片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)和電磁協(xié)同效應(yīng)感知的智能傳感器*

黎玉玲，王秀玲

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010049)

片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)和電磁協(xié)同效應(yīng)感知的智能傳感器*

黎玉玲，王秀玲

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010049)

摘要:為了提高傳感器的功能集成、擴(kuò)展應(yīng)用類型和保障電磁兼容，提出了一種基于片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)和電磁協(xié)同效應(yīng)感知的智能傳感器。針對傳感器節(jié)點的復(fù)用性、多用型和高效系統(tǒng)執(zhí)行力，設(shè)計了單節(jié)點部署陣列式多傳感器、多核和多天線設(shè)備的片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，并通過動態(tài)映射解決了片上通信和陣列設(shè)備間電磁干擾問題；在分析符號出錯率、電磁協(xié)同效應(yīng)的硬件發(fā)生率的基礎(chǔ)上，通過邏輯協(xié)同控制傳感器片上網(wǎng)絡(luò)中的電磁協(xié)同效應(yīng)，設(shè)計出了具有動態(tài)分層差異特性自適應(yīng)控制符號傳遞和融合處理的智能傳感器。實驗結(jié)果表明：所設(shè)計的智能傳感器數(shù)據(jù)采集誤差小于0.1 %，并帶來了25 %的工作延遲增益，不僅提高了數(shù)據(jù)精度而且改善了實時性。

關(guān)鍵詞：智能傳感器；片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)；電磁協(xié)同效應(yīng)；邏輯協(xié)同控制

0引言

具有復(fù)合功能、可擴(kuò)展應(yīng)用的傳感器節(jié)點及其網(wǎng)絡(luò)因可以滿足多樣性數(shù)據(jù)采集應(yīng)用和高集成度的智能控制多樣化需求，得到了廣泛應(yīng)用，但是其電磁兼容性[1]、電磁流變效應(yīng)[2]和片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[3]等因素，成為制約智能傳感器設(shè)計的主要挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計一種能夠感知電磁協(xié)同效應(yīng)，保障多功能多核傳感器節(jié)點穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)健壯性的片上網(wǎng)絡(luò)智能傳感器業(yè)已成為工業(yè)領(lǐng)域的熱點應(yīng)用研究領(lǐng)域。

文獻(xiàn)[4]研究了一種由水平電阻和偏置電路組成的空間濾波CMOS電阻網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[5]將類電磁算法應(yīng)用于求解離散問題，提出了一種類電磁優(yōu)化的片上網(wǎng)絡(luò)低功耗映射算法。文獻(xiàn)[6]通過對頻率的相關(guān)性進(jìn)行定義，并從性能與能耗模型中劃分相關(guān)因素，從而提出了一種精確的多核結(jié)構(gòu)片上網(wǎng)絡(luò)能耗模型。Herrero Enric等人[7]研究了微體系結(jié)構(gòu)的延遲、片上網(wǎng)絡(luò)和片外存儲器通信性能保障機(jī)制。HassanpourNeda等人[8]研究了提出了一種適用于三維片上網(wǎng)絡(luò)芯片多處理器運行的分布式遷移算法基于博弈論的均衡處理元件的散熱機(jī)制。文獻(xiàn)[9]用透射電子顯微鏡研究了碳納米管和xgnps之間的協(xié)同作用。文獻(xiàn)[10]結(jié)合torus網(wǎng)絡(luò)和mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點，提出了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)TM。文獻(xiàn)[11]基于協(xié)同化療光熱效應(yīng)研究了內(nèi)源性生物分子納米仿生設(shè)計與制備的通用策略。文獻(xiàn)[12]基于CAN總線設(shè)計了新型智能傳感器節(jié)點用于解決巖土工程監(jiān)測系統(tǒng)通信的實時性與可靠性保障問題。

本文針對多功能多核傳感器的硬件排陣設(shè)計與數(shù)據(jù)融合處理問題，設(shè)計了一種片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)和電磁協(xié)同效應(yīng)感知的智能傳感器。該智能傳感器一方面具有傳感、計算和天線陣列的片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)；另一方面，可以根據(jù)片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的動態(tài)分層差異特性自適應(yīng)控制符號傳遞和數(shù)據(jù)融合處理，分散和感知電磁協(xié)同效應(yīng)。

1傳感器片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)

為了提高傳感器節(jié)點的復(fù)用性、多用型和高效系統(tǒng)執(zhí)行力，在單個節(jié)點上部署多個傳感器、多處理器、多存儲器和多天線等設(shè)備，于是面臨多設(shè)備間的協(xié)同合作控制、片上通信和片上設(shè)備間電磁干擾等一系列問題。為了解決上述問題，在傳感器節(jié)點的片上系統(tǒng)研究一種多級分層動態(tài)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)，一個傳感器節(jié)點上設(shè)置N只傳感器，M個處理器和Q個無線發(fā)射模塊，采用如圖1所示協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中，根據(jù)數(shù)據(jù)類型、存儲地址和服務(wù)需求與處理器陣列、發(fā)送陣列分別建立動態(tài)映射關(guān)系，設(shè)立動態(tài)映射邏輯協(xié)同控制模塊。此外，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存取和數(shù)據(jù)輸入輸出分成4級協(xié)同架構(gòu)。

圖1　傳感器片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)Fig 1　Cooperative network on chip of sensor

圖2　片上網(wǎng)絡(luò)分層處理Fig 2　Hierarchical processing of network on chip

其中，根據(jù)三任務(wù)并行處理需求，將N×M×Q的片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)分成了三層協(xié)同數(shù)據(jù)處理。將圖中標(biāo)號相同的部件連接起來，就是一個閉合環(huán)，而且三個閉合環(huán)之間片內(nèi)電磁干擾，如果滿足式(1)所示關(guān)系，則不會因片內(nèi)符號傳遞帶來電磁干擾，導(dǎo)致符號質(zhì)量下降。

(1)

式中SCNOC為片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)傳遞符號總數(shù)，S為傳感器節(jié)點發(fā)送符號總數(shù)，NC為數(shù)據(jù)人無語并發(fā)數(shù)。

通過片上協(xié)同控制既要保證傳感器節(jié)點的穩(wěn)定性又要為系統(tǒng)執(zhí)行性能提供有效保障，該協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在硬件部署占用面積上也具有明顯優(yōu)勢，如式(2)所示

(2)

上述部署架構(gòu)的厚度只是單個元件最大厚度的1.3倍。

實際片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通過存儲部件在上，向下映射傳感陣列，并與計算陣列重疊的組裝方法，可形成動態(tài)版式，優(yōu)化面積與體積。

片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)功耗需要綜合考慮多級分層網(wǎng)絡(luò)符號傳遞動態(tài)功耗、邏輯協(xié)同控制功耗、組件陣列功耗等。每次閉合環(huán)上符號處理過程還需要考慮處理器陣列活躍與空閑時功耗、片上符號路由傳遞功耗、符號片上網(wǎng)絡(luò)交換功耗等主要部分?？捎墒?3)計算得到

(3)

式中PS為每個符號處理所需功耗，PCC為邏輯協(xié)同控制功耗，PNOC為片上網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部器件總功耗。

片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的吞吐率表示單位時間內(nèi)無線模塊輸出的符號數(shù)，可由式(4)得到

(4)

式中LS為成功傳遞的符號數(shù)。

根據(jù)式(3)和式(4)計算片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)CNOC方案與單列串式片上網(wǎng)絡(luò)SNOC方案進(jìn)行性能對比，結(jié)果如圖3所示。發(fā)現(xiàn)，雖然大量協(xié)同硬件布設(shè)和邏輯協(xié)同控制造成額外功耗，但隨著傳遞符號規(guī)模的增大，CNOC方案的功耗增幅明顯小于SNOC方案，而且隨著任務(wù)并發(fā)數(shù)的增加，CNOC的吞吐率不斷增大，而SNOC方案因為硬件在制版上的串行工作方式和組建樣式導(dǎo)致吞吐率增大到一定程度后開始下降。

圖3　片上網(wǎng)絡(luò)性能分析Fig 3　Performance analysis of network on chip

2電磁協(xié)同效應(yīng)感知的智能傳感器

傳感器片上網(wǎng)絡(luò)中的電磁協(xié)同效應(yīng)，可能在邏輯協(xié)同控制時對被傳遞符號的可靠性造成一定影響，可能增加符號出錯率，因此，必須準(zhǔn)確掌握電磁協(xié)同效應(yīng)及其產(chǎn)生該效應(yīng)的硬件發(fā)生率，根據(jù)片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的動態(tài)分層差異特性自適應(yīng)控制符號傳遞和處理流程，消除電磁協(xié)同效應(yīng)負(fù)面干擾，發(fā)揮其積極作用。因此，設(shè)計了一種如圖4所示的電磁協(xié)同效應(yīng)分散模型。通過在傳感器片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)硬件陣列下方增設(shè)一個電磁協(xié)同效應(yīng)感知頭，對多向性的電磁協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行分散。分散后傳感器平衡狀態(tài)如式(5)所示

(5)

式中EES為n只傳感器電磁協(xié)同效應(yīng)，EEC為m個處理器電磁協(xié)同效應(yīng)，EEA為q個無線模塊電磁協(xié)同效應(yīng)，EENOC為片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)整體電磁協(xié)同分散效應(yīng)。

此時，傳感器的片上電偶極如式(6)所示

(6)

式中δ為電磁協(xié)同因子，INOC為片上網(wǎng)絡(luò)瞬時電流，α為存儲空間與硬件陣列的映射夾角。

圖4　電磁協(xié)同效應(yīng)分散模型Fig 4　Electromagnetic synergistic effect dispersion model

于是，傳感器的電磁協(xié)同效應(yīng)的靜態(tài)磁場力感知和動態(tài)協(xié)同電場力感知，分別如式(7)和式(8)所示

(7)

(8)

式中MF為靜態(tài)磁場力，EF為動態(tài)協(xié)同電場力。β為無線模塊與計算陣列的映射夾角。

設(shè)計的片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中具有電磁協(xié)同效應(yīng)智能感知和高性能的傳感器，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　智能傳感器結(jié)構(gòu)Fig 5　Intelligent sensor structure

該智能傳感器的電磁協(xié)同效應(yīng)感知頭、傳感陣列、計算陣列和天線陣列的映射旋轉(zhuǎn)基于存取空間和并發(fā)任務(wù)數(shù)決定，智能控制電磁協(xié)同效應(yīng)分散后動態(tài)多相微旋力為

(9)

式中MCNOCF為動態(tài)多相微旋力，SYNOC為片上網(wǎng)絡(luò)在電磁協(xié)同效應(yīng)分散后的符號總數(shù)，可通過將傳感Sy、計算SC和天線SA陣列信號線性依次求和后再異或運算得到融合數(shù)據(jù)。

智能傳感器的平均工作延遲是指在片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)信號處理過程中保證符號從采集到發(fā)送的耗時。為了平滑和兼容電磁協(xié)同效應(yīng)，所設(shè)計的智能傳感器上所有陣列之間的平均延遲為

(10)

式中Hp為符號傳遞跳數(shù)，Tp為每一跳所需時延,TS和TC分別為傳感陣列和計算陣列每個陣元工作延遲。

3傳感器數(shù)據(jù)檢測性能驗證

首先采用Arduino開發(fā)平臺，結(jié)合C語言將所設(shè)計的智能傳感器的片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)嵌入到傳感器節(jié)點中，同時基于動態(tài)映射電磁協(xié)同效應(yīng)感知頭，將邏輯協(xié)同控制算法燒錄至單片機(jī)陣列中統(tǒng)計數(shù)據(jù)的采集、傳遞和輸出性能，與同類型且基于靜態(tài)串行片上網(wǎng)絡(luò)的傳感器進(jìn)行性能對比。傳感器實驗參數(shù)設(shè)置:邏輯協(xié)同控制算法描述如下：

算法：基于片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的邏輯協(xié)同控制

輸入：傳感、計算和天線陣列向量S,C和A，N，M和Q

輸出：符號SYNOC

1)BEGIN

2)基于電磁協(xié)同效應(yīng)在感知頭進(jìn)行分散操作；

3)判斷分散后傳感器狀態(tài)

4)IF 狀態(tài)平衡 THEN

5)計算傳感器的片上電偶極；

6)感知靜態(tài)磁場力感知和動態(tài)協(xié)同電場力；

7)計算動態(tài)多相微旋力；

8)經(jīng)異或運算后得到SYNOC；

9)ELSIF 傳感器狀態(tài)失衡

10)旋轉(zhuǎn)傳感、計算和天線陣列，更新向量S,C和A

11)向計算陣列發(fā)出邏輯協(xié)同控制命令信號;

12)重新感知電磁協(xié)同效應(yīng)；

13)轉(zhuǎn)向步驟(4)

END

單節(jié)點性能測試是在一個50 cm×50 cm×50 cm的正方體密閉裝置中進(jìn)行，統(tǒng)計溫度、濕度和氣壓采集值與實際測量值進(jìn)行對比。實驗中,同時激活溫度、濕度和氣壓等傳感器，3個并發(fā)任務(wù)下統(tǒng)計結(jié)果，如圖6所示。可以看出，整體誤差均小于1 %，智能傳感器采集數(shù)據(jù)精度并未受到并發(fā)任務(wù)時的電磁干擾，這是因為片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)映射功能很好地化解了組件陣列的電磁兼容問題。

多節(jié)點組網(wǎng)系統(tǒng)性能通過NS—2片上網(wǎng)絡(luò)仿真平臺進(jìn)行測試。從節(jié)點移動性方面對上述兩種傳感器設(shè)計方案進(jìn)行驗證。其中，SN—CNOC為本文所提方案，SN—NOC為串行方案，并統(tǒng)計了兩種方案的工作延遲，結(jié)果如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著傳感器節(jié)點移動速度的增加，SN—NOC方案設(shè)計的傳感器節(jié)點工作延遲越來越大，而且當(dāng)移動速度大于6 m/s后呈線性增加，然而所設(shè)計的SN—CNOC智能傳感器在動態(tài)映射基礎(chǔ)上通過控制電磁協(xié)同效應(yīng)，分散后可以充分發(fā)揮硬件陣列的協(xié)同功效，使得工作延遲逐步趨于平穩(wěn)，降低了延遲抖動。

圖6　數(shù)據(jù)誤差分析Fig 6　Data error analysis

智能傳感器參數(shù)設(shè)置：溫度傳感器2只，濕度傳感器3只，處理器5個；氣壓傳感器2只，發(fā)送模塊3只，傳感器節(jié)點數(shù)為10，實驗時間為30 min，感知范圍為500 m×600 m，移動模型為隨機(jī)。

圖7　傳感器網(wǎng)絡(luò)工作延遲Fig 7　Work delay of sensor networks

4結(jié)束語

為了增強單個傳感器節(jié)點的功能性、應(yīng)用性和穩(wěn)定性，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸質(zhì)量，基于片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)和電磁協(xié)同效應(yīng)感知研究了一種智能傳感器。一方面，分析了單個傳感器節(jié)點多傳感多核部件陣列制版方案，將多傳感器、多核和多天線設(shè)備通過存取映射建立片上協(xié)同網(wǎng)絡(luò)；另一方面，為了提高片上網(wǎng)絡(luò)傳遞符號正確率、感知電磁協(xié)同效應(yīng)硬件發(fā)生特性和分散磁場力，邏輯協(xié)同控制傳感器片上網(wǎng)絡(luò)中的電磁協(xié)同效應(yīng)，通過動態(tài)分層進(jìn)行符號傳遞自適應(yīng)控制與融合處理，從而增強了傳感器的集成度和智能控制能力。測試結(jié)果表明:所設(shè)計的智能傳感器在數(shù)據(jù)采集精度、工作延遲、吞吐率和功耗等方面均具有顯著優(yōu)勢。

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Intelligent sensor based on cooperative network on chip and electromagnetic synergistic effect perception*

LI Yu-ling，WANG Xiu-ling

(College of Information Engineering,Inner Mongolia Technology University,Hohhot 010049,China)

Abstract:In order to improve functional integration of sensors,expand application types and guarantee electromagnetic compatibility,propose a kind of intelligent sensor based on cooperative network on chip and electromagnetic cooperative effect perception.Aiming at reusability,versatility of sensor node and high efficient system execution,single node deployment array type multi-sensors,multi-core and multi-antenna devices on chip cooperative network are designed,and solve problem of on-chip communication and electromagnetic interference between array devices by dynamic mapping;on the basis of analysis on error rate of symbol,hardware incidence of electromagnetic cooperative effect,by logic cooperative,by logic cooperation control electromagnetic cooperative effect of network on chip,and intelligent sensor is presented,which has combination of dynamic hierarchical difference characteristics adaptive control symbol transfer and fusion processing.Experimental results show that error of data acquisition of the designed sensor is less than 0.1 %,and bring 25 % of work delay gain,not only improves precision of data but also improves the real-time performance.

Key words:intelligent sensor;cooperative network on chip;electromagnetic synergistic effect;logic cooperative control

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0110—04

收稿日期：2016—03—25

*基金項目：內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項目(2012MS0925)；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科研項目(ZD201119)

中圖分類號：TP 319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0110—04

作者簡介:

黎玉玲(1974-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，副教授，主要研究方向為智能信息處理。