对物联网的功耗进行改善.ppt

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1、第七章第七章 物联网的能效管理和智能控制技术物联网的能效管理和智能控制技术 7.17.17.27.2物联网能效管理技术物联网能效管理技术 物联网智能控制和调度技术物联网智能控制和调度技术 物联网中的数据管理与数据库物联网中的数据管理与数据库 7.37.37.17.1 物联网能效管理技术物联网能效管理技术 7.1.17.1.17.1.27.1.2物联网低能耗管理技术物联网低能耗管理技术 物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发中的节能技术 物联网中的新型能源供给方式物联网中的新型能源供给方式 7.1.37.1.3使用物联网技术进行能效管理是由ZigBee的特点决定的：(1)工作周期短、收

2、发信息功耗较低，并且简化功能器件采用了休眠模式，不工作时都可以进入睡眠模式。(2)低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求(3)低速率、短延时。Zigbee的最大通信速率达到250 kbs(工作在24 GHz时)，满足低速率传输数据的应用需求。(4)近距离，高容量。传输范围一般介于10100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到13 km。由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。(5)高可靠性和高安全性。Zigbee还提供了3级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准的对称密码。(6)免执照频段。采用

3、直接序列扩频在工业科学医疗频段。7.1.17.1.1物联网低能耗管理技术物联网低能耗管理技术 根据网络类型的不同，物联网的低能耗设根据网络类型的不同，物联网的低能耗设计技术可以分为有线网络的低功耗设计和计技术可以分为有线网络的低功耗设计和无线网络的低功耗设计。在实际网络设计无线网络的低功耗设计。在实际网络设计过程中，主要是从设备的选型上，对物联过程中，主要是从设备的选型上，对物联网的功耗进行改善。网的功耗进行改善。 1 1从物联网的软件方面考虑，我们可以采用虚拟化技术来有效地整合网络资源，并实现资源共享。因此，对服务器、存储设备等物联网设备进行虚拟化，可以有效降低这些物理设备的使用，从而大大降

4、低网络中不必要的电路能量损耗。例如，利用VMware虚拟技术可提升单个服务器的平均利用率，进而减少对设备数量及设备占地面积的要求，将人力、建筑面积、制冷设备等方面的开支降到最低，达到节能的目的。2 27.1.17.1.1物联网低能耗管理技术物联网低能耗管理技术 7.17.1 物联网能效管理技术物联网能效管理技术 7.1.17.1.17.1.27.1.2物联网低能耗管理技术物联网低能耗管理技术 物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发中的节能技术 物联网中的新型能源供给方式物联网中的新型能源供给方式 7.1.37.1.37.1.27.1.2物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发

5、中的节能技术 在物联网中，降低硬件设备本身的能耗是节能的主要手段。对于物联网硬件设备而言，主要是考虑降低电路内部的冗余能量消耗。其具体实施手段包括选择适当的晶体管大小，选择低功耗的器件、采用多阈值电压、采用动态电压缩放技术和冗余部件关闭技术等。1 17.1.2.1 7.1.2.1 物联网设备的功耗组成物联网设备的功耗组成7.1.27.1.2物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发中的节能技术 物联网设备中的硬件功耗主要包括以下三个部分： （1）动态功耗，用Pd来表示； （2）静态功耗，用Ps来表示； （3）短路功耗，用Psc来表示。短路功耗一般都很小，是可以忽略的。 P=P=P Pd

6、d+P+Ps s+P+Psc sc= =P Pd d+P+Ps s=CNV=CNV2 2f+VIf+VIleakleak2 27.1.2.1 7.1.2.1 物联网设备的功耗组成物联网设备的功耗组成7.1.27.1.2物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发中的节能技术 处理器的功耗是任何一个嵌入式设备在设计过程中都必须重点考虑的，对于由传感器节点、射频标签读写器、移动通信装置等嵌入式设备组成的物联网，其处理器模块的功耗至关重要。3 37.1.2.2 7.1.2.2 物联网设备中处理器模块的低功耗设计物联网设备中处理器模块的低功耗设计7.1.27.1.2物联网硬件设备开发中的节能技术物

7、联网硬件设备开发中的节能技术 按照工作模式划分，目前嵌入式设备的处理器主要包括工作模式、空闲模式、监听工作模式、空闲模式、监听模式模式和睡眠模式睡眠模式等几种，它们的功耗情况如图7.1。为了降低处理器模块的能耗，我们总是希望物联网设备能够尽可能进入睡眠模式，以节约能量。 4 47.1.2.2 7.1.2.2 物联网设备中处理器模块的低功耗设计物联网设备中处理器模块的低功耗设计7.1.27.1.2物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发中的节能技术 5 57.1.2.2 7.1.2.2 物联网设备中处理器模块的低功耗设计物联网设备中处理器模块的低功耗设计图7.1 不同状态下的处理器功耗示

8、意图7.1.27.1.2物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发中的节能技术 我们可以通过两种方式来降低物联网处理器设备的功耗，即降低处理器的工作电压以及降低处理器的时钟频率。这里最为典型的就是动态电压调节技术（Dynamic Voltage Scaling，DVS）。 6 67.1.2.2 7.1.2.2 物联网设备中处理器模块的低功耗设计物联网设备中处理器模块的低功耗设计7.1.27.1.2物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发中的节能技术 7 77.1.2.2 7.1.2.2 物联网设备中处理器模块的低功耗设计物联网设备中处理器模块的低功耗设计图7.2 动态电压调度策略

9、DVS的工作原理：当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率从而降低其处理能力，可以节约微处理器的功耗。物联网设备中的嵌入式软件低功耗设计在软件设计层面，一般从编译器、操作系统和应用程序三个方面展开DPM（Dynamic Power Management,动态功率管理）技术。工作原理:当物联网感知设备周围没有感兴趣的事件发生时，对相关度较小的模块置空闲状态，根据管理功耗管理策略关闭这部分模块或强制进入休眠模式。根据任务队列中的资源需求情况，管理策略动态调整资源分配顺序，适当适时唤醒相关模块，根据需求动态调整运算部件的功耗模式等。7.17.1 物联网能效管理技术物联网能效管理技术 7.1

10、.17.1.17.1.27.1.2物联网低能耗管理技术物联网低能耗管理技术 物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发中的节能技术 物联网中的新型能源供给方式物联网中的新型能源供给方式 7.1.37.1.37.1.37.1.3物联网中的新型能源供给方式物联网中的新型能源供给方式 太阳能供电技术是利用光生伏特效应（简称光伏效应，也可以称为光生电动势效应），将太阳光的辐射能直接转变为电能的一种供电技术。在物联网中，其主要应用是太阳能电池。1 17.1.3.1 7.1.3.1 太阳能供电技术太阳能供电技术7.1.37.1.3物联网中的新型能源供给方式物联网中的新型能源供给方式 物联网设备可以使

11、用的太阳能电池主要包括：硅太阳能电池、无机盐多元化合物电池、纳米晶太阳能电池等。由于诸如传感器网络节点、射频标签读写器、移动通信装置等物联网设备的能耗往往十分巨大，因此，在这些设备上使用太阳能电池时，通常还需要配置相应的蓄电池，将太阳能电池中的能量存储在蓄电池中，用蓄电池对这些物联网设备进行持续供电。一个典型的利用太阳能方式供电的物联网设备结构如图7.5。2 27.1.3.1 7.1.3.1 太阳能供电技术太阳能供电技术7.1.27.1.2物联网硬件设备开发中的节能技术物联网硬件设备开发中的节能技术 3 37.1.3.1 7.1.3.1 太阳能供电技术太阳能供电技术图7.5 利用太阳能供电的物

12、联网设备7.1.37.1.3物联网中的新型能源供给方式物联网中的新型能源供给方式 温差供能技术是将热能转化为电能的技术，温差供能技术也可应用在外界温差非常微小的情况下，在全球气候变暖的下，某些区域在特定时段具有较大的温差变化，而且单位时间温差梯度较大。因此，我们完全可以利用这些特性，为物联网设备实现温差供能。这里重点介绍最为典型的一种温差供能技术半导体温差供电技术。1 17.1.3.2 7.1.3.2 温差供电技术温差供电技术7.1.37.1.3物联网中的新型能源供给方式物联网中的新型能源供给方式 半导体温差供电器主要由半导体温差发电模块和控制器两部分组成。半导体温差发电模块将热能转化为电能，

13、并通过充电电路将电能储存在蓄电池中，利用蓄电池对外部模块供电。7.1.3.2 7.1.3.2 温差供电技术温差供电技术2 27.1.37.1.3物联网中的新型能源供给方式物联网中的新型能源供给方式 声能供电技术主要分为压电式声能发电技术和电磁式声能发电技术两种，前者采用压电材料作为换能元件，后者应用电磁感应方法来实现声能向电能的转换。7.1.3.3 7.1.3.3 声能供电技术声能供电技术1 17.1.37.1.3物联网中的新型能源供给方式物联网中的新型能源供给方式 此外，科学家发现人造铌酸锂人造铌酸锂具有在高频高温下将声能转化成电能的特殊功能，当声波遇到这类材料构成的屏障时，声能会转化为电能

14、。英国的学者就是根据这一原理设计制造了鼓膜式声波接收器，将接收器与能够增大声能、集聚能量的共鸣器连接，以增强声的聚集能力。当来自共鸣器的声能作用于声能转换器时，将产生电能。有研究发现，当喷气飞机的噪声达到160分贝时，其发电功率可达10千瓦；在一些钢铁厂的车间中，可利用炼钢车间里巨大的噪音为设备进行供能。同样，生活中的噪声源是非常丰富的，如果能够使得物联网设备将这些噪声充分利用，变废为宝，将使生活更加美好14。2 27.1.3.3 7.1.3.3 声能供电技术声能供电技术第七章第七章 物联网的能效管理和智能控制技术物联网的能效管理和智能控制技术 7.17.17.27.2物联网能效管理技术物联网

15、能效管理技术 物联网智能控制和调度技术物联网智能控制和调度技术 物联网中的数据管理与数据库物联网中的数据管理与数据库 7.37.37.2 7.2 物联网智能控制和调度技术物联网智能控制和调度技术 7.2.17.2.17.2.27.2.2多类型媒体信息处理技术多类型媒体信息处理技术 物联网环境下的智能人机交互技术物联网环境下的智能人机交互技术 物联网环境下的智能控制技术与系统物联网环境下的智能控制技术与系统 7.2.37.2.37.2.17.2.1多类型媒体信息处理技术多类型媒体信息处理技术 物联网中的媒体信息处理技术将发挥重要作用，具体表现在：1 降低了物联网的整体能量消耗2 提高了信息采集的

16、准确性3 提高了数据采集的效率1 17.2.17.2.1多类型媒体信息处理技术多类型媒体信息处理技术 物联网内的数据传输一般采取网内协作的方式来实现，以各种成熟的接入技术为基础，自MAC层以上，通过多模式接入、自组织的路由寻址方式、传输控制、拥塞避免等技术实现物联网设备间的协作数据传输。在传输数据的同时对数据进行处理，使得传输与融合并行执行。数据在由采集终端到用户终端的传输过程中，完成了复杂的信息处理流程，而具体的信息处理方法则会根据物联网下的不同应用需求进行设计和实现。2 27.2.17.2.1多类型媒体信息处理技术多类型媒体信息处理技术 物联网内协作模式下的信息处理以网内设备的协作互助为基本方式，解决物联网的数据传输问题，通过协作模式补偿物联网设备能力和能量受限的问题。目前，对于信息处理技术的研究从技术手段上来看可分为两个阵营，即空间策略的信息处理和时间策略的信息处理。3 37.2.17.2.1多类型媒体信息处理技术多类型媒体信息处理技术 1 基于空间策略的信息处理技术在复杂多变的物联网环境中，如何选择适合信息处理的最佳传输路径，数据流相遇时是否应该进行融合处理，不同的拓扑结构中如