本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)的功耗管理，具體的說，是涉及一種采用延時優(yōu)化策略的環(huán)境嵌入式系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近幾年，環(huán)境嵌入式系統(tǒng)得到了迅猛地發(fā)展。如今，這種系統(tǒng)已經(jīng)廣泛安置在諸如森林、河流、火山、道路、橋梁等地區(qū)，用于監(jiān)控環(huán)境和建筑物的變化[1-3]。作為保證環(huán)境嵌入式系統(tǒng)高效穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，動態(tài)功耗管理模塊如今已經(jīng)得到研究人員的廣泛關(guān)注。

環(huán)境嵌入式系統(tǒng)由能量采集模塊、能量存儲模塊、動態(tài)功耗管理模塊和應(yīng)用處理模塊組成。其中，能量采集模塊負責(zé)采集太陽能。能量存儲模塊存儲采集的能量，同時驅(qū)動應(yīng)用模塊處理任務(wù)。應(yīng)用處理模塊完成信息采集、預(yù)處理及發(fā)送等任務(wù)，是主要的能量消耗單元。動態(tài)功耗管理模塊決定應(yīng)用模塊的工作狀態(tài)[4]。

動態(tài)功耗管理模塊由能量預(yù)測單元和控制單元兩部分構(gòu)成。能量預(yù)測單元根據(jù)系統(tǒng)過去采集的能量，采用一定的預(yù)測算法預(yù)測未來采集的太陽能。根據(jù)采集能量的預(yù)測值和存儲的能量等系統(tǒng)參數(shù)，控制單元通過求解自身加載的功耗動態(tài)模型決定應(yīng)用模塊的工作狀態(tài)，如處理速度等，以實現(xiàn)系統(tǒng)功耗的動態(tài)調(diào)節(jié)。對控制單元而言，能量預(yù)測單元能否準確預(yù)測能量采集情況，尤其是能量采集不足的情況，對于保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作具有極其重要的作用[5]。

為了提高預(yù)測算法本身精度。文獻[6]針對預(yù)測模塊進行了精確度更高的預(yù)測算法，文獻[7]針對能量預(yù)測模塊設(shè)計了自適應(yīng)的濾波器以提升系統(tǒng)能量預(yù)測能力。但是當(dāng)能量的預(yù)測值連續(xù)多個時段高于實際采集到的太陽能時系統(tǒng)仍有可能停止工作。文獻[5]采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的太陽能預(yù)測算法，預(yù)測精度為±5％。當(dāng)能量預(yù)測值高于實際采集能量值時，應(yīng)用處理模塊的功耗將超過采集的能量。如果這種情況連續(xù)多個時段出現(xiàn)，存儲單元的能量將被快速消耗，導(dǎo)致應(yīng)用單元停止工作。另外，如文獻[8]所示，預(yù)測算法無法預(yù)測太陽能驟降的情況，太陽能驟降時系統(tǒng)可能會無法工作。

為了解決太陽能驟降帶來的問題，文獻[8]提出了一種雙層結(jié)構(gòu)的環(huán)境嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩組動態(tài)功耗管理模塊，通過彼此的約束算法為系統(tǒng)保留更多能量，以應(yīng)對太陽能驟降時系統(tǒng)因能量不足而停止工作的問題。但這種做法并沒有解決預(yù)測單元存在的問題，另外預(yù)測單元本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]，會帶來一定的功耗同時增加優(yōu)化系統(tǒng)功耗的時間。

參考文獻：

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[3]He B,Li Y,Huang H,et al.Spatial–temporal compression and recovery in a wireless sensor network in an underground tunnel environment[J].Knowledge and Information Systems,2014,41(2):449-465.

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[7]Szadkowski,Z,Fraenkel,E.D,van den Berg,A.M.FPGA/NIOS Implementation of an adaptive fir filter using linear prediction to reduce narrow-band rfi for radio detection of cosmic rays[J].Nuclear Science IEEE Transactions on,2013,60(5):3483-3490.

[8]Moser C,Thiele L,Brunelli D,et al.Adaptive power management for environmentally powered systems[J].IEEE Transactions on Computers,2010,59(4):478-491.

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對預(yù)測單元可能導(dǎo)致環(huán)境嵌入式系統(tǒng)停止工作的問題，采用計數(shù)單元代替預(yù)測單元，提出了一種采用延時優(yōu)化策略的環(huán)境嵌入式系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種采用延時優(yōu)化策略的環(huán)境嵌入式系統(tǒng)，由能量采集模塊、能量存儲模塊、動態(tài)功耗管理模塊和應(yīng)用處理模塊組成，所述動態(tài)功耗管理模塊由計數(shù)單元和控制單元構(gòu)成，所述計數(shù)單元用于統(tǒng)計所述能量采集模塊每個工作周期采集的能量；所述控制單元用于求解多時段功耗優(yōu)化問題。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

1.本發(fā)明利用功能極為簡單的計數(shù)單元代替了能量預(yù)測單元，通過能量延時策略決定系統(tǒng)下一時段的工作狀態(tài)。由于控制單元使用真實的采集能量數(shù)值進行優(yōu)化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提升，能量預(yù)測帶來的影響也被徹底消除。

2.控制單元采用的功耗模型和優(yōu)化目標(biāo)與其他動態(tài)功耗管理模塊無異，因此該模塊同樣可以在滿足能量約束的前提下最大化系統(tǒng)性能。

3.由于計數(shù)單元無需加載復(fù)雜的能量預(yù)測算法，因此系統(tǒng)解決優(yōu)化問題的耗時大大降低，同時系統(tǒng)靜態(tài)功耗也相應(yīng)降低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述：

如圖1所示，一種采用延時優(yōu)化策略的環(huán)境嵌入式系統(tǒng)，由能量采集模塊、能量存儲模塊、動態(tài)功耗管理模塊和應(yīng)用處理模塊組成，該系統(tǒng)的動態(tài)功耗管理模塊由計數(shù)單元和控制單元兩部分構(gòu)成。其中計數(shù)單元主要用于統(tǒng)計能量采集模塊每個工作周期采集的能量；控制單元根據(jù)系統(tǒng)過去采集的能量求解多時段功耗優(yōu)化問題，根據(jù)解的值調(diào)整系統(tǒng)未來的工作狀態(tài)。這種方法要求系統(tǒng)在開始工作前的幾個時刻僅進行能量采集工作，隨后控制單元根據(jù)系統(tǒng)之前采集的能量調(diào)整系統(tǒng)工作。這種方法，實際上是對采集能量進行了延時處理，因此也可這種方法也可稱為能量延時優(yōu)化策略。

該系統(tǒng)模型主要用于處理圖像追蹤、圖像傳輸?shù)热蝿?wù)的環(huán)境嵌入式系統(tǒng)，下面是對該系統(tǒng)工作模式的詳細描述。

第一階段：充電階段

系統(tǒng)在前n個時間段內(nèi)系統(tǒng)僅采集能量但不工作，計數(shù)單元統(tǒng)計每個時段系統(tǒng)采集的能量。

第二階段：系統(tǒng)工作

能量采集模塊采集能量

能量采集模塊將采集能量的值以電信號的形式傳遞給計數(shù)單元；同時將采集的能量傳入能量存儲模塊

控制單元利用之前采集的能量求解功耗優(yōu)化問題，該系統(tǒng)以最大化所需考慮區(qū)間的最后一個時段使用TLD算法的處理的圖像幀數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，通過調(diào)整單位時段內(nèi)使用TLD算法處理的圖像數(shù)來調(diào)整系統(tǒng)功耗，如果之前采集能量越多，系統(tǒng)使用處理的圖像幀數(shù)就越多；如果少，處理的圖像幀數(shù)就少些，但至少保證系統(tǒng)每個時段內(nèi)能使用TLD算法處理一幀圖像

控制單元傳遞工作指令給應(yīng)用處理模塊，這里傳遞的就是下一個時段系統(tǒng)使用TLD算法處理的圖像幀數(shù)。

能量存儲模塊為應(yīng)用處理模塊供電，應(yīng)用處理模塊根據(jù)控制單元的指令工作。

進一步的，具體實施過程中將本發(fā)明嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于太陽能供電環(huán)境，通過實驗?zāi)M了該系統(tǒng)在不同天氣下的工作情況，結(jié)果表明：使用該模型的環(huán)境嵌入式系統(tǒng)每次求解功耗優(yōu)化問題僅需0.4秒，其采集能量的利用率達到99.79％。除去初期僅用于能量采集的時段，系統(tǒng)能夠在任何時段保持工作。因此,該動態(tài)功耗管理模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的全面優(yōu)化。

本發(fā)明并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。