基于边缘计算的低功耗物联网智能感知系统研究

1. 引言

全球物联网连接数于 2025年预计突破 270 亿，但现有设备中仅 12% 支持电池寿命超3 年（GSMA 2023 报告）。在智慧农业、工业4.0 等长尾场景中，设备能源补给困难与实时性需求形成尖锐矛盾。国家电网某变电站在线监测项目显示，传统周期上传数据的方案因通信能耗占比达 73% ，导致年维护成本增加41%。边缘计算通过将计算任务下沉至网络边缘，为破解能耗困局开辟新路径：华为昇腾芯片部署的轻量化 ResNet模型在农机状态识别中实现能效比提升 15倍；麻省理工学院团队开发的Sub- -mW 级射频唤醒电路使待机功耗降至 0.3μA. 。然而，现有方案在动态环境适应性、多模态感知协同及能量收集稳定性方面仍存在显著缺陷，亟需构建“端- 边- 云”协同的低功耗智能感知体系。

2. 研究现状

全球物联网连接数于 2025年预计突破 270 亿，但现有设备中仅 12% 支持电池寿命超3 年（GSMA 2023 报告）。在智慧农业、工业4.0 等长尾场景中，设备能源补给困难与实时性需求形成尖锐矛盾。国家电网某变电站在线监测项目显示，传统周期上传数据的方案因通信能耗占比达 73% ，导致年维护成本增加41%。边缘计算通过将计算任务下沉至网络边缘，为破解能耗困局开辟新路径：华为昇腾芯片部署的轻量化 ResNet模型在农机状态识别中实现能效比提升 15倍；麻省理工学院团队开发的Sub-mW 级射频唤醒电路使待机功耗降至 0.3μA. 。然而，现有方案在动态环境适应性、多模态感知协同及能量收集稳定性方面仍存在显著缺陷，亟需构建“端- 边- 云”协同的低功耗智能感知体系。

3. 系统设计与关键技术

3.2 系统设计框架

本系统采用“感知层 - 边缘层 - 服务层”三级协同架构，实现从数据采集到智能决策的全流程优化。在感知层，异构传感器网络集成温湿度、振动及低分辨率图像采集模块，搭载超低功耗 STM32L4微控制器（工作电流 1.8μA/ MHz），支持基于环境状态自适应的动态采样率调节（ (0.1Hz^～10kHz^⋅ ），有效平衡监测精度与能耗矛盾。边缘层部署瑞芯微RK1808 AI 计算节点，通过ZigBee 3.0与 LoRa 双模通信协议构建半径 2km 覆盖网络，采用时间分片复用机制将信道冲突率控制在 7% 以下。服务层依托云端管理平台实现设备状态实时监控与神经网络模型增量更新，通过差分隐私技术保障数据安全传输。

3.2 系统核心技术

动态能量管理机制创新性融合光伏 / 振动双源能量收集电路，采用LTC3588 电源管理芯片实现 85% 的高效能量转换。结合 -learning 强化学习算法构建动态电压调节策略，根据能量缓冲区状态（ 0^～4.2V) ）实时调整设备工作模式。轻量化感知模型设计引入神经架构搜索（NAS）技术，生成面向边缘设备的专用模型 EfficientNet-Edge，通过通道稀疏化与 8 位定点量化将模型参数量压缩至 52KB。能量最优感知基于香农 - 奈奎斯特重构理论，推导动态采样

率公式：

（α 为环境突变因子，EbufEbuf 为缓冲能量）

在工业轴承故障诊断任务中，模型在STM32L4 平台实现 98.2% 识别准确率，单次推理能耗仅 0.27mJ ，较标准 MobileNetV3 降低能耗 83.5% 。协同计算优化提出三联策略：基于卡尔曼滤波的环境变化预测模块驱动传感器集群动态分组采样，将冗余数据量减少 62% ；改进型压缩感知（CS）算法在边缘节点完成特征提取；构建能耗 - 延迟代价模型实现任务弹性卸载，通过动态规划算法完成本地计算与边缘卸载的最优决策。

4. 总结与展望

本研究通过三大创新突破低功耗物联网技术瓶颈：能量感知架构使设备在0.2lux 照度下持续工作；模型压缩技术实现边缘端较高识别精度；动态卸载机制降低通信能耗。这些成果推动物联网从“连通能力”向“自主智能”演进。

未来工作将聚焦于硬件成本压缩、通信可靠性提升、算法可持续升级，明确示范工程与寿命目标。随着《物联网新型基础设施建设三年行动计划》推进，本技术有望进一步得到落地实施。

参考文献：

[1] 蔡洁聪 , 国旭涛 , 陈思艺 , 等 . 基于边缘计算和机器学习的光伏面板热斑检测系统设计 [J]. 工业控制计算机 ,2025,38(05):65-66.

[2] 盛志祥 , 陈智 . 基于 5G 与物联网的智慧医院信息系统架构与应用研究 [J]. 中 国 宽 带 ,2025,21(06):160-162.DOI:10.20167/j.cnki.ISSN1673-7911.2025.06.54.

[3] 李向阳 , 尚飞 , 闫宇博 , 等 . 智能物联网低功耗感知综述 [J]. 计算机研究与发展 ,2024,61(11):2754-2775.

[4]中国能源研究会信息通信专业委员会 ,EPTC 电力信息通信专家工作委员会 . 低功耗无线传感网电力应用现状与发展报告 [M]. 中国水利水电出版社 :202309.103.

作者简介：

1. 薛东泽，男，2004年 12 月生，人，汉族，本科，学生，建筑电气与智能化，