王紅林

（鎮(zhèn)江市高等專(zhuān)科學(xué)校電氣與信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

智能傳感器系統(tǒng)是當(dāng)今世界上發(fā)展迅速的綜合性高科技技術(shù)，其核心思想是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)使傳感器實(shí)現(xiàn)智能化。通過(guò)集成先進(jìn)的傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，智能傳感器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高級(jí)別的檢測(cè)和控制功能，具備巨大的技術(shù)潛力和應(yīng)用前景。智能傳感器系統(tǒng)進(jìn)一步提升了傳感器的功能和性能，使其能夠在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)進(jìn)行信號(hào)處理、分析和決策。這意味著智能傳感器系統(tǒng)能夠自主地對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行感知、分析和響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更智能化、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)和控制，該技術(shù)也可被稱(chēng)為智能傳感器系統(tǒng)。廣義智能傳感器系統(tǒng)分為兩部分：智能傳感器終端和控制服務(wù)器，智能傳感器終端是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它通過(guò)集成先進(jìn)的傳感器和嵌入式處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。傳感器終端通過(guò)敏感組件將環(huán)境中的物理量、化學(xué)量或其他相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)嵌入式處理器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和處理。嵌入式處理器具有高度的計(jì)算能力和靈活性，可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、分析、決策和控制。控制服務(wù)器是整個(gè)智能傳感器系統(tǒng)的核心管理和控制中心。它負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器終端的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和決策。控制服務(wù)器采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，能夠處理大量的傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和決策?？刂品?wù)器還可以與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的智能控制和優(yōu)化。

1 低功耗智能傳感器設(shè)計(jì)原理與方法

1.1 傳感器選擇與集成

采用低功耗處理器的智能傳感器系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：終端設(shè)備、無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)控器和用戶(hù)管理系統(tǒng)，它們通過(guò)bootstrap協(xié)議實(shí)現(xiàn)高效、可靠的傳輸和監(jiān)控。這三部分通過(guò)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和基于引導(dǎo)協(xié)議的RS-232端口發(fā)送數(shù)據(jù)。低功率智能傳感器終端負(fù)責(zé)收集傳感器數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將其傳輸?shù)降凸β薀o(wú)線(xiàn)智能電源連接器的監(jiān)視器。通過(guò)無(wú)線(xiàn)智能低功率監(jiān)測(cè)儀，可以為每個(gè)傳感器端口設(shè)定檢測(cè)閾值，并定期收集數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備中，以便用戶(hù)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集和分析監(jiān)測(cè)信息，并將其發(fā)布到各種應(yīng)用場(chǎng)景中，以提高安全性?；诘凸闹悄軅鞲衅飨到y(tǒng)，該系統(tǒng)具有收集、處理、監(jiān)測(cè)和更新信息的功能，可以有效提高系統(tǒng)的性能和可靠性。此外，該系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控終端軟件的運(yùn)行狀態(tài)，以及及時(shí)調(diào)整軟件參數(shù)，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

1.2 電源管理與功耗優(yōu)化

現(xiàn)有的智能傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩部分組成：智能傳感器終端和控制服務(wù)器，然而，這種結(jié)構(gòu)由于能耗大、操作復(fù)雜等問(wèn)題，限制了智能傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，無(wú)法滿(mǎn)足人類(lèi)生活的多樣需求。因此，文章將現(xiàn)有的控制服務(wù)器智能傳感器系統(tǒng)重新劃分為兩個(gè)模塊：節(jié)能無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)和用戶(hù)管理系統(tǒng)。節(jié)能無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)采用了無(wú)線(xiàn)通信方式，可以顯著降低系統(tǒng)的能耗，并提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)節(jié)能無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)視器組成，與智能傳感器終端通過(guò)低功耗WiFi進(jìn)行連接。這些智能監(jiān)視器集成了低功耗處理器，能夠通過(guò)電池或直流電源實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷的運(yùn)行。同時(shí)，它們還可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收多個(gè)節(jié)能低功耗智能傳感器終端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)控功能。該節(jié)能無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)具有能耗低、操作簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)多樣性等優(yōu)勢(shì)，適用于多個(gè)領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)需求。另一方面，用戶(hù)管理系統(tǒng)是智能傳感器系統(tǒng)的核心管理和控制平臺(tái)，負(fù)責(zé)與節(jié)能無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。為了降低能耗和提高靈活性，用戶(hù)管理系統(tǒng)通過(guò)RS-232電纜接口與節(jié)能無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)視器和節(jié)能智能傳感器終端進(jìn)行通信。通過(guò)將屏幕與管理平臺(tái)分離，這種設(shè)計(jì)大大降低了系統(tǒng)的功耗，使其更加高效可靠。值得注意的是，節(jié)能低功耗智能傳感器終端使用超低功耗處理器，并通過(guò)低功耗WiFi與顯示器進(jìn)行連接。它能夠在電池供電的情況下穩(wěn)定運(yùn)行1～2年，并且可以通過(guò)軟件調(diào)整不同的傳感器參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)多樣性。多個(gè)低功耗智能傳感器終端可以同時(shí)工作，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收低功耗無(wú)線(xiàn)監(jiān)控器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)低功耗智能傳感系統(tǒng)的多點(diǎn)監(jiān)控。

1.3 信號(hào)處理與數(shù)據(jù)壓縮

當(dāng)今，世界上流行的嵌入式處理器種類(lèi)繁多，從ARM、PowerPC、8051到MSP430，每一種都受到消費(fèi)者的青睞。尤其是TI的MSP430，它的尺寸更加緊湊，功耗更低，價(jià)格更加實(shí)惠，而且性能也更加出色，完全滿(mǎn)足了系統(tǒng)的各種需求。MSP430系列處理器具備一個(gè)高效的16位簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，它將16位寄存器與常量生成器結(jié)合在一起，從而提供更高的編碼性能，從而達(dá)到更好的性能表現(xiàn)。MSP430系列處理器擁有出色的性能，其具有節(jié)能的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率，從而節(jié)省能源。當(dāng)處于LPM4μ模式時(shí)，msp430內(nèi)置的數(shù)控振蕩器（DCO）可以實(shí)現(xiàn)從低功率模式到喚醒模式的快速轉(zhuǎn)換，而這一過(guò)程的時(shí)間要比6μ3系列處理器的時(shí)間短得多。MSP430還具有多種內(nèi)外部設(shè)備，如定時(shí)器、比較器、串行接口、硬件乘法器、LCD單元以及ADC等。當(dāng)控制失效時(shí)，定時(shí)器可以迅速恢復(fù)程序。定時(shí)器具有捕獲/比較功能，可以用來(lái)處理事件，如PWM。將定時(shí)器與比較器結(jié)合起來(lái)，可以構(gòu)建出一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。此外，IAR的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)也可以提供一個(gè)便捷的開(kāi)發(fā)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的有效利用。IAR Integration Workbench是一款強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具，可以用來(lái)開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的目標(biāo)處理器，它具有直觀易用的界面，可以編輯C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，還提供強(qiáng)大的編譯功能，使得開(kāi)發(fā)者可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的目標(biāo)處理器，從而提高開(kāi)發(fā)效率。

2 低功耗智能傳感器設(shè)計(jì)的優(yōu)化與改進(jìn)

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的功耗與軟件的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此在開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須考慮軟件的優(yōu)化。AP、操作系統(tǒng)和編譯器是決定系統(tǒng)節(jié)能效果的關(guān)鍵因素，因此在開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須充分考慮這些因素，以確保嵌入式系統(tǒng)的功耗能夠得到有效控制。當(dāng)前，許多APM和ACPI標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛應(yīng)用于能源管理領(lǐng)域。這個(gè)AP主要針對(duì)普通電腦和筆記本電腦，但它的管理方式并不夠完善，效果也有限。為了提高AP的開(kāi)發(fā)效率，開(kāi)發(fā)了Windows和Linux這兩款軟件。它們可以幫助用戶(hù)選擇處理器、配置存儲(chǔ)器、管理中斷和制定工作計(jì)劃，并且還可以支持操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是一種專(zhuān)為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的編程工具，它在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。這個(gè)系統(tǒng)通常由許多部分組成，例如驅(qū)動(dòng)程序、內(nèi)核、通訊協(xié)議、接口。這些部分之間存在著密切的聯(lián)系，例如處理器管理、驅(qū)動(dòng)程序指令、策略和能量消耗。另外，為了更好地控制電源，還需要在系統(tǒng)接口中增加與電源管理相關(guān)的功能。為了更好地控制能源消耗，以及滿(mǎn)足各種復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，必須采取有效的能源管理策略來(lái)拓寬系統(tǒng)的核心。

2.2 處理器功耗管理

為了降低嵌入式操作系統(tǒng)的能源消耗，處理器可以采用多種功耗模式。一般來(lái)說(shuō)，處理器的能量消耗可分為三種：正在運(yùn)行、待機(jī)和睡眠。當(dāng)接通電源后,系統(tǒng)仍然在工作狀態(tài)下運(yùn)作。如果任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，或者發(fā)生了意想不到的外部事件，系統(tǒng)將保持原有的運(yùn)行模式。但也可以通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自由切換，使其處于空閑狀態(tài)。此類(lèi)系統(tǒng)的最顯著優(yōu)勢(shì)在于，它幾乎不需要額外的操作，并且可以在短短的毫秒內(nèi)重復(fù)運(yùn)行多次。當(dāng)操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)所有線(xiàn)程都處于停滯狀態(tài)時(shí)，它會(huì)自動(dòng)調(diào)整至空閑模式，以減少耗費(fèi)的資源，并且這種模式使得軟件能夠自主地接受系統(tǒng)的中斷，而不必?fù)?dān)心無(wú)法及時(shí)響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，空閑進(jìn)程只有在其他任務(wù)受到限制的情況下才能夠正常工作。當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時(shí)，空閑計(jì)時(shí)器就會(huì)被激活，以便及時(shí)完成所有必要的操作，同時(shí)也記錄下最長(zhǎng)的記錄。操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種功能，包括但不限于：代碼、堆棧、靜態(tài)數(shù)據(jù)等，都可以被記錄并儲(chǔ)存在內(nèi)存中，以便處理器可以隨時(shí)調(diào)整至休眠模式。當(dāng)外界的休眠事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)也可以自動(dòng)調(diào)整至休眠狀態(tài)，以確保其正常工作。如果遇到外部干擾，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入操作模式。然而，在睡眠模式下，它可能會(huì)暫停運(yùn)行，并且可能無(wú)法立即恢復(fù)正常。相比之下，從睡眠狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行的延遲更長(zhǎng)。

2.3 外圍設(shè)備功耗管理

利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，處理器可以與外部設(shè)備進(jìn)行高效的交互，充分發(fā)揮硬件的優(yōu)勢(shì)，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在能源管理軟件系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不僅是一個(gè)重要的組成部分，更是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心。通過(guò)提供一個(gè)功能調(diào)用接口，驅(qū)動(dòng)層可以有效利用外部功耗模式，從而大幅降低系統(tǒng)能耗。此外，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還可以更加精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)外部設(shè)備的運(yùn)行狀況，并及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。利用驅(qū)動(dòng)程序API，不僅可以大大提升決策的準(zhǔn)確性，而且還可以對(duì)被管理的設(shè)備實(shí)施有效操作。比如，在系統(tǒng)處于運(yùn)行或者空閑的情況下，LCD屏幕仍然能夠正常顯示所有信息；而在設(shè)備進(jìn)入休眠時(shí)，LCD顯示器將會(huì)變得昏暗，從而大大降低了設(shè)備的能源消耗。LCD的管理與操作方式是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，其中最顯著的變化是功耗。因此，為了提高系統(tǒng)的效率，必須采用更加嚴(yán)苛的功耗控制方法。LCD顯示控制器是一種高效的低功耗系統(tǒng)，它不僅可以提供通用的接口，實(shí)現(xiàn)顯示功能控制，還可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)屏幕以及調(diào)整背光亮度。在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并記錄所有與系統(tǒng)注冊(cè)服務(wù)有關(guān)的信息。這些注冊(cè)信息包含了設(shè)備的ID，并且提供了關(guān)于特定設(shè)備的功率控制的詳細(xì)說(shuō)明。當(dāng)系統(tǒng)的功率模式發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)觸發(fā)一系列可以精確反映實(shí)際功率水平的事件。為了應(yīng)對(duì)這些變化，系統(tǒng)還需要調(diào)整回調(diào)函數(shù)，使其能夠調(diào)用特定的電源控制器，并且按照不同的電源模式來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)行。

2.4 系統(tǒng)功耗策略

操作系統(tǒng)控制器確定硬件的低功率屬性是否可用，但可用的低功率模式由系統(tǒng)功率策略模塊提供。應(yīng)用層負(fù)責(zé)決定是否采用低功耗技術(shù)，并確定如何利用這些技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的靈活性，從而在保持低性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率。由于系統(tǒng)功耗低，其性能可能會(huì)受到特定硬件和使用方法的一定影響。在這個(gè)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)提供各種功能，包括處理低功耗硬件的接口。而策略層則負(fù)責(zé)為用戶(hù)提供各種能源策略。此外，接口層還負(fù)責(zé)控制硬件的低功耗特性。通過(guò)使用這些層，不僅可以采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，減少設(shè)備的能源消耗，還可以開(kāi)發(fā)出更多的節(jié)能方案。

3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

盡管許多低功耗軟硬件設(shè)計(jì)方案已經(jīng)取得了顯著的節(jié)能成果，但是由于它們未被廣泛采用，導(dǎo)致其最終的性能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的水平。因此，未來(lái)需要更加積極地探索，以便更有效地利用嵌入式系統(tǒng)，而不是單純依賴(lài)某一項(xiàng)特殊的節(jié)能技術(shù)。①文章旨在建立一種能夠準(zhǔn)確反映資源需求和能源消耗的標(biāo)準(zhǔn)模型。資源需求是一種復(fù)雜的系統(tǒng)行為，它涉及到多種因素，例如處理器性能、內(nèi)存容量、系統(tǒng)架構(gòu)、功耗等。通過(guò)評(píng)估資源需求和相應(yīng)的功耗，可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期階段平衡系統(tǒng)性能和功耗，為硬件設(shè)計(jì)和選擇提供重要的參考。這對(duì)于確定系統(tǒng)是否能夠在限制功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)非常關(guān)鍵。②采取低功耗操作系統(tǒng)的規(guī)劃策略，不僅能夠有效減少系統(tǒng)資源的消耗，還能夠根據(jù)任務(wù)的需求，合理安排任務(wù)的執(zhí)行順序，實(shí)現(xiàn)高效率的運(yùn)營(yíng)。因此，應(yīng)該積極探索新的調(diào)度策略，以滿(mǎn)足不同的需求，并且能夠有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性。③當(dāng)前，許多算法都被用來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的負(fù)荷，但它們往往無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。因此，可以采取一種新的方法，即利用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的功能優(yōu)化和自適應(yīng)負(fù)荷分配模式，將處理器的性能提升至系統(tǒng)所需的最高水平。將可變電壓程序接口的定義與其他現(xiàn)行的接口規(guī)范相結(jié)合，從而構(gòu)建出一個(gè)更加完善、更加符合標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式操作系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

文章中，深入探討了如何設(shè)計(jì)低功耗的智能傳感器，包括阻塞機(jī)制、外部設(shè)備的功率控制、系統(tǒng)的功率策略以及實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的設(shè)計(jì)。對(duì)不同的低功耗技術(shù)進(jìn)行比較，并給出一些可行的解決方案。此外，文章還深入研究了一些棘手的問(wèn)題，旨在更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)。