节点向微处理器单元发送的停止采集指令，微处理器单元接收指令后驱使电量统计单元停止采集电池剩余电量、电池电流和电池电压；

S305：微处理器单元根据缓存中存储的电池剩余电量、电池电流和电池电压信息，计算得到每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗并存储于平均功耗记录区中。

本发明实施例中，微处理器单元和物联网节点间通过单总线进行连接；物联网节点通过单总线发送微操作功耗统计请求给微处理器单元；物联网节点通过单总线向微处理器单元发送的停止采集指令。

通过微处理器单元接收物联网节点发送的微操作功耗统计请求，以及物联网节点向微处理器单元发送的停止采集指令，从而确定采集时间间隔，相当于确定了采集周期数，在采集的时间间隔内，驱使电量统计单元以设定的周期，周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压，从而可以计算得到每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗。

可选地，在上述物联网节点功耗统计学习方法对应的第一个可选实施例的基础上，本发明实施例提供的一种物联网节点功耗统计学习方法的第二个可选实施例中，将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中，具体步骤包括：

S311：微处理器单元按照微操作类型，对平均功耗记录区中每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗进行滤值操作；

S312：基于周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压的周期数，以及滤值操作后剩下的每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，进行平均计算，得到每一种微操作的平均功耗，然后将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中。

本发明实施例中，微处理器单元按照微操作类型，对平均功耗记录区中每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗进行滤值操作，滤值操作为去掉一个最大值和一个最小值，濾值操作之后，基于周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压的周期数(濾值操作后，周期数对应减少)，以及滤值操作后剩下的每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，进行平均计算，得到每一种微操作的平均功耗，通过2次平均计算，有效保证最后计算得到的每一种微操作的平均功耗的准确性。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种物联网节点功耗统计学习方法，基于物联网节点功耗统计学习装置实现，所述物联网节点功耗统计学习装置实现包括电量统计单元和微处理器单元，电量统计单元用于连接物联网节点以及物联网节点的电池，以采集电池剩余电量、电池电流和电池电压；微处理器单元用于连接电量统计单元和物联网节点，所述微处理器单元用于接收物联网节点发送的微操作功耗统计请求后驱使电量统计单元周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压，计算得到每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，然后再基于采集的周期数，以及每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，进行平均计算，得到每一种微操作的平均功耗；其特征在于，所述物联网节点功耗统计学习方法包括以下步骤：

基于物联网节点的微操作类型创建至少一个微操作模板，每个微操作模板用于存储一种微操作的平均功耗；

当微处理器单元处于休眠模式被唤醒时，对唤醒源进行判断：

若唤醒源为物联网节点，记录每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，形成记录数据，基于记录数据中每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，以及周期数，进行平均计算得到每一种微操作的平均功耗；

若唤醒源为与微处理器单元连接的按键，则微处理器单元驱使电量统计单元采集当前时间点的电池剩余电量、电池电流和电池电压，并进行显示；

若唤醒源为上位机，则微处理器单元接受上位机发送的指令并对指令进行判断，

-若指令为功耗学习指令，则物联网节点开启功耗学习模式；

-若指令为退出功耗学习指令，将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中，物联网节点退出功耗学习模式，并根据微操作模板中存储的每一种微耗操作的平均功耗计算物联网节点正常工作中各微操作产生的电量消耗；

-若指令为电量上传指令，则微处理器单元将电量统计单元采集的电池信息上传至上位机。

2.如权利要求1所述的一种物联网节点功耗统计学习方法，其特征在于：所述功耗学习模式为物联网节点按照预设需求依次执行相应的微操作。

3.如权利要求1所述的一种物联网节点功耗统计学习方法，其特征在于：

所述微操作模板由物联网节点创建；

所述微处理器单元创建平均功耗记录区，所述平均功耗记录区用于对每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗进行记录。

4.如权利要求3所述的一种物联网节点功耗统计学习方法，其特征在于：

所述微处理器单元上连接有存储单元和人机交互接口；

所述人机交互接口包括上位机交互通信接口、显示单元和按键，所述上位机交互通信接口用于连接上位机；

所述微处理器单元创建的平均功耗记录区位于所述存储单元中。

5.如权利要求4所述的一种物联网节点功耗统计学习方法，其特征在于，所述记录每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，形成记录数据，具体步骤包括：

微处理器单元接收物联网节点发送的微操作功耗统计请求，所述微操作功耗统计请求中包括当前正在进行的微操作类型；

微处理器单元驱使电量统计单元以设定的周期，周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压；

微处理器单元读取电量统计单元采集的电池剩余电量、电池电流和电池电压，并存储于自身的缓存中；

物联网节点向微处理器单元发送的停止采集指令，微处理器单元接收指令后驱使电量统计单元停止采集电池剩余电量、电池电流和电池电压；

微处理器单元根据缓存中存储的电池剩余电量、电池电流和电池电压信息，计算得到每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗并存储于平均功耗记录区中。

6.如权利要求5所述的一种物联网节点功耗统计学习方法，其特征在于：

所述微处理器单元和物联网节点间通过单总线进行连接；

所述物联网节点通过单总线发送微操作功耗统计请求给微处理器单元；

所述物联网节点通过单总线向微处理器单元发送的停止采集指令。

7.如权利要求5所述的一种物联网节点功耗统计学习方法，其特征在于，所述将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中，具体步骤包括：

微处理器单元按照微操作类型，对平均功耗记录区中每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗进行滤值操作；

基于周期性采集电池剩余电量、电池电流和电池电压的周期数，以及滤值操作后剩下的每种微操作在每一个预设周期下的平均功耗，进行平均计算，得到每一种微操作的平均功耗，然后将计算得到的每一种微耗操作的平均功耗存储于对应的微操作模板中。

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