CN112904710B - 一种基于数据节能的矿用物联网传感器的低功耗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数据节能的矿用物联网传感器的低功耗方法，属于矿用物联网传感器的使用方法技术领域；本发明采用传感器实时地数据来智能的控制系统的工作周期，通过传感器的实时数据，智能地控制核心控制器和5G通信模块的工作周期，当传感器的数据变化缓慢或者不变化时，延长核心控制器和5G通信模块的工作周期，进一步地降低了5G传感器的能耗；当传感器的数据变化剧烈，或者远离正常工作值且接近危险值时，智能地缩短核心控制器和5G通信模块地工作周期，进一步地提高了5G传感器的灵敏度；克服了传感器受核心控制器和5G通信模块工作周期长短影响系统功耗和灵敏度的缺点。
Description
技术领域
本发明属于矿用物联网传感器的使用方法技术领域，具体涉及一种基于数据节能的矿用物联网传感器的低功耗方法。
背景技术
在5G传感器应用中，降低传感器系统功耗是关键问题之一，特别是在5G传感器系统需要长期工作的应用场景中。传统的无线传感器在工作时，核心控制器和无线通信模块处于一直工作的状态，他们会以固定的时间间隔对敏感元器件的信号进行采集和发送，由于核心控制器和无线通信模块对敏感元器件的数据变化不能智能感知，所以他们只能持续地工作，这样不利于降低系统的功耗。在实际应用中，很多无线传感器采集的都是幅值连续且缓慢变化的数据，如温度、湿度等。采集的传感器信号如果没有变化或变化较小，则核心控制器本次地采集的数据是多余的，无线通信模块对采集的信号进行发送也是多余的，这样会浪费无线传感器的电池能量，降低系统的待机时间。而且如果核心控制器和无线通信模块以很短的周期进行工作，则采集和处理传感器数据太频繁，会造成大量的系统功耗。如果采用较长的周期进行工作，功耗会低一些，但是当传感器数据发生较大变化时，需要等待较长的时间才能采集和处理传感器的数据，不能对传感器的数据进行及时的响应，因此需要一种高灵敏度的，更低功耗的基于数据节能的智能5G传感器。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种基于数据节能的矿用物联网传感器的低功耗方法；解决目前矿用物联网传感器的续航时间较短的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种基于数据节能的矿用物联网传感器的低功耗方法，包括以下步骤：
步骤A、对核心控制器的控制参数进行初始化配置，即对危险特征值Tr、最小周期值t0、正常工作值Tu进行初始化设置；
步骤B、对无线通信模块进行初始化配置；
步骤C、采集传感器的实时数据Tx；
步骤D、根据传感器的实时数据进行节能周期的计算：
其中，t是核心控制器和无线通信模块需要更新的周期，t0是最小周期值，Tr是危险特征值|Tx-Tr|表征传感器数据靠近危险特征值的程度，Tu是正常工作值，|Tx-Tu|表征传感器数据靠近正常工作值的程度，Td是传感器数据较上次变化的微分值，表征传感器数据变化的剧烈程度，Ti是传感器多次数据变化微分值的积分值，表征传感器数据变化率的累加值，随时间的推移放大数据的微小变化，k1是正常工作系数，k2是微分系数，k3是积分系数，k4是危险报警系数，k5是线性系数；
步骤E、根据步骤D中更新的周期，进行整个系统的休眠等待；
步骤F、当步骤E的休眠结束时，无线通信模块会将步骤C中的传感器数据Tx进行向外发送；步骤G、执行完毕步骤F的数据发送操作后，判断系统是否关机，若选择是就跳转到步骤H执行结束，否则执行步骤C继续对下一时刻的传感器数据进行采集；
步骤H、系统断电，传感器关机。
进一步的，所述无线通信模块为5G通信模块。
更进一步的，可以通过调整k1、k2、k3、k4、k5系数的不同数值来改变各个部分对周期影响的权重。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
(1)本发明采用数据节能的方法，当传感器的数据变化缓慢或者不变化时，延长核心控制器和5G通信模块采集和发送数据的周期，降低系统的能耗；只有当传感器信号变化剧烈或者偏离正常值且接近危险值时，核心控制器与5G无线通信模块才减小采集和发送数据的周期，提高传感器的灵敏度；本方法克服了传统方法中核心控制器与无线通信模块频繁地采集和发送传感器数据的问题，使核心控制器和5G通信模块的平均工作周期更长，功耗更低；
(2)本发明采用的低功耗方法采用敏感元器件数据变化来控制核心控制器与5G通信模块的工作周期，不需要人为的设定系统采集和发送数据的周期，避免了固定周期对传感器灵敏度和能耗产生的不良影响；
(3)本发明采用的低功耗方法利用软件控制算法实现对传感器数据的智能感知，与硬件智能感知电路相比，进一步地降低了系统电路的复杂度和电路元器件的能耗；
(4)本发明采用的低功耗方法适用于各种连续且缓慢变化的模拟量的智能感知和处理，延长5G传感器的待机时间，为5G无线传感器的部署以及5G时代的万物互联、万物互通创造了更有利的条件。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
图1是传感器采集的数据随时间微弱变化的示意图；
图2是传感器采集的数据随时间单调递增的示意图；
图3是传感器采集的数据随时间单调递减的示意图；
图4是传感器采集的数据随时间起伏变化的示意图；
图5是本发明的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
本发明提供了一种基于数据节能的矿用物联网传感器的低功耗方法，通过采集传感器的实时数据来智能地控制系统的工作周期，当传感器的数据变化缓慢或者不变化时，延长核心控制器和无线通信模块的工作周期，让系统工作处于低功耗状态；当传感器的数据变化剧烈，或者传感器的数据偏离正常值且接近危险值时，智能地缩短核心控制器和无线通信模块的工作周期，让系统可以对传感器数据进行快速响应。利用传感器实时采集的数据，在提高传感器灵敏度的情况下，进一步地降低传感器系统的能耗。
根据传感器收集的实时数据进行节能周期的计算方法为：
其中t是核心控制器和无线通信模块需要更新的周期，t0是最小周期值，Tr是危险特征值(|Tx-Tr|表征传感器数据靠近危险特征值的程度),Tu是正常工作值(|Tx-Tu|表征传感器数据靠近正常工作值的程度)，Td是传感器数据较上次变化的微分值(表征传感器数据变化的剧烈程度)，Ti是传感器多次数据变化微分值的积分值(表征传感器数据变化率的累加值，随时间的推移放大数据的微小变化)，k1是正常工作系数，k2是微分系数，k3是积分系数，k4是危险报警系数，k5是线性系数(调整不同的系数来改变各个部分对周期影响的权重)。
当数据处于微弱变化情况时(如图1所示)，传感器数据Tx微弱变化时且近似为正常值Tu时，由于数据远离危险值，即公式(1)中的分子部分：|Tx-Tr|较大；由于数据近似处于不变化状态且近似为正常值，即数据微分值Td、数据微分的积分值Ti很小，公式(1)中分母部分：|Tx-Tu|、|Td|、Ti均很小，因此经过数据节能算法更新后的周期会很长，即在数据基本不变且接近正常值时，数据发送周期很长，增加了系统低功耗待机时间，进而降低了系统功耗。
当数据处于单调递增情况时(如图2所示)，且数据逐渐靠近危险值Tr，且逐渐偏离正常值Tu时，数据微分值Td会变大，数据微分的积分值Ti也会逐渐变大，从而使公式(1)中的分子变小，分母变大，使得整个周期逐渐变小，且周期变小的程度，会随着传感器值偏离正常值Tu且靠近危险值Tr的程度而加剧，从而使得系统可以在保证低功耗的情况下将传感器的数据及时发送出去，在保证传感器灵敏度度情况下，尽可能地降低了系统的功耗。
当数据处于单调递减情况时(如图3所示)，且数据逐渐远离危险值Tr，且逐渐靠近正常值Tu时，从而使公式(1)中的分子变大，分母变小，使得整个周期逐渐变大，且周期变大的程度，会随着传感器值靠近正常值Tu且远离危险值Tr的程度而加剧，从而使得系统的工作周期变大，在保证传感器灵敏度度情况下，尽可能地降低了系统的功耗。
当数据处于起伏变化情况时(如图4所示)，当传感器的数据Tx在正常值附近呈现起伏变化时，数据的微分值Td会变大，数据微分的积分值Ti也会逐渐变大，会使得公式(1)中的分母部分变大，但是由于数据在正常值Tu附近波动，远离危险值Tr，所以|Tx-Tu|比较小，|Tx-Tr||较大，公式(1)中的分子部分也会变大，随着波动时间的积累，分母变大的程度会更加明显，使整个周期逐渐变小，即数据波动时会缩短系统周期，进而在提高系统危险报警灵敏度的情况下尽可能地降低了系统功耗。
上述低功耗方法的工作流程图如图5所示，具体包括以下步骤：
A.对核心控制器的控制参数进行初始化配置，即对危险特征值Tr、最小周期值t0、正常工作值Tu进行初始化设置。
B.对5G通信模块进行初始化配置。
C.采集传感器的实时数据Tx。
D.根据传感器的实时数据进行节能周期的计算：
当数据处于微弱变化情况时(如图1所示)，经过数据节能算法更新后的周期会很长，即在数据基本不变且接近正常值时，数据发送周期很长；
当数据处于单调递增情况时(如图2所示)，且数据逐渐靠近危险值Tr，且逐渐偏离正常值Tu时，使得整个周期逐渐变小，且周期变小的程度，会随着传感器值偏离正常值Tu且靠近危险值Tr的程度而加剧；
当数据处于单调递减情况时(如图3所示)，且数据逐渐远离危险值Tr，且逐渐靠近正常值Tu时，使得整个周期逐渐变大，且周期变大的程度，会随着传感器值靠近正常值Tu且远离危险值Tr的程度而加剧，从而使得系统的工作周期变大；
当数据处于起伏变化情况时(如图4所示)，当传感器的数据Tx在正常值附近呈现起伏变化时，随着波动时间的积累，使整个周期逐渐变小，即数据波动时会缩短系统周期。
E.根据步骤D中更新的周期，进行整个系统的休眠等待。
F.当步骤E的休眠结束时，5G通信模块会将步骤C中的传感器数据Tx进行向外发送。
G.执行完毕步骤F的数据发送操作后，判断系统是否关机，若选择是就跳转到步骤H执行结束，否则执行步骤C继续对下一时刻的传感器数据进行采集。
H.系统断电，传感器关机。
通过传感器的实时数据，智能地控制核心控制器和5G通信模块的工作周期，以克服传感器受核心控制器和5G通信模块工作周期长短影响系统功耗和灵敏度的缺点。本发明采用传感器实时地数据来智能的控制系统的工作周期，当传感器的数据变化缓慢或者不变化时，延长核心控制器和5G通信模块的工作周期，进一步地降低了5G传感器的能耗；当传感器的数据变化剧烈，或者远离正常工作值且接近危险值时，智能地缩短核心控制器和5G通信模块地工作周期，进一步地提高了5G传感器的灵敏度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (3)
1.一种基于数据节能的矿用物联网传感器的低功耗方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、对核心控制器的控制参数进行初始化配置，即对危险特征值Tr、最小周期值t0、正常工作值Tu进行初始化设置；
步骤B、对无线通信模块进行初始化配置；
步骤C、采集传感器的实时数据Tx；
步骤D、根据传感器的实时数据进行节能周期的计算：
其中，t是核心控制器和无线通信模块需要更新的周期，t0是最小周期值，Tr是危险特征值|Tx-Tr|表征传感器数据靠近危险特征值的程度，Tu是正常工作值，|Tx-Tu|表征传感器数据靠近正常工作值的程度，Td是传感器数据较上次变化的微分值，表征传感器数据变化的剧烈程度，Ti是传感器多次数据变化微分值的积分值，表征传感器数据变化率的累加值，随时间的推移放大数据的微小变化，k1是正常工作系数，k2是微分系数，k3是积分系数，k4是危险报警系数，k5是线性系数；
步骤E、根据步骤D中更新的周期，进行整个系统的休眠等待；
步骤F、当步骤E的休眠结束时，无线通信模块会将步骤C中的传感器数据Tx进行向外发送；
步骤G、执行完毕步骤F的数据发送操作后，判断系统是否关机，若选择是就跳转到步骤H执行结束，否则执行步骤C继续对下一时刻的传感器数据进行采集；
步骤H、系统断电，传感器关机。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据节能的矿用物联网传感器的低功耗方法，其特征在于：所述无线通信模块为5G通信模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据节能的矿用物联网传感器的低功耗方法，其特征在于：可以通过调整k1、k2、k3、k4、k5系数的不同数值来改变各个部分对周期影响的权重。
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