確保電池供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點中的故障安全數(shù)據(jù)存儲
出處:維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于:2023-03-02 16:56:01
幾十年來,傳感器節(jié)點的基本架構(gòu)由控制器、傳感器、本地存儲器、網(wǎng)絡(luò)連接和電池組成。每個試圖從模擬世界收集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)都是基于該系統(tǒng)的某些變體。每個人都必須解決收集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分以及根據(jù)數(shù)據(jù)分析采取適當(dāng)行動的基本問題。在以前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,傳感器節(jié)點會收集數(shù)據(jù),如果有本地內(nèi)存,則會在本地存儲數(shù)百個樣本,然后再將其傳輸?shù)街醒爰€器進行處理。中心將處理數(shù)據(jù)并采取適當(dāng)?shù)男袆印Mㄐ磐ǔJ怯芯€的,使用以太網(wǎng)或類似的工業(yè)總線。
隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的出現(xiàn),現(xiàn)場的每臺設(shè)備都開始通過網(wǎng)絡(luò)進行通信。保守估計,到 2020 年將有超過 100 億臺設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。其中包括汽車、工業(yè)自動化設(shè)備、醫(yī)療植入物以及可穿戴設(shè)備、智能家居等新時代應(yīng)用。下一代 5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)部署在世界的幾個地方處理來自這些設(shè)備的預(yù)期流量。但是,數(shù)據(jù)科學(xué)家和系統(tǒng)設(shè)計人員今天正試圖解決幾個未解決的問題:哪些設(shè)備需要連接到云端?需要傳播多少信息?本地可以完成多少處理?誰為云買單?
物聯(lián)網(wǎng)的一種簡單方法是將所有內(nèi)容上傳到云端并遠程處理。雖然這可能適用于小型和孤立的系統(tǒng),但一旦世界變得更加連接并且大量系統(tǒng)試圖上傳信息,系統(tǒng)設(shè)計人員將需要考慮網(wǎng)絡(luò)與本地存儲和處理的成本。他們將需要評估降低連接頻率的方案,執(zhí)行本地存儲和處理,然后執(zhí)行定期批量上傳?!肮I(yè) 4.0”一詞僅表示互聯(lián)設(shè)備的未來。為確保在現(xiàn)場部署、經(jīng)濟高效、低功耗的實施方案,現(xiàn)在必須仔細分析系統(tǒng)的每個組件。在本文中,我們將研究任何傳感器節(jié)點經(jīng)常被忽視但重要的方面——本地內(nèi)存。
圖 1:傳統(tǒng)傳感器節(jié)點。()
圖 2:工業(yè) 4.0 中的傳感器節(jié)點。()
傳感器節(jié)點越來越多地相互連接,并通過一種或多種無線技術(shù)(包括 Wi-Fi、藍牙等)連接到中央處理中心。由于路由有線網(wǎng)絡(luò)的限制和成本,這些無線協(xié)議允許將傳感器節(jié)點放置在傳統(tǒng)系統(tǒng)無法訪問的位置。無線傳感器節(jié)點網(wǎng)可以分布在整個工廠自動化車間,并持續(xù)監(jiān)控所有關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)。
隨著向無線的轉(zhuǎn)變,需要應(yīng)對新的挑戰(zhàn)。例如,傳統(tǒng)系統(tǒng)永遠不必擔(dān)心電量耗盡,但同樣的方法不適用于無線傳感器節(jié)點。這些節(jié)點必須設(shè)計為在極其緊張的能源預(yù)算下運行。任何顯著影響電池壽命的功耗改善反過來都意味著更少的維護頻率。很多時候,由于成本限制,系統(tǒng)設(shè)計人員部署的解決方案初更便宜,但隨著時間的推移,由于更高的維護成本而終變得昂貴。這些遠程部署的傳感器節(jié)點的成本之一是更換機載電池。優(yōu)化后可節(jié)省 30% 電力的系統(tǒng)直接對應(yīng)于更換電池時減少 30% 的維護成本。
哪些因素會影響這些傳感器節(jié)點的功耗?典型 BLE 傳感器節(jié)點的詳細系統(tǒng)功耗分析確定了影響電池壽命的關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)功耗的貢獻者是:
BLE 系統(tǒng)的天線功率直接取決于傳感器節(jié)點嘗試“連接”并將數(shù)據(jù)上傳到集線器的頻率。雖然 BLE 可以支持每 10 毫秒上傳約 500 字節(jié),但傳感器節(jié)點很少以這種 50KB/s 的速率收集數(shù)據(jù)。典型的環(huán)境參數(shù)傳感系統(tǒng)捕獲 100-500 字節(jié)/秒,具體取決于傳感元件。這允許 BLE 系統(tǒng)設(shè)計用于更長的連接間隔以增加電池壽命。與可以隨意上傳數(shù)據(jù)的系統(tǒng)相比,更長的連接間隔迫使系統(tǒng)存儲更多數(shù)據(jù)點的日志。IoT 控制器的典型內(nèi)部內(nèi)存范圍為 64 KB 到 256 KB,并且該內(nèi)存的主要部分由 BLE 堆棧和在節(jié)點上執(zhí)行 ADC 和其他內(nèi)務(wù)管理任務(wù)所需的用戶 API 占用。
由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點由電池供電,因此外部存儲器必須是非易失性的以確保數(shù)據(jù)可靠性。雖然市場上有各種各樣的非易失性技術(shù),但系統(tǒng)設(shè)計人員更喜歡使用提供簡單接口和可靠性的存儲器。外部非易失性存儲器常見的候選者是 EEPROM、閃存和鐵電 RAM (F-RAM)。然而,由于 Flash/EEPROM 技術(shù)初是為了提供良好的讀取性能而設(shè)計的,因此在連續(xù)寫入時會出現(xiàn)嚴重的缺陷。
只有事先擦除閃存單元,才能“編程”以包含新數(shù)據(jù)。對單元進行編程允許將狀態(tài)從邏輯“1”更改為邏輯“0”。在下更新期間,如果單元需要保持邏輯“1”,則必須首先擦除該單元。為了優(yōu)化擦除速度和編程時間,閃存制造商使用不同的頁、塊和扇區(qū)架構(gòu)。頁是可以編程到閃存中的數(shù)據(jù)量。閃存設(shè)備包含一個內(nèi)部頁面大小緩沖區(qū),允許臨時存儲數(shù)據(jù),一旦從外部接口傳輸完成,該設(shè)備就會在主陣列中已擦除的頁面上啟動頁面編程操作。如果此頁面包含舊數(shù)據(jù),則必須在編程操作之前將其擦除。
每次執(zhí)行擦除時,閃存單元都會退化,這在閃存數(shù)據(jù)表中被量化為耐久性。通常,的閃存設(shè)備額定為十萬次擦除編程循環(huán)的耐久循環(huán),之后它們不再保證可靠地存儲數(shù)據(jù)。雖然這個數(shù)字看起來很大,但我們將證明即使在低端數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中,這種耐久性也不足。
一些制造商實現(xiàn)了從緩沖區(qū)到閃存的字節(jié)編程和延遲編程。雖然這些功能確實簡化了對設(shè)備的編程操作,但它們沒有解決閃存的潛在耐久性限制。為了彌補這些限制,系統(tǒng)設(shè)計人員被迫實施復(fù)雜的文件系統(tǒng)來處理單元的磨損均衡,這也會增加開銷并降低系統(tǒng)速度。EEPROM 也存在類似的缺點。
我們設(shè)計了三個基于 F-RAM、EEPROM 和閃存的系統(tǒng),通過執(zhí)行溫度、濕度、壓力和加速度等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集來模擬典型的物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)記錄行為。這些系統(tǒng)使用 BLE 連接間隔和相同的本地存儲算法進行了優(yōu)化。為了簡單起見,我們選擇了 4 秒的慢速 BLE 連接間隔和 100 字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)采樣率。每個樣本都包含所有傳感器數(shù)據(jù)的快照以及一些允許接收中心解析信息并向操作員提供反饋的標記字節(jié)。
圖 3:基于 F-RAM 的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點。()
圖 4:基于閃存的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點。()
圖 5:基于 EEPROM 的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點。()
板載電流監(jiān)控用于準確記錄系統(tǒng)在以下每個階段的電流消耗:
數(shù)據(jù)采集(ADC 采集和讀取傳感器數(shù)據(jù))
將數(shù)據(jù)寫入/編程到外部存儲器
每 4 秒向集線器上傳數(shù)據(jù)
對于此分析,我們使用了 Cypress 的 64-Mbit 閃存、256-Kbit EEPROM 和 4-Mbit Excelon F-RAM。Flash 設(shè)備在實驗開始時被預(yù)擦除,支持 512 字節(jié)/頁,而 EEPROM 支持 60 字節(jié)/頁。F-RAM 是一種字節(jié)可訪問的超低功耗 F-RAM,不需要預(yù)擦除或頁寫入。
基于 F-RAM 的系統(tǒng)的典型系統(tǒng)運行如圖 6 所示。
圖 6:基于 F-RAM 的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的電流消耗。()
查看大圖
表 1:物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的系統(tǒng)功耗
表 1 總結(jié)了所有三種類型傳感器節(jié)點在能耗方面的系統(tǒng)性能。這些系統(tǒng)被配置為每 4 秒上傳大約 500 個字節(jié),并且電流被監(jiān)控 120 秒。這三個系統(tǒng)在數(shù)據(jù)吞吐量方面具有相同的性能,的區(qū)別在于用于寫入內(nèi)存的算法:
由于 F-RAM 支持字節(jié)訪問,基于 F-RAM 的系統(tǒng)可以在獲取的樣本可用時立即寫入。
基于 EEPROM 的系統(tǒng)只能按頁寫入(每頁 64 字節(jié))并且有 2ms 的等待時間以允許完成寫入。這會強制系統(tǒng)在每次執(zhí)行頁面寫入時額外保持 2 毫秒。
基于閃存的系統(tǒng)只能寫入 512 字節(jié)的頁面。該器件在 20ms 的編程時間內(nèi)消耗大約 13mA 的電流,并且還有 20ms 的狀態(tài)寄存器更新周期。這會強制系統(tǒng)開啟總計 45 毫秒。
表 2:總結(jié)
我們可以看到,基于 EEPROM 的系統(tǒng)比基于 F-RAM 的系統(tǒng)多消耗約 22% 的功率,而基于閃存的傳感器節(jié)點比基于 F-RAM 的系統(tǒng)多消耗約 140% 的功率。仔細查看圖 7 中所示的功耗模式,可以揭示為什么閃存設(shè)備在此類應(yīng)用中表現(xiàn)如此糟糕。程序時間開銷有效地加倍了系統(tǒng)的總功耗。
圖 7:IoT 傳感器節(jié)點中閃存的電流消耗 (mA) 與時間 (ms)。()
除了大的功耗開銷外,基于閃存或 EEPROM 的系統(tǒng)還存在技術(shù)缺點,尤其是閃存的耐用性和擦除功率。閃存設(shè)備的耐久性有限,約為 10^5 個周期,這限制了產(chǎn)品的使用壽命。由于閃存設(shè)備需要大量時間來執(zhí)行芯片擦除,因此系統(tǒng)在擦除操作期間還會遇到停機時間。擦除操作期間的功耗也會增加總功率預(yù)算,進一步降低功率效率。這些傳感器節(jié)點由電池供電,但在意外斷電的情況下,基于閃存或 EEPROM 的系統(tǒng)也會遭受數(shù)據(jù)完整性損失。閃存設(shè)備必須編程一頁,因此系統(tǒng)必須在本地存儲一頁數(shù)據(jù),直到成功寫入設(shè)備。在此期間的任何電源故障都可能導(dǎo)致至少一頁數(shù)據(jù)丟失。
版權(quán)與免責(zé)聲明
凡本網(wǎng)注明“出處:維庫電子市場網(wǎng)”的所有作品,版權(quán)均屬于維庫電子市場網(wǎng),轉(zhuǎn)載請必須注明維庫電子市場網(wǎng),http://udpf.com.cn,違反者本網(wǎng)將追究相關(guān)法律責(zé)任。
本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其它出處的作品,目的在于傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀點或證實其內(nèi)容的真實性,不承擔(dān)此類作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任。其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時,必須保留本網(wǎng)注明的作品出處,并自負版權(quán)等法律責(zé)任。
如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題,請在作品發(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系,否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。
- 運動傳感器簡介:PIR、傾斜、力等2024/11/15 16:40:23
- 聲音傳感器的簡單輸入/輸出系統(tǒng)2024/11/8 16:52:46
- DHT11傳感器簡介及數(shù)據(jù)傳輸過程2024/3/20 17:23:57
- 什么是DS18B20溫度傳感器,DS18B20溫度傳感器的優(yōu)缺點2024/2/26 17:15:41
- 使用細銅線作為集成傳感器和加熱器進行溫度控制2024/2/18 16:11:54