發(fā)布時(shí)間：2020-03-29 10:51

【摘要】：針對(duì)現(xiàn)有以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為代表的環(huán)境嵌入式系統(tǒng)的功耗管理方法不能很好地兼顧系統(tǒng)性能和穩(wěn)定持久工作的問(wèn)題,提出了一種能量驅(qū)動(dòng)的多時(shí)段動(dòng)態(tài)功耗管理方法。該方法綜合考慮系統(tǒng)當(dāng)前及未來(lái)N個(gè)時(shí)段的可用能量,并引入能量預(yù)測(cè)最大誤差指數(shù),實(shí)時(shí)地決定系統(tǒng)下一時(shí)段的工作狀態(tài),在滿足能量約束的前提下最大化系統(tǒng)性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了太陽(yáng)能供電環(huán)境嵌入式系統(tǒng)在不同天氣下的工作情況,結(jié)果表明:使用該動(dòng)態(tài)功耗管理方法的環(huán)境嵌入式系統(tǒng)的采集能量利用率達(dá)到99.79%,并且在不同天氣下均能持續(xù)工作,即該方法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能和工作穩(wěn)定性的同時(shí)優(yōu)化。
【圖文】：

（ｉ）－Ｅｃ（ｉ，ｋ）］（１）式中：γ為能量存儲(chǔ)單元的漏電系數(shù)。該模型的最后一個(gè)約束條件要求第ｉ個(gè)時(shí)段后能量存儲(chǔ)單元的剩余能量能夠維持應(yīng)用處理模塊在第ｉ＋１個(gè)時(shí)段的最基本狀態(tài)。該管理模型實(shí)例化后是一個(gè)幾何規(guī)劃求解問(wèn)題。幾何規(guī)劃是凸優(yōu)化問(wèn)題，可以保證全局最優(yōu)解。問(wèn)題的解ｋ（ｉ）決定了應(yīng)用處理模塊在第ｉ個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)。在太陽(yáng)能充足的情況下，應(yīng)用處理模塊可以保持全天高速運(yùn)行，但是在如下２種情況下，單時(shí)段法可能導(dǎo)致系統(tǒng)停止工作。圖２采集太陽(yáng)能真實(shí)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比第一，太陽(yáng)能連續(xù)多個(gè)時(shí)段采集不足的情況。例如在多云天氣，或者太陽(yáng)能采集裝置被樹蔭短期遮擋，此時(shí)由于應(yīng)用處理模塊在能量充足時(shí)全速工作，存儲(chǔ)單元沒(méi)有預(yù)留足夠多的能量，所以當(dāng)突然遭遇上述情況時(shí)，優(yōu)化問(wèn)題可能出現(xiàn)無(wú)解的情況，系統(tǒng)將長(zhǎng)時(shí)間停止工作。第二，能量的預(yù)測(cè)值連續(xù)多個(gè)時(shí)段高于實(shí)際采集到的太陽(yáng)能。文獻(xiàn)［１２］采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能預(yù)測(cè)算法，預(yù)測(cè)精度為±５％。如圖２所示，由于存在預(yù)測(cè)誤差，代表能量預(yù)測(cè)值的虛線在代表實(shí)際采集能量的實(shí)線上下浮動(dòng)。當(dāng)能量預(yù)測(cè)值高于實(shí)際采集能量值時(shí)，應(yīng)用處理模塊在ｉ時(shí)段的功耗將高于ｉ時(shí)段采集的能量，如果這種情況連續(xù)多個(gè)時(shí)段出現(xiàn)，存儲(chǔ)單元的能量將被快速消耗，導(dǎo)致應(yīng)用單元停止工作。針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于能量的多時(shí)段功耗動(dòng)態(tài)管理方法，在保持系統(tǒng)性能的同時(shí)可避免采集能量長(zhǎng)期不足和預(yù)測(cè)誤差帶來(lái)的影響。３多時(shí)段動(dòng)態(tài)功耗管理方法與單時(shí)段法不同，多時(shí)段法在第ｉ－１個(gè)時(shí)段決定系統(tǒng)第ｉ個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)時(shí)，考慮后續(xù)Ｎ（時(shí)段ｉ到時(shí)段ｉ＋Ｎ－１

集的能量可能大于實(shí)際消耗的能量，多出的能量存儲(chǔ)在能量存儲(chǔ)單元，在下一個(gè)時(shí)段將被利用，因此，本文方法在避免由于預(yù)測(cè)誤差引起系統(tǒng)停止工作的同時(shí)充分利用了能量。綜上所述，本文提出的多時(shí)段法可以解決單時(shí)段法存在的問(wèn)題。下面將通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)本文的多時(shí)段動(dòng)態(tài)功耗管理方法進(jìn)行評(píng)估。４仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析為驗(yàn)證以上理論分析結(jié)果，根據(jù)真實(shí)的太陽(yáng)能采集值，利用ＭＡＴＬＡＢ進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)本文方法進(jìn)行分析和評(píng)估。隨機(jī)選取美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站７天的太陽(yáng)能采集數(shù)據(jù)［１３］（見(jiàn)圖３）作為實(shí)驗(yàn)使用的太陽(yáng)能采集值。太陽(yáng)能采集從０８：００開始至１６：００結(jié)束，每分鐘采集１次，１天共采集４８１次。太陽(yáng)能數(shù)據(jù)范圍為０～２８１．２５Ｗ／ｍ２，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要按比例縮校另外，應(yīng)用處理模塊采用文獻(xiàn)［１２］中的多核并行架構(gòu)，包含９４個(gè)處理單元，每個(gè)處理單元執(zhí)行點(diǎn)積運(yùn)算，向量長(zhǎng)度為１０２４。在能量充足的情況下，９４個(gè)處理單元可以同時(shí)工作，每個(gè)單元在一個(gè)時(shí)段內(nèi)最多完成１０２４次點(diǎn)積。因此，，系統(tǒng)同一時(shí)間內(nèi)最多完成９６２５６次點(diǎn)積，此值即為Ｋｍａｘ。另外，要求系統(tǒng)至少有１個(gè)處理單元工作，因此Ｋｍｉｎ＝１０２４�？刂茊卧ㄟ^(guò)調(diào)整同時(shí)工作的處理核的數(shù)量和處理速度來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)算量及功耗，任務(wù)執(zhí)行一次即完成一次點(diǎn)積運(yùn)算。其他仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：Ｎ＝１０；α＝５％；Ｋｍａｘ＝９６２５６；Ｋｍｉｎ＝１０２４；ＥＤ＝０．０２７５；γ＝１．７５×１０－４；時(shí)段長(zhǎng)度為１ｍｉｎ。由于采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能預(yù)測(cè)算法［１２］，本實(shí)驗(yàn)選

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