האבולוציה של מערכות ההפעלה Compatible הפעלה עבור חיישנים הנדסיים

תחום החיישנים ההנדסיים עובר מעבר יסודי כביקוש לחיישנים ארוכי טווח, נחיתות נמוכה יותר, ומערכות ניטור בר-קיימא יותר מאיצה.מהנדסים הופכים יותר ויותר טכנולוגיות קציר אנרגיה לחיישנים ללא הגבלת זמן ללא צורך בתחליפי סוללות או מקורות חשמל מחווטים.עם זאת, החומרה לבדה אינה יכולה לספק אוטונומיה זו.מערכת ההפעלה שמנהלת משאבים, לוח זמנים, משימות, ולשלוט על מדינות כוח חייב להיות מכוונת לפיתוח יעיל של אנרגיה בלתי צפויה, אך היא לעתים קרובות, אך היא פעולה עם אנרגיה מורכבת, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא פעולה עם אנרגיה, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לאחר מכן, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך ורק לאחר מכן, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אשר פועלת באופן בלתי צפויה, אך היא פעולה עם אנרגיה, אך היא בלתי צפויה, אך היא יעילה, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לאחר מכן, אך היא אינה מסוגלת לספק את מערכת ההפעלה של מערכות הפעלה של אנרגיה, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לאחר מכן, היא אינה מסוגלת לספק את

מאמר זה מספק מחקר טכני עמוק של העקרונות, דפוסי התכנון, והחידושים המתעוררים המגדירים מערכות הפעלה אנרגיה עבור חיישנים הנדסיים.זה מכסה את המושגים הבסיסיים, אדריכלות ברמה המערכתית, אסטרטגיות תזמון, ואת האתגרים המרכזיים של מהנדסים פנים בבניית מערכות אמין, אנרגיה מודע שיכול לפעול במשך שנים על כוח משגשג לבד.

הבנת אנרגיה לחיישנים הנדסיים

קצירת אנרגיה, הידוע גם כאנרגיה מתפתלת, היא תהליך של לכידת כמויות קטנות של אנרגיה מחממת מן הסביבה הסובבת וממירה אותה לחשמל שניתן לייצר.עבור חיישנים הנדסיים, גישה זו מתייחסת ישירות למגבלה העיקרית של מערכות המופעלות על ידי סוללות: חיים תפעוליים סופיים.על ידי ציור כוח ממקורות כגון אור שמש, רטטים מכניים, ⁇ טמפרטורה או גלי רדיו, יכולים להשיג חיישנים תמידיים או ליד פתרונות סוללה בלתי אפשריים, שבו היא יעילה, או מסוכנת, או מסוכנת, שבו היא גישה מסוכנת, או מסוכנת, או מסוכנת, או שימוש ביישומים.

כדי לנצל באופן מלא מקורות אנרגיה אלה, מערכת ההפעלה חייבת להיות מעוצבת מן הקרקע כדי לטפל באנרגיה כמשאב מחלקה ראשונה ולא היצע אינסופי.בניגוד ל-OS מסורתי מניחה רכבת כוח יציבה, מערכת קצירת אנרגיה חייבת להתאים באופן רציף לנטיעת זמינות אנרגיה, עדיפות משימות המבוססות על תקציבי אנרגיה, ולשמור על מערכת על כישלונות כוח.

המונחים: key Energy Harvesting Modalities

כל טכנולוגיה של איסוף אנרגיה מציגה מאפיינים ייחודיים המשפיעים על עיצוב מערכת ההפעלה.מהנדסים חייבים להבין את ההבדלים הללו כדי לבנות מערכות יעילות.

  • (הופנה מהדף ההרחבה: ההרחבה: ההרחבה:0) Photovoltaic (Solar) Harvesting:BuildFLT) 1 הופכת אור לחשמל. Output משתנה עם תנאי תאורה, זמן של יום ומזג אוויר, דורש את מערכת ההפעלה להתמודד עם תקופות ארוכות של אנרגיה נמוכה או אפסית במהלך החושך ועלייה פתאומית כאשר האור חוזר.
  • (FLT:0)Vibרציונלי (Piezoelectric) קציר:FLT ( 1:1) ממיר רטטים מכניים לאנרגיה חשמלית. Output הוא לעתים קרובות קטן ולא סדיר, בהתאם להפעלה של מכונה או תנועה סביבתית.המערכת חייבת לנהל תקציבי חשמל נמוכים מאוד ו הדופקים אנרגיה לסירוגין.
  • (FLT:0) Thermo Harvestelectricing:FLT:1) ממיר את ההבדלים בטמפרטורות לתוך מתח. Output תלוי ב ⁇ התרמית ויכול להיות יציב בהגדרות תעשייתיות, אך משתנה בסביבות חיצוניות.
  • (FLT:0) תדירות (RF) קצירת: אנדרלינג: 1:1 לתפוס גלי אלקטרומגנטיים מכווצים. Output הוא בדרך כלל נמוך מאוד ונמוך מאוד.המערכת חייבת להיות מאוד מגויפת, לעתים קרובות פועל בטווח המיקרו-וואט עם מרווחי שינה ארוכים.
  • (FLT:0) קינטית ומכניקת קציר: FIRLT:1 כולל מכשירים המייצרים כוח מתנועה אנושית, זרימה נוזלית, או מכונות רוטטציה מייצרת לעתים קרובות התפרצויות קצרות של אנרגיה הדורשת ניהול זהיר.

מדוע מערכות הפעלה צריכות להתאים

מערכות הפעלה בזמן אמת סטנדרטיות כגון FreeRTOS, Zephyr, או לינוקס נועדו בהנחה של כוח מתמשך ואמינה.הם משתמשים בלולאות סקרים, משימות רקע וניהול היקפי אגרסיבי שיכול לבזבז אנרגיה. במערכת קצירת אנרגיה, כל מיקרו-ג'אול חשוב.

  • תתקשר נכון גם כאשר הכוח מופרע באמצע שיתוף הפעולה.
  • החלמה של המדינה מזיכרון לא-וולגנטי לאחר אובדן חשמל.
  • משימות לוח זמנים רק כאשר מספיק אנרגיה זמינה כדי להשלים אותם.
  • המעבר בין מדינות פעיל, idle, שינה ו Deep-off בצורה חלקה.

דרישות עיצוב עבור אנרגיה קציר מערכות הפעלה

בניית מערכת ההפעלה העומדת בדרישות קצירת אנרגיה דורשת חשיבה מחדש על כל תת-מערכת. להלן הם השיקולים העיקריים המעצבים את המערכות הללו ממערכות הפעלה מוטבעות.

Power-Efficient Task

לוח זמנים של תזמון משימות בקצירת אנרגיה חייב לאזן את ההיענות עם שימור אנרגיה.אלגוריתמים תזמון מסורתיים כגון Rate Monotonic או Earliest Deadline הראשון אינם אחראים לזמינות אנרגיה. Energy-aware לוח זמנים במקום להעריך את העלות האנרגיה של כל משימה ואת רמת אחסון האנרגיה הנוכחית לפני שתחליט מה לרוץ.הם עלולים לגרוע משימות לא קריטיות במהלך תקופות אנרגיה נמוכות או מראש משימה שתמצה את האנרגיה.

גישה יעילה אחת היא להשתמש תורי תקציב אנרגיה, שבו משימות מוקצה עדיפות ועלות אנרגיה.הלוח הזמנים מבטיח כי סכום עלויות האנרגיה של משימות ריצה לא עולה על האנרגיה המאוחסן.משימות כי מעבר התקציב יידחו עד מספיק אנרגיה נאסף. גישה זו מונעת ביצוע משימה חלקית כי לבזבז אנרגיה ללא אספקה יעילה.

ניהול חשמל דינמי ו- וולטאז סקרלינג

מתח דינמי ותדירות דרוג (DVFS) הוא טכניקה מוכחת לצמצום צריכת החשמל במעבדים, אבל היישום שלה במערכות קציר אנרגיה דורש כוונון זהיר.מערכת ההפעלה חייבת להתאים את תדירות השעון בהתבסס על הכוח המיידי הזמין מן הקציר.כאשר אנרגיה היא בשפע, המערכת יכולה לרוץ ברמות ביצועים גבוהות יותר.

מעבר ל- DVFS, מערכת ההפעלה חייבת לנהל שערי חשמל עבור חומרים בודדים.חיישנים, רדיוים ובנקים זיכרון צריך להיות מופעל לחלוטין כאשר לא בשימוש.זה דורש שליטה על תחומי כוח וריצוף זהיר כדי למנוע אובדן נתונים או נזק חומרה.

מצבי שינה עמוקים ו Hibernation

כדי למקסם את יעילות האנרגיה, מערכת ההפעלה חייבת לתמוך במספר מצבי שינה כי סחר בצריכת חשמל עבור שקיפות ערה.מדינות השינה העמוקות ביותר לכבות את המעבד הראשי, הזיכרון, ואת רוב ההפריים, משאירות רק ציר אנרגיה נמוך או אות ערה של קציר האנרגיה.המערכת חייבת להיות מסוגלת להציל מערכת קריטית לזכר זיכרון לא-מעורר לפני הכניסה למצבים אלה ולשחזר מצב על התעוררות.

הייברנציה חשובה במיוחד עבור חיישנים שחווים תקופות ארוכות של idle, כגון צגים סביבתיים שלוקחים קריאה פעם לשעה.מערכת ההפעלה חייבת להבטיח כי השעון בזמן אמת ומחזורי ניהול אנרגיה נשארים פעילים בעוד כל דבר אחר מופעל.

ניהול אנרגיה-זיכרון מודע

גישה לזיכרון צורכת שבריר משמעותית של אנרגיית המערכת הכוללת.המערכת חייבת למזער פעולות זיכרון מיותרות, נתונים דחוסים במידת האפשר, ולהשתמש בזיכרונות של שרטוט או ברשומות במקום DRAM כאשר ניתן לקצור אנרגיה מסוימת של מערכת ההפעלה משתמשת בהיררכיה זיכרון מקבילה שבה לעתים קרובות גישה לנתונים שוכנים ב-SRAM נמוך כוח-עוצמה ונתוני רובהבסיסה מאוחסנים בפלאש או FRAM עבור אי-וול-אלימות.

בדיקה היא טכניקה קריטית נוספת.מערכת ההפעלה חוסכת מעת לעת את מצב המערכת לזיכרון לא-וולגנטי, כך שאם כוח אבד, המערכת יכולה לחזור מהמחסום האחרון ולא לחדש מאפס.הראש של מחסומים בכתב חייב להיות מאוזן נגד העלות של אנרגיה של קידוד לאחר כישלון כוח.

« « TERRogene Harvesters

לא כל קצירי האנרגיה הם זהים.מערכת חיישן יחיד עשויה לשלב תאים סולאריים, אלמנט אדזואלקטרי, ו גנרטור תרמואלקטרי.המערכת חייבת להפשט את המאפיינים של כל קציר למודל אנרגיה מאוחדת.מודל זה מספק את לוח הזמנים ומנהל כוח עם הערכות של הכנסות האנרגיה הנוכחית והעתידית.השכבה המופשטת מטפלת ברמות המתח השונות, היכולות הנוכחיות, ותשובות טרנספורמטיביות של כל סוג, ומאפשרת תוכנה גבוהה יותר להישאר בפלטפורמות חומרה.

Architectural Components of a Energy Harvesting OS

מערכת אנרגיה מעוצבת היטב מורכב ממספר תת-מערכות מיוחדות שעובדות יחד כדי להבטיח הפעלה אמינה בתנאי אנרגיה משתנים.

אנרגיה חיזוי ותקציב מערכת

כדי לקבל החלטות תזמון חכמות, מערכת ההפעלה חייבת לחזות זמינות אנרגיה עתידית.מערכת זו משתמשת בנתונים היסטוריים, מודלים של זמן של ימים, משוב חיישן בזמן אמת כדי להעריך את האנרגיה כי יי לקצור בעתיד הקרוב.לדוגמה, חיישן המופעל על ידי השמש יכול להשתמש במודל קרני השמש וכיסוי ענן כדי לחזות כמה אנרגיה תהיה זמינה במהלך השעה הבאה.

רכיב התקציב האנרגיה מקצה חלק מהאנרגיה הצפויה לכל קטגוריה של משימות חירום המטפלות ברכישת נתונים או בדור אזעקה לקבל הקצאת אנרגיה מובטחת.משימות פרטיות נמוכה, כגון העברת נתונים אבחון, לקבל אנרגיה רק אם התקציב מאפשר.

ניהול רכב אופניים Cycling Controller

רכיבה על אופניים היא הנוהג של שינוי בין מדינות פעילות ושינה כדי לשמר אנרגיה. במערכת קונבנציונלית, מחזור החובה נקבע. במערכת קצירת אנרגיה, זה חייב להיות הסתגלות.בקר מחזור החובה מאמת את היחס של זמן פעיל לישון זמן מבוסס על רמת אחסון האנרגיה הנוכחית והכנסה אנרגיה חזו.

אם החיץ האנרגיה מלא, המערכת יכולה לפעול במחזור חובה גבוה יותר כדי לעבד יותר נתונים.אם החיץ נמוך, מחזור החובה מופחת, פונקציות לא חיוניות מוגבלות. גישה הסתגלות זו מבטיחה כי המערכת לעולם לא מקלקלת לחלוטין את עתודות האנרגיה שלה, אשר עלול לגרום כשל מערכת שלם.

סיקור ושיקום המדינה

מחסומים אמין חיוני עבור מערכות איסוף אנרגיה כי כשלים כוח יכולים להתרחש בכל עת.מערכת ההפעלה חייבת להתמודד עם כתיבת מצב מערכת קריטי, כולל קונטקסטים משימה, לרשום קבצים, ונתוני ריצוף חיישן, זיכרון לא-אי-אי-רצון עם אנרגיה מינימלית overhead.טכניקות כגון מחסומים מצטברים, שבו רק נתונים משתנים נשמרים, ומחסומים דחוסים, שבו הוא אחסון המדינה לפני עלות אנרגיה מינימלית, להפחית את העלות של ניתוח אנרגיה זה.

בנוסף, מערכת ההפעלה חייבת לספק מנגנון שחזור אשר משחזר במהירות את מצב המערכת על התעוררות.זה כולל חיזוק היקפים, תיקון זמן סינכרוניזציה, ואימות השלמות של נתונים מאוחסנים.

פלטפורמות מובילות והתקדמות מחקר

כמה פלטפורמות הופיעו כמנהיגים בפיתוח מערכות הפעלה של אנרגיה לחיישנים.מערכות אלה ממחישות את העקרונות המתוארים לעיל ואומתו בפריסה של העולם האמיתי.

(FLT:0)TinyOSofLT:1 הוא אחד מערכות ההפעלה המוקדמות והמשפיעים ביותר עבור רשתות חיישן אלחוטיות בעלות כוח נמוך.אדריכלות המונעת על ידי אירוע שלה וטביעת זיכרון נמוכה להפוך אותו מתאים עבור מערכות עם תקציבי אנרגיה הדוקים. TinyOS כולל מודולים לניהול אנרגיה, רכיבה על אופניים, ומערכת הגנה מפני חשמל, בעוד שהוא לא תוכנן במיוחד עבור קצירת אנרגיה, עיצוב קל משקל שלה מותאם ליישומים כגון:2F הוא זמין בוויקיפדיה.

(FLT:0)RIOTURE OSFLT:1 הוא מערכת הפעלה קוד פתוח חדשה יותר אשר מכוונת במפורש התקנים מבוססי IoT באנרגיה, היא תומכת תזמון אנרגיה, ניתוח לינל פגום, וניהול כוח מבוזר היטב. RIOT OS נכתב ב C ומספקת תקן POSIX-like API, מה שהופך אותו קל יותר עבור מפתחים קוד זה מודולרי מאפשר איסוף אנרגיה עבור קוד פתוח:

(FLT:0)Contiki-veNGFLT:1 הוא פלטפורמה בולטת נוספת הכוללת כלים לייצור אנרגיה, פרוטוקולי רכיבה על אופניים חובה ותמיכה בחומרה קצירת אנרגיה. סימולטור קווג'ה מאפשר למפתחים לצריכת אנרגיה ולקציר התנהגות לפני פריסה. Contiki-NG משמש נרחב במחקר אקדמי ופרוטוטיפינג תעשייתי.

עבודה אקדמית חדשה יצרה קרנלים ניסיוניים של מערכת ההפעלה משלבים למידת מכונה עבור תחזית אנרגיה.מערכות אלה משתמשות ברשתות עצביות קלות קלות משקל המוכשרות על נתוני אנרגיה היסטוריים כדי לחזות זמינות עתידית.התחזיות מזין לסוכן למידה חיזוק שמייעל את תזמון ורכיבי אופניים בזמן אמת.

אתגרים עקביים בעיצוב אנרגיה

למרות התקדמות משמעותית, כמה אתגרים נותרו למנוע אימוץ נרחב של מערכות הפעלה של אנרגיה בכל יישומי חיישן.

אנרגיה מקורות

האתגר הבסיסי ביותר הוא חוסר יכולת של מקורות אנרגיה מכווצים.כוח השמש משתנה עם כיסוי ענן, עונות וצללים. אנרגיית הווייברציה נעלמת כאשר מכונות מפסיקות. ⁇ rmal להשתנות עם טמפרטורה מכוננת.המערכת חייבת לפעול בצורה נכונה בטווח המלא של תנאים, משפע אנרגיה ועד הכנסה כמעט אפסית.זה דורש ערבויות אנרגיה חמורות יותר כי התקדמות אפילו תחת תרחישים פסימיים.

המונחים: heterogeneity

חומרה איסוף אנרגיה מגיעה בצורות רבות עם מאפיינים חשמליים שונים.אין ממשק סטנדרטי לחיבור קצירים למעבדים.מערכת ההפעלה חייבת לתמוך במגוון רחב של רכיבי אחסון אנרגיה, כולל capacitors, supercapacitorstors, סוללות דק-סרט, כל אחד עם פרופילים בתשלום / דיסיטל ומאפיינים ההזדקנות.

אבטחה ואמינות

מערכות קציר אנרגיה לעתים קרובות פרוסות בסביבה מרוחקת או עוינת שבה גישה פיזית מוגבלת.הם חייבים להתנגד לנפיחות, שחיתות נתונים והתקפות מניעת שירות המנצלות מדינות בעלות אנרגיה נמוכה. התוקף יכול, למשל, לחסום את קציר האנרגיה כדי לכפות את המערכת למצב אנרגיה נמוך שבו מנגנוני אבטחה עשויים להיות מוגבלים.המערכת חייבת לשלב פרוטוקולים של אבטחה אנרגיה כי נשאר יעיל גם כאשר הוא בקושי אנרגיה.

אמינות היא חשובה באותה מידה.מערכות הפועלות על אנרגיה מקצירת במשך שנים חייבות להתמודד עם מיליוני מחזורי כוח/כוח ללא שחיתות זיכרון, סחף שעון או סחף חיישן.המערכת חייבת לכלול מנגנוני זיהוי ותיקון שגיאות הפועלות בתוך תקציבי אנרגיה הדוקים.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

הדור הבא של מערכות ההפעלה של איסוף אנרגיה ישלב למידה מכונה, אלגוריתמים הסתגלות, ושילוב עמוק יותר עם טכנולוגיות אחסון אנרגיה.כיוון מבטיח אחד הוא השימוש של מאיץ רשת עצביים בעלי מודעות אנרגיה שיכולה לבצע הקצוץ על נתונים של חיישן באמצעות מיקרו-וואט של כוח.מאצ'ר זה יכול לסווג אירועים של עניין ותעורר את המעבד הראשי רק כאשר יש צורך, להפחית באופן דרמטי את צריכת האנרגיה.

מגמה נוספת היא פיתוח מודלים של תכנות ספציפית לאנרגיה-הארוט המאפשר למפתחים לבטא מגבלות אנרגיה ישירות בקוד.לדוגמה, מתכנת יכול לאות פונקציה עם עלות האנרגיה הצפויה שלה ומערכת ההפעלה תבטיח כי הפונקציה רק מבצעת כאשר מספיק אנרגיה זמינה. גישה זו משנה את נטל ניהול האנרגיה ממערכת ההפעלה למפתח, מה שמאפשר התנהגות צפויה יותר.

השילוב של מעבדים לא-וולגנטיים, המשתמשים ב- RAM ferroelectric או RAM מגנטיסטי כדי לשמור על מצב במהלך אובדן כוח, יפשט את המחסומים ויפחית את האנרגיה מעל לחיסכון של המדינה.מעבדים אלה יכולים כמעט לעצור ולחדש חישוב, מה שהופך אותם אידיאליים עבור איסוף אנרגיה יישומים שבהם הפרעות כוח הם תכופים.

לבסוף, הופעתה של ממשקי קציר אנרגיה סטנדרטיים, כגון תקן IEEE 1451 עבור טרנסידור חכמים ואת פרוטוקול MIPI I3C המתעורר, יהיה קל יותר לבנות רכיבי חומרה ותוכנה בין-ספור. Standardization יזרז את אימוץ של קציר אנרגיה ביישומים תעשייתיים, חקלאיים וסביבתיים.

מסקנה

פיתוח מערכות הפעלה התואמות טכנולוגיות קציר אנרגיה הוא אחד האתגרים החשובים ביותר בתחום החיישנים כיום.כפי שהביקוש לטכנולוגיות אוטונומיות, ארוכות מועדות, ומערכות חישה ללא תחזוקה גדל, היכולת לנהל אנרגיה כמו משאב נדיר ומשתנה הופכת למשנה קריטי.עקרונות העיצוב שנדונו במאמר זה הם נקודת ההתחלה של בניית מערכות יעילות, יעילות, בטוחות של קציר אנרגיה.

על ידי התמקדות בלוח זמנים יעיל כוח, רכיבה על אופניים מחובת, ניהול זיכרון אנרגיה מודע, ומחסומים חזקים, מהנדסים יכולים ליצור מערכות אשר להפיק תועלת מקסימלית מכל מיקרוג'ול זמין להמשיך חדשנות בלמידה מכונה, עיבוד לא-אינטלי, ו סטנדרטיזציה חומרה תרחיב את היכולות של מערכות אלה, המאפשר יישומים שהיו בלתי אפשריים בעבר.