幾十年來,傳感器節(jié)點的基本結構包括控制器、傳感器、本地存儲器、網絡連接和電池。每個試圖從模擬世界收集數據的系統都是基于這個系統的某些變化。每個項目都必須解決收集數據、存儲數據的關鍵部分以及根據數據分析采取適當行動等基本問題。在以前的數據采集系統中,傳感器節(jié)點將收集數據,如果有本地存儲器,則在本地存儲幾百個樣本,然后將其轉移到一個中央樞紐進行處理。該中心將處理數據并采取適當行動。通信通常使用以太網或類似的工業(yè)總線進行連接。

隨著物聯網的出現,該領域的每一個設備都開始通過網絡進行通信。保守的估計預測,到2020年,將有超過100億個設備連接。它們包括汽車、工業(yè)自動化設備、醫(yī)療植入物和新型應用,如可穿戴品、智能家居等。下一代5G網絡已經部署在世界幾個地區(qū),以處理預期來自這些設備的流量。但是,今天,數據科學家和系統設計者正在試圖解決的幾個問題還沒有解決:哪些設備需要連接到云上?需要播出多少信息?本地可以進行多少處理?誰為云買單?

一個微不足道的方法是將所有東西上傳到云端并遠程處理。雖然這可能對小型和孤立的系統有用,但一旦世界變得更加連接,過多的系統試圖上傳信息,系統設計者將需要考慮網絡相對的成本。本地儲存和加工。他們將需要評估減少連接頻率的場景,執(zhí)行本地存儲和處理,然后執(zhí)行定期的批量上傳。"工業(yè)4.0"一詞僅僅意味著連接設備的未來。為了確保在現場部署最優(yōu)、成本效益高、功率低的實現,今天必須仔細分析系統的每個組件。在本文中,我們將研究通常被忽視但最重要的一個方面--本地內存。

圖1:傳統傳感器節(jié)點。

圖2:工業(yè)中的傳感器節(jié)點。

傳感器節(jié)點

通過Wi-Fi、藍牙等無線技術,傳感器節(jié)點越來越多地相互連接,也越來越多地連接到中央處理中心。這些無線協議允許將傳感器節(jié)點置于傳統系統無法訪問的位置,因為路由有線網絡的局限性和成本。無線傳感器節(jié)點可以分布在整個工廠的自動化樓層,并持續(xù)監(jiān)控所有關鍵的系統參數。

隨著無線技術的發(fā)展,還有新的挑戰(zhàn)需要解決。例如,傳統系統永遠不必擔心停電,但相同的方法對無線傳感器節(jié)點不起作用。這些節(jié)點必須設計成以極其緊張的能量預算運行。任何顯著影響電池壽命的耗電改善都意味著維護頻率降低。很多時候,由于成本限制,系統設計人員部署的解決方案最初成本較低,但隨著時間的推移,維護成本較高,最終會變得昂貴。這些遠程部署的傳感器節(jié)點的最大成本之一是更換車載電池。為直接節(jié)省30%電力而進行優(yōu)化的系統相當于減少30%的更換電池的維護成本。

什么因素導致這些傳感器節(jié)點的功率消耗?詳細分析了一個典型的BAR傳感器節(jié)點的系統功耗,確定了影響電池壽命的關鍵參數。系統耗電量的最大貢獻是:

數據上傳期間的天線功率

數據采集時控制器電源

數據記錄期間的本地內存耗電量

BAR系統的天線功率直接取決于傳感器節(jié)點嘗試"連接"和向集線器上傳數據的頻率。雖然BAR可以支持每10毫秒上傳~500字節(jié),但很少有傳感器節(jié)點以50GB/s的速率收集數據。典型的環(huán)境參數傳感系統根據傳感元件捕獲100-500字節(jié)/秒。這使得BL系統能夠設計出更長的連接間隔,以延長電池壽命。較長的連接間隔迫使系統存儲更多的數據點日志,而不是可以隨意上傳數據的系統。IOT控制器的典型內部內存從64k字節(jié)到256k字節(jié)不等,該內存的主要部分由BLE堆棧和在節(jié)點上執(zhí)行ADC和其他內部管理任務所需的用戶API占用。這將導致系統在存儲數據日志時耗盡內部內存,因此日志通常必須存儲在外部內存中。

由于UOT傳感器節(jié)點是電池驅動的,外部存儲器必須是非易失性的,以確保數據的可靠性。雖然市場上有各種各樣的非易失性技術,但系統設計者更喜歡使用一個簡單的接口和最可靠的內存。外部非易失性內存最常見的候選者是EPROM、閃存和鐵電內存(F-RAM)。然而,由于Fash/EPROM技術最初是為提供良好的閱讀性能而設計的,因此當它們被連續(xù)地寫入時會有嚴重的缺陷。

一個閃存單元可以"編程",以包含新的數據,只有當該單元事先被刪除。編程單元格允許從邏輯"1"到邏輯"0"的狀態(tài)變化。在下一次更新中,如果單元格需要保持邏輯"1",則必須首先刪除單元格。為了優(yōu)化擦除速度和程序時間,閃存制造商使用不同的頁面、塊和扇區(qū)架構。頁面是可以同時編程到閃存中的最小數據量。閃存設備包含一個內部頁面大小的緩沖區(qū),允許臨時存儲數據,一旦從外部接口傳輸完成,該設備啟動了一個頁面程序操作,該頁面已經在主數組中被刪除。如果此頁面包含舊數據,則必須在程序操作之前將其刪除。

每次執(zhí)行擦除時,閃存細胞都會退化,這在閃存數據表中被量化為耐久性。典型的情況是,最好的閃存設備被評為10萬個擦除程序周期的耐久性循環(huán),在此之后,它們不再保證能夠可靠地存儲數據。雖然這個數字看起來很大,但我們將證明即使在低端數據記錄系統中,這種耐力也會下降。

一些制造商實現字節(jié)編程和延遲編程從緩沖區(qū)到閃存.雖然這些功能確實簡化了設備的程序操作,但它們并沒有解決閃存的潛在耐久性限制。為了彌補這些限制,系統設計者不得不實現一個復雜的文件系統,以處理單元格的磨損水平,這也增加了開銷,減緩了系統的運行。同樣的缺點也存在于EEProMS中。

我們設計了基于F-RAM、EPROM和閃存的三種系統,通過對溫度、濕度、壓力和加速度等參數進行數據采集,模擬典型的iot傳感器數據記錄行為。利用最佳的BL連接區(qū)間和相同的局部存儲算法對這些系統進行了優(yōu)化.為了簡單起見,我們選擇了一個4秒的慢BAR連接間隔和一個100字節(jié)/秒的數據采樣率。每個樣本由所有傳感器數據的快照以及一些標記字節(jié)組成,這些標記字節(jié)將允許接收中心解析信息并向操作員提供反饋。

圖3:基于F-雷射傳感器節(jié)點。

圖4:基于閃存的傳感器節(jié)點。

圖5:基于EEPro的微生物傳感器節(jié)點。

在下列每一個階段中,都使用板上電流監(jiān)測來準確記錄系統的電流消耗:

數據采集(ADC采集和讀取傳感器數據)

將數據寫入外部存儲器

每4秒將數據上傳到集線器

在此分析中,我們使用了64M比特的閃光燈、256KEPROM和來自柏樹的4MEXCLM。該閃存設備在實驗開始時進行了預先刪除,支持512字節(jié)/頁,而EPROM支持60字節(jié)/頁。F-RAM是一種專用的超低功率F-RAM,不需要預先擦除或寫頁。

圖6顯示了基于F-RAM系統的典型系統運行情況。

圖6:基于F-RAM的傳感器節(jié)點的當前消耗量。

表1:電離點傳感器節(jié)點的系統耗電量

表1總結了系統在所有三種類型傳感器節(jié)點的能耗方面的性能。這些系統被配置為每4秒上傳500字節(jié),電流被監(jiān)控120秒。這三個系統在數據吞吐量方面都有相同的性能,唯一的區(qū)別是用于寫入內存的算法:

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基于F-RM的系統可以在獲得的樣本可用后立即寫入,因為F-RM支持字節(jié)訪問。

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基于EEM的系統只能寫入頁面(每頁64個字節(jié)),并有2MS浸漬時間來完成編寫。這就迫使系統在每次執(zhí)行頁面寫入時保持一個額外的2MS。

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基于閃存的系統只能以512字節(jié)的頁面編寫。該設備在20mm的程序時間內消耗了大約13ma,還有20mm的狀態(tài)寄存器更新時間。這就迫使該系統運行,總共45英里。

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表2:高級別摘要

我們可以看到,基于EEM的系統比基于F-RAM的系統消耗約22%的功率,而基于閃存的傳感器節(jié)點比基于F-RAM的系統消耗約140%的功率。更仔細地查看圖7中所示的耗電模式,可以看出為什么閃存設備在此類應用程序中的性能如此糟糕。程序時間開銷實際上是系統總耗電量的兩倍.

圖7:在非線性傳感器節(jié)點(MA)和時間(MS)中閃存的當前消耗量

除了電源消耗的巨大開銷外,一個基于閃存或EPROM的系統還受到技術缺陷的影響,特別是在閃存情況下的耐久性和擦除功率。閃存設備的持久性有限,約10^5周期,這限制了產品的壽命.由于閃存設備需要相當長的時間來執(zhí)行芯片擦除,所以該系統在擦除操作期間也會出現故障。擦除操作期間的耗電量也會增加總耗電量,進一步降低耗電效率。這些傳感器節(jié)點是電池驅動的,但如果無意中出現電力損失,閃存或基于EEM的系統也會受到數據完整性損失的影響。閃存裝置必須一次編一頁,因此,系統必須在本地存儲一個頁面的數據,直到它成功寫入設備。在此期間,任何電源故障都可能導致至少損失一頁數據。