CN106773677A - 一种采用延时优化策略的环境嵌入式*** - Google Patents

一种采用延时优化策略的环境嵌入式*** Download PDF

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
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Abstract

本发明公开了一种采用延时优化策略的环境嵌入式***，由能量采集模块、能量存储模块、动态功耗管理模块和应用处理模块组成，所述动态功耗管理模块由计数单元和控制单元构成，所述计数单元用于统计所述能量采集模块每个工作周期采集的能量；所述控制单元用于求解多时段功耗优化问题。本发明利用功能极为简单的计数单元代替了能量预测单元，通过能量延时策略决定***下一时段的工作状态。由于计数单元无需加载复杂的能量预测算法，因此***解决优化问题的耗时大大降低，同时***静态功耗也相应降低。由于控制单元使用真实的采集能量数值进行优化，***的稳定性得到了提升，能量预测带来的影响也被彻底消除。

Description

一种采用延时优化策略的环境嵌入式***
技术领域
本发明涉及嵌入式***的功耗管理，具体的说，是涉及一种采用延时优化策略的环境嵌入式***。
背景技术
近几年，环境嵌入式***得到了迅猛地发展。如今，这种***已经广泛安置在诸如森林、河流、火山、道路、桥梁等地区，用于监控环境和建筑物的变化[1-3]。作为保证环境嵌入式***高效稳定工作的关键，动态功耗管理模块如今已经得到研究人员的广泛关注。
环境嵌入式***由能量采集模块、能量存储模块、动态功耗管理模块和应用处理模块组成。其中，能量采集模块负责采集太阳能。能量存储模块存储采集的能量，同时驱动应用模块处理任务。应用处理模块完成信息采集、预处理及发送等任务，是主要的能量消耗单元。动态功耗管理模块决定应用模块的工作状态[4]。
动态功耗管理模块由能量预测单元和控制单元两部分构成。能量预测单元根据***过去采集的能量，采用一定的预测算法预测未来采集的太阳能。根据采集能量的预测值和存储的能量等***参数，控制单元通过求解自身加载的功耗动态模型决定应用模块的工作状态，如处理速度等，以实现***功耗的动态调节。对控制单元而言，能量预测单元能否准确预测能量采集情况，尤其是能量采集不足的情况，对于保证***稳定工作具有极其重要的作用[5]。
为了提高预测算法本身精度。文献[6]针对预测模块进行了精确度更高的预测算法，文献[7]针对能量预测模块设计了自适应的滤波器以提升***能量预测能力。但是当能量的预测值连续多个时段高于实际采集到的太阳能时***仍有可能停止工作。文献[5]采用基于神经网络的太阳能预测算法，预测精度为±5％。当能量预测值高于实际采集能量值时，应用处理模块的功耗将超过采集的能量。如果这种情况连续多个时段出现，存储单元的能量将被快速消耗，导致应用单元停止工作。另外，如文献[8]所示，预测算法无法预测太阳能骤降的情况，太阳能骤降时***可能会无法工作。
为了解决太阳能骤降带来的问题，文献[8]提出了一种双层结构的环境嵌入式***，该***有两组动态功耗管理模块，通过彼此的约束算法为***保留更多能量，以应对太阳能骤降时***因能量不足而停止工作的问题。但这种做法并没有解决预测单元存在的问题，另外预测单元本身结构复杂[5]，会带来一定的功耗同时增加优化***功耗的时间。
参考文献：
[1]Sadeghioon A M,Metj e N,Chapman D,et al SmartPipes:Smart wirelesssensor networks for leak detection in water pipelines[J].Journal of Sensor&Actuator Networks,2014,3(1):64-78
[2]Lopes Pereira R,Trindade J,F,et al.A wireless sensornetwork for monitoring volcano-seismic signals[J].Natural Hazards&EarthSystem Sciences,2014,14(12):3123-3142.
[3]He B,Li Y,Huang H,et al.Spatial–temporal compression and recoveryin a wireless sensor network in an underground tunnel environment[J].Knowledge and Information Systems,2014,41(2):449-465.
[4]Kansal A,Hsu J,Zahedi S,et al.Power management in energyharvesting sensor networks[J].Acm Transactions on Embedded Computing Systems,2007,6(4):2007.
[5]Liu Qiang,Mak T,Zhang Tao,et al.Power adaptive computing systemdesign for solar-energy-powered embedded systems[J].IEEE Transactions on VeryLarge Scale Integration Systems,2014,23(8):1-1
[6]Macko D,Jelemenska K,Cicak P.Power-efficient power-managementlogic[C],Power and Timing Modeling,Optimization and Simulation(PATMOS),201424th International Workshop on.IEEE,2014:1-7.
[7]Szadkowski,Z,Fraenkel,E.D,van den Berg,A.M.FPGA/NIOSImplementation of an adaptive fir filter using linear prediction to reducenarrow-band rfi for radio detection of cosmic rays[J].Nuclear Science IEEETransactions on,2013,60(5):3483-3490.
[8]Moser C,Thiele L,Brunelli D,et al.Adaptive power management forenvironmentally powered systems[J].IEEE Transactions on Computers,2010,59(4):478-491.
发明内容
本发明针对预测单元可能导致环境嵌入式***停止工作的问题，采用计数单元代替预测单元，提出了一种采用延时优化策略的环境嵌入式***。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种采用延时优化策略的环境嵌入式***，由能量采集模块、能量存储模块、动态功耗管理模块和应用处理模块组成，所述动态功耗管理模块由计数单元和控制单元构成，所述计数单元用于统计所述能量采集模块每个工作周期采集的能量；所述控制单元用于求解多时段功耗优化问题。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明利用功能极为简单的计数单元代替了能量预测单元，通过能量延时策略决定***下一时段的工作状态。由于控制单元使用真实的采集能量数值进行优化，***的稳定性得到了提升，能量预测带来的影响也被彻底消除。
2.控制单元采用的功耗模型和优化目标与其他动态功耗管理模块无异，因此该模块同样可以在满足能量约束的前提下最大化***性能。
3.由于计数单元无需加载复杂的能量预测算法，因此***解决优化问题的耗时大大降低，同时***静态功耗也相应降低。
附图说明
图1是本发明***的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1所示，一种采用延时优化策略的环境嵌入式***，由能量采集模块、能量存储模块、动态功耗管理模块和应用处理模块组成，该***的动态功耗管理模块由计数单元和控制单元两部分构成。其中计数单元主要用于统计能量采集模块每个工作周期采集的能量；控制单元根据***过去采集的能量求解多时段功耗优化问题，根据解的值调整***未来的工作状态。这种方法要求***在开始工作前的几个时刻仅进行能量采集工作，随后控制单元根据***之前采集的能量调整***工作。这种方法，实际上是对采集能量进行了延时处理，因此也可这种方法也可称为能量延时优化策略。
该***模型主要用于处理图像追踪、图像传输等任务的环境嵌入式***，下面是对该***工作模式的详细描述。
第一阶段：充电阶段
***在前n个时间段内***仅采集能量但不工作，计数单元统计每个时段***采集的能量。
第二阶段：***工作
能量采集模块采集能量
能量采集模块将采集能量的值以电信号的形式传递给计数单元；同时将采集的能量传入能量存储模块
控制单元利用之前采集的能量求解功耗优化问题，该***以最大化所需考虑区间的最后一个时段使用TLD算法的处理的图像帧数为优化目标，通过调整单位时段内使用TLD算法处理的图像数来调整***功耗，如果之前采集能量越多，***使用处理的图像帧数就越多；如果少，处理的图像帧数就少些，但至少保证***每个时段内能使用TLD算法处理一帧图像
控制单元传递工作指令给应用处理模块，这里传递的就是下一个时段***使用TLD算法处理的图像帧数。
能量存储模块为应用处理模块供电，应用处理模块根据控制单元的指令工作。
进一步的，具体实施过程中将本发明嵌入式***应用于太阳能供电环境，通过实验模拟了该***在不同天气下的工作情况，结果表明：使用该模型的环境嵌入式***每次求解功耗优化问题仅需0.4秒，其采集能量的利用率达到99.79％。除去初期仅用于能量采集的时段，***能够在任何时段保持工作。因此,该动态功耗管理模块实现了***性能的全面优化。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种采用延时优化策略的环境嵌入式***，其特征在于，由能量采集模块、能量存储模块、动态功耗管理模块和应用处理模块组成，所述动态功耗管理模块由计数单元和控制单元构成，所述计数单元用于统计所述能量采集模块每个工作周期采集的能量；所述控制单元用于求解多时段功耗优化问题。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101960396A (zh) * 2008-02-29 2011-01-26 株式会社东芝 蓄能装置的运转计划制作方法以及运转计划制作装置
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WO2013160326A1 (en) * 2012-04-24 2013-10-31 Aktiebolaget Skf A method and a unit of power harvesting

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Non-Patent Citations (2)

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Title
吴寅: "《采用环境能量的自供电无线传感器网络关键技术研究》", 《中国博士学位论文全文数据库》 *
李鑫等: "《用于环境嵌入式***的多时段动态功耗管理方法》", 《西安交通大学学报网络出版》 *

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