黎玉玲，王秀玲

(內蒙古工業(yè)大學 信息工程學院，內蒙古 呼和浩特 010049)

片上協(xié)同網絡和電磁協(xié)同效應感知的智能傳感器*

黎玉玲，王秀玲

(內蒙古工業(yè)大學 信息工程學院，內蒙古 呼和浩特 010049)

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

關鍵詞：智能傳感器；片上協(xié)同網絡；電磁協(xié)同效應；邏輯協(xié)同控制

0引言

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

文獻[4]研究了一種由水平電阻和偏置電路組成的空間濾波CMOS電阻網絡。文獻[5]將類電磁算法應用于求解離散問題，提出了一種類電磁優(yōu)化的片上網絡低功耗映射算法。文獻[6]通過對頻率的相關性進行定義，并從性能與能耗模型中劃分相關因素，從而提出了一種精確的多核結構片上網絡能耗模型。Herrero Enric等人[7]研究了微體系結構的延遲、片上網絡和片外存儲器通信性能保障機制。HassanpourNeda等人[8]研究了提出了一種適用于三維片上網絡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制。文獻[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[10]結合torus網絡和mesh網絡的優(yōu)缺點，提出了一種新的拓撲結構TM。文獻[11]基于協(xié)同化療光熱效應研究了內源性生物分子納米仿生設計與制備的通用策略。文獻[12]基于CAN總線設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計與數據融合處理問題，設計了一種片上協(xié)同網絡和電磁協(xié)同效應感知的智能傳感器。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)同網絡；另一方面，可以根據片上協(xié)同網絡架構的動態(tài)分層差異特性自適應控制符號傳遞和數據融合處理，分散和感知電磁協(xié)同效應。

1傳感器片上協(xié)同網絡

為了提高傳感器節(jié)點的復用性、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備，于是面臨多設備間的協(xié)同合作控制、片上通信和片上設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)同網絡。假設，一個傳感器節(jié)點上設置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)同網絡架構。其中，根據數據類型、存儲地址和服務需求與處理器陣列、發(fā)送陣列分別建立動態(tài)映射關系，設立動態(tài)映射邏輯協(xié)同控制模塊。此外，將數據采集、數據處理、數據存取和數據輸入輸出分成4級協(xié)同架構。

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

圖2　片上網絡分層處理Fig 2　Hierarchical processing of network on chip

其中，根據三任務并行處理需求，將N×M×Q的片上協(xié)同網絡分成了三層協(xié)同數據處理。將圖中標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)之間片內電磁干擾，如果滿足式(1)所示關系，則不會因片內符號傳遞帶來電磁干擾，導致符號質量下降。

(1)

式中SCNOC為片上協(xié)同網絡傳遞符號總數，S為傳感器節(jié)點發(fā)送符號總數，NC為數據人無語并發(fā)數。

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)同網絡架構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)同網絡應用中，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)同網絡的系統(tǒng)功耗需要綜合考慮多級分層網絡符號傳遞動態(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、符號片上網絡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為片上網絡內部器件總功耗。

片上協(xié)同網絡的吞吐率表示單位時間內無線模塊輸出的符號數，可由式(4)得到

(4)

式中LS為成功傳遞的符號數。

根據式(3)和式(4)計算片上協(xié)同網絡CNOC方案與單列串式片上網絡SNOC方案進行性能對比，結果如圖3所示。發(fā)現，雖然大量協(xié)同硬件布設和邏輯協(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，而且隨著任務并發(fā)數的增加，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致吞吐率增大到一定程度后開始下降。

圖3　片上網絡性能分析Fig 3　Performance analysis of network on chip

2電磁協(xié)同效應感知的智能傳感器

傳感器片上網絡中的電磁協(xié)同效應，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，必須準確掌握電磁協(xié)同效應及其產生該效應的硬件發(fā)生率，根據片上協(xié)同網絡架構的動態(tài)分層差異特性自適應控制符號傳遞和處理流程，消除電磁協(xié)同效應負面干擾，發(fā)揮其積極作用。因此，設計了一種如圖4所示的電磁協(xié)同效應分散模型。通過在傳感器片上協(xié)同網絡硬件陣列下方增設一個電磁協(xié)同效應感知頭，對多向性的電磁協(xié)同效應進行分散。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，EEC為m個處理器電磁協(xié)同效應，EEA為q個無線模塊電磁協(xié)同效應，EENOC為片上協(xié)同網絡整體電磁協(xié)同分散效應。

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為片上網絡瞬時電流，α為存儲空間與硬件陣列的映射夾角。

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

于是，傳感器的電磁協(xié)同效應的靜態(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。

設計的片上協(xié)同網絡中具有電磁協(xié)同效應智能感知和高性能的傳感器，結構如圖5所示。

圖5　智能傳感器結構Fig 5　Intelligent sensor structure

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

(9)

式中MCNOCF為動態(tài)多相微旋力，SYNOC為片上網絡在電磁協(xié)同效應分散后的符號總數，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據。

智能傳感器的平均工作延遲是指在片上協(xié)同網絡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，所設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，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傳感器數據檢測性能驗證

首先采用Arduino開發(fā)平臺，結合C語言將所設計的智能傳感器的片上協(xié)同網絡架構嵌入到傳感器節(jié)點中，同時基于動態(tài)映射電磁協(xié)同效應感知頭，將邏輯協(xié)同控制算法燒錄至單片機陣列中統(tǒng)計數據的采集、傳遞和輸出性能，與同類型且基于靜態(tài)串行片上網絡的傳感器進行性能對比。傳感器實驗參數設置:邏輯協(xié)同控制算法描述如下：

算法：基于片上協(xié)同網絡的邏輯協(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)同效應在感知頭進行分散操作；

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)經異或運算后得到SYNOC；

9)ELSIF 傳感器狀態(tài)失衡

10)旋轉傳感、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；

13)轉向步驟(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行，統(tǒng)計溫度、濕度和氣壓采集值與實際測量值進行對比。實驗中,同時激活溫度、濕度和氣壓等傳感器，3個并發(fā)任務下統(tǒng)計結果，如圖6所示?？梢钥闯?，整體誤差均小于1 %，智能傳感器采集數據精度并未受到并發(fā)任務時的電磁干擾，這是因為片上協(xié)同網絡的動態(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)點組網系統(tǒng)性能通過NS—2片上網絡仿真平臺進行測試。從節(jié)點移動性方面對上述兩種傳感器設計方案進行驗證。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，結果如圖7所示?？梢园l(fā)現，隨著傳感器節(jié)點移動速度的增加，SN—NOC方案設計的傳感器節(jié)點工作延遲越來越大，而且當移動速度大于6 m/s后呈線性增加，然而所設計的SN—CNOC智能傳感器在動態(tài)映射基礎上通過控制電磁協(xié)同效應，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　數據誤差分析Fig 6　Data error analysis

智能傳感器參數設置：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。

圖7　傳感器網絡工作延遲Fig 7　Work delay of sensor networks

4結束語

為了增強單個傳感器節(jié)點的功能性、應用性和穩(wěn)定性，以及傳感器網絡的信號傳輸質量，基于片上協(xié)同網絡和電磁協(xié)同效應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、多核和多天線設備通過存取映射建立片上協(xié)同網絡；另一方面，為了提高片上網絡傳遞符號正確率、感知電磁協(xié)同效應硬件發(fā)生特性和分散磁場力，邏輯協(xié)同控制傳感器片上網絡中的電磁協(xié)同效應，通過動態(tài)分層進行符號傳遞自適應控制與融合處理，從而增強了傳感器的集成度和智能控制能力。測試結果表明:所設計的智能傳感器在數據采集精度、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：內蒙古自然科學基金資助項目(2012MS0925)；內蒙古工業(yè)大學科研項目(ZD201119)

中圖分類號：TP 319

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0110—04

作者簡介:

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