基于模型的系统工程如何帮助减少能源消耗的越来越多的物联网设备。
德克迈耶和罗兰Jancke
物联网(物联网)是世界各地的快速增长。新设备不断地补充道,都收集各种数据和传输(通常是无线)边缘设备,进而将数据传送到云进行进一步处理。据估计,在未来几年物联网设备将负责全球能源消费的20%以上。减少能源使用的物联网设备必须被视为一个明确的目标对气候保护。
每个物联网节点的能耗也是一个限制因素在设备的使用寿命。当设备被用于难以接触到的位置,不能连接,减少能耗延长服务时间间隔是至关重要的。
能源的使用必须被认为是早期发展的一个新的设备。重要的体系结构决策是由已经在概念阶段,必须考虑功耗的设计参数。定义能源供应的概念,例如,当设计师必须选择能源是否会来自一个可充电电池,电池寿命一次性或能量收获。有必要考虑静态,积分的能源需求,以及基于特定的使用场景的动态需求。
其他一些概念性问题必须回答处于初期阶段,因为他们影响所需的电源。例如,一个使用耗电之间必须找到平衡传输模块上传大量的原始数据和能源密集型之前发送的数据压缩。当地的传感器数据聚合和提取有趣的功能是另一种减少传输的数据量,但算法复杂度为代价的。先进的机器学习和人工智能算法很难上实现简单的微控制器。如果这些功能转移到边缘节点,更多的数据必须传输的设备。
操作制度也发挥作用的问题:传感器数据必须收集多久达到给定的精度水平?这个因素影响决定从传感器设备边缘节点通信。更频繁地发送数据传输的可靠性增加,虽然不那么频繁传输必须与纠错保护措施。在最坏的情况下,必须另外敏感数据加密传输之前。
要使用的传输协议是一个重要的问题在很多物联网节点组成的网络。同步协议只有在明确定义的时候,交换信息和节点进入睡眠模式在其间的间隔。与异步协议,节点只从睡眠模式中醒来,当数据是可用的,但是他们必须不断准备这样的激活。根据所需的数据率和操作范围,可用各种协议:从无线个域网和蓝牙低能量(bie)等特殊物联网协议长期(罗拉)窄带物联网(NB-IoT)甚至5 g变异为大规模的机器类型通信(mMTC)。
因此清楚的是,物联网设备的能源消耗是一个因素在许多设计决策和操作模式的要求也必须考虑。这使我们有必要比较各种备选方案的帮助下在概念阶段适当的工具。单个组件的能源消耗在一个给定的操作模式必须考虑,和一个能量敏感数据流模型需要在架构级别。所需的能源消耗自然在很大程度上依赖于所使用的硬件。一般基于事务处理器模型必须补充信息沟通的能源消耗和计算步骤。设计空间搜索可以通过模拟各种场景从能源需求的角度来看。
广泛的潜在的物联网组件和算法使这个设计任务巨大的复杂性。增加自动化因此需要找到一个最优解之间的竞争性能和节能的目标。这样的自动化是唯一可能的端到端数字的描述系统,它必须从概念阶段到实施可用来分析和优化组件之间的交互。相关方法中可以找到的方法基于契约的设计,描述了系统组件作为代理,将相互要求,保证特定的服务。这些描述允许在设计过程中逐步细化以及自动化的设计复杂系统的优化方法。
一般来说,基于模型的系统工程方法(MBSE)为早期的决策提供一个坚实的基础在设计复杂的硬件/软件系统。相关的模型开发的高水平的抽象,可以重用之后(富含实现细节)验证的完整的系统。
考虑到令人难以置信的数量的物联网系统预测,极大的节约能源可以预期。然而,一个智能MBSE方法也将提高各个系统的使用寿命。
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