王红林

（镇江市高等专科学校电气与信息学院，江苏 镇江 212028）

智能传感器系统是当今世界上发展迅速的综合性高科技技术，其核心思想是利用计算机技术使传感器实现智能化。通过集成先进的传感器、计算机技术和通信技术，智能传感器系统能够实现更高级别的检测和控制功能，具备巨大的技术潜力和应用前景。智能传感器系统进一步提升了传感器的功能和性能，使其能够在数据采集的同时进行信号处理、分析和决策。这意味着智能传感器系统能够自主地对环境条件进行感知、分析和响应，从而实现更智能化、自动化的监测和控制，该技术也可被称为智能传感器系统。广义智能传感器系统分为两部分：智能传感器终端和控制服务器，智能传感器终端是整个系统的基础，它通过集成先进的传感器和嵌入式处理器来实现智能化。传感器终端通过敏感组件将环境中的物理量、化学量或其他相关信息转换为电信号，然后经过嵌入式处理器进行信号检测、转换和处理。嵌入式处理器具有高度的计算能力和灵活性，可以进行复杂的数据处理、分析、决策和控制。控制服务器是整个智能传感器系统的核心管理和控制中心。它负责接收来自传感器终端的数据，并进行分析和决策。控制服务器采用先进的计算机技术和通信技术，能够处理大量的传感器数据，并根据预设的算法和模型进行实时的数据分析和决策。控制服务器还可以与其他系统进行数据交互和协调，实现更高级别的智能控制和优化。

1 低功耗智能传感器设计原理与方法

1.1 传感器选择与集成

采用低功耗处理器的智能传感器系统由三个部分组成：终端设备、无线智能监控器和用户管理系统，它们通过bootstrap协议实现高效、可靠的传输和监控。这三部分通过基于ZigBee技术的无线网络和基于引导协议的RS-232端口发送数据。低功率智能传感器终端负责收集传感器数据，将其存储在存储器中，并通过无线网络将其传输到低功率无线智能电源连接器的监视器。通过无线智能低功率监测仪，可以为每个传感器端口设定检测阈值，并定期收集数据，将其存储在数据存储设备中，以便用户系统可以实时采集和分析监测信息，并将其发布到各种应用场景中，以提高安全性。基于低功耗智能传感器系统，该系统具有收集、处理、监测和更新信息的功能，可以有效提高系统的性能和可靠性。此外，该系统还可以实时监控终端软件的运行状态，以及及时调整软件参数，以满足用户的需求。

1.2 电源管理与功耗优化

现有的智能传感器系统结构由两部分组成：智能传感器终端和控制服务器，然而，这种结构由于能耗大、操作复杂等问题，限制了智能传感器系统的应用和发展，无法满足人类生活的多样需求。因此，文章将现有的控制服务器智能传感器系统重新划分为两个模块：节能无线智能监控系统和用户管理系统。节能无线智能监控系统采用了无线通信方式，可以显著降低系统的能耗，并提高系统的灵活性和可扩展性。该系统由一个或多个节能无线智能监视器组成，与智能传感器终端通过低功耗WiFi进行连接。这些智能监视器集成了低功耗处理器，能够通过电池或直流电源实现24小时不间断的运行。同时，它们还可以通过无线网络接收多个节能低功耗智能传感器终端的数据，实现多点监控功能。该节能无线智能监控系统具有能耗低、操作简单、监测多样性等优势，适用于多个领域的监测需求。另一方面，用户管理系统是智能传感器系统的核心管理和控制平台，负责与节能无线智能监控系统进行通信和数据交互。为了降低能耗和提高灵活性，用户管理系统通过RS-232电缆接口与节能无线智能监视器和节能智能传感器终端进行通信。通过将屏幕与管理平台分离，这种设计大大降低了系统的功耗，使其更加高效可靠。值得注意的是，节能低功耗智能传感器终端使用超低功耗处理器，并通过低功耗WiFi与显示器进行连接。它能够在电池供电的情况下稳定运行1～2年，并且可以通过软件调整不同的传感器参数，以实现对系统的监测多样性。多个低功耗智能传感器终端可以同时工作，并通过无线网络接收低功耗无线监控器进行监测，从而实现对低功耗智能传感系统的多点监控。

1.3 信号处理与数据压缩

当今，世界上流行的嵌入式处理器种类繁多，从ARM、PowerPC、8051到MSP430，每一种都受到消费者的青睐。尤其是TI的MSP430，它的尺寸更加紧凑，功耗更低，价格更加实惠，而且性能也更加出色，完全满足了系统的各种需求。MSP430系列处理器具备一个高效的16位简化指令系统，它将16位寄存器与常量生成器结合在一起，从而提供更高的编码性能，从而达到更好的性能表现。MSP430系列处理器拥有出色的性能，其具有节能的设计，可以实现更高的系统效率，从而节省能源。当处于LPM4μ模式时，msp430内置的数控振荡器（DCO）可以实现从低功率模式到唤醒模式的快速转换，而这一过程的时间要比6μ3系列处理器的时间短得多。MSP430还具有多种内外部设备，如定时器、比较器、串行接口、硬件乘法器、LCD单元以及ADC等。当控制失效时，定时器可以迅速恢复程序。定时器具有捕获/比较功能，可以用来处理事件，如PWM。将定时器与比较器结合起来，可以构建出一个A/D转换器。此外，IAR的集成开发平台也可以提供一个便捷的开发环境，以实现定时器的有效利用。IAR Integration Workbench是一款强大的开发工具，可以用来开发各种类型的目标处理器，它具有直观易用的界面，可以编辑C语言和汇编语言，还提供强大的编译功能，使得开发者可以轻松实现各种复杂的目标处理器，从而提高开发效率。

2 低功耗智能传感器设计的优化与改进

2.1 嵌入式操作系统

嵌入式系统的功耗与软件的结构密切相关，因此在开发过程中必须考虑软件的优化。AP、操作系统和编译器是决定系统节能效果的关键因素，因此在开发过程中必须充分考虑这些因素，以确保嵌入式系统的功耗能够得到有效控制。当前，许多APM和ACPI标准已被广泛应用于能源管理领域。这个AP主要针对普通电脑和笔记本电脑，但它的管理方式并不够完善，效果也有限。为了提高AP的开发效率，开发了Windows和Linux这两款软件。它们可以帮助用户选择处理器、配置存储器、管理中断和制定工作计划，并且还可以支持操作系统。嵌入式操作系统是一种专为嵌入式应用而设计的编程工具，它在整个嵌入式系统中扮演着至关重要的角色。这个系统通常由许多部分组成，例如驱动程序、内核、通讯协议、接口。这些部分之间存在着密切的联系，例如处理器管理、驱动程序指令、策略和能量消耗。另外，为了更好地控制电源，还需要在系统接口中增加与电源管理相关的功能。为了更好地控制能源消耗，以及满足各种复杂的应用场景，必须采取有效的能源管理策略来拓宽系统的核心。

2.2 处理器功耗管理

为了降低嵌入式操作系统的能源消耗，处理器可以采用多种功耗模式。一般来说，处理器的能量消耗可分为三种：正在运行、待机和睡眠。当接通电源后,系统仍然在工作状态下运作。如果任务处于运行状态，或者发生了意想不到的外部事件，系统将保持原有的运行模式。但也可以通过调整系统来实现自由切换，使其处于空闲状态。此类系统的最显著优势在于，它几乎不需要额外的操作，并且可以在短短的毫秒内重复运行多次。当操作系统发现所有线程都处于停滞状态时，它会自动调整至空闲模式，以减少耗费的资源，并且这种模式使得软件能够自主地接受系统的中断，而不必担心无法及时响应。一般来说，空闲进程只有在其他任务受到限制的情况下才能够正常工作。当系统处于空闲状态时，空闲计时器就会被激活，以便及时完成所有必要的操作，同时也记录下最长的记录。操作系统可以实现多种功能，包括但不限于：代码、堆栈、静态数据等，都可以被记录并储存在内存中，以便处理器可以随时调整至休眠模式。当外界的休眠事件发生时，系统也可以自动调整至休眠状态，以确保其正常工作。如果遇到外部干扰，系统将自动进入操作模式。然而，在睡眠模式下，它可能会暂停运行，并且可能无法立即恢复正常。相比之下，从睡眠状态开始运行的延迟更长。

2.3 外围设备功耗管理

利用设备驱动程序，处理器可以与外部设备进行高效的交互，充分发挥硬件的优势，从而提升系统的稳定性和可靠性。在能源管理软件系统中，设备驱动程序不仅是一个重要的组成部分，更是整个系统运行的核心。通过提供一个功能调用接口，驱动层可以有效利用外部功耗模式，从而大幅降低系统能耗。此外，设备驱动程序还可以更加精准地监测外部设备的运行状况，并及时调整系统的能源消耗，从而实现节能减排的目标。利用驱动程序API，不仅可以大大提升决策的准确性，而且还可以对被管理的设备实施有效操作。比如，在系统处于运行或者空闲的情况下，LCD屏幕仍然能够正常显示所有信息；而在设备进入休眠时，LCD显示器将会变得昏暗，从而大大降低了设备的能源消耗。LCD的管理与操作方式是影响系统性能的关键因素，其中最显著的变化是功耗。因此，为了提高系统的效率，必须采用更加严苛的功耗控制方法。LCD显示控制器是一种高效的低功耗系统，它不仅可以提供通用的接口，实现显示功能控制，还可以实现开/关屏幕以及调整背光亮度。在设备启动时，可以对其进行实时监控，并记录所有与系统注册服务有关的信息。这些注册信息包含了设备的ID，并且提供了关于特定设备的功率控制的详细说明。当系统的功率模式发生变化时，就会触发一系列可以精确反映实际功率水平的事件。为了应对这些变化，系统还需要调整回调函数，使其能够调用特定的电源控制器，并且按照不同的电源模式来控制设备的运行。

2.4 系统功耗策略

操作系统控制器确定硬件的低功率属性是否可用，但可用的低功率模式由系统功率策略模块提供。应用层负责决定是否采用低功耗技术，并确定如何利用这些技术来提高系统的灵活性，从而在保持低性能的同时实现高效率。由于系统功耗低，其性能可能会受到特定硬件和使用方法的一定影响。在这个系统中，驱动层负责提供各种功能，包括处理低功耗硬件的接口。而策略层则负责为用户提供各种能源策略。此外，接口层还负责控制硬件的低功耗特性。通过使用这些层，不仅可以采取适当的技术措施，减少设备的能源消耗，还可以开发出更多的节能方案。

3 实验优化设计

尽管许多低功耗软硬件设计方案已经取得了显著的节能成果，但是由于它们未被广泛采用，导致其最终的性能无法达到预期的水平。因此，未来需要更加积极地探索，以便更有效地利用嵌入式系统，而不是单纯依赖某一项特殊的节能技术。①文章旨在建立一种能够准确反映资源需求和能源消耗的标准模型。资源需求是一种复杂的系统行为，它涉及到多种因素，例如处理器性能、内存容量、系统架构、功耗等。通过评估资源需求和相应的功耗，可以在系统设计的早期阶段平衡系统性能和功耗，为硬件设计和选择提供重要的参考。这对于确定系统是否能够在限制功耗的同时实现预期的设计目标非常关键。②采取低功耗操作系统的规划策略，不仅能够有效减少系统资源的消耗，还能够根据任务的需求，合理安排任务的执行顺序，实现高效率的运营。因此，应该积极探索新的调度策略，以满足不同的需求，并且能够有效地实现系统的灵活性。③当前，许多算法都被用来评估系统的负荷，但它们往往无法满足系统的需求。因此，可以采取一种新的方法，即利用任务驱动的功能优化和自适应负荷分配模式，将处理器的性能提升至系统所需的最高水平。将可变电压程序接口的定义与其他现行的接口规范相结合，从而构建出一个更加完善、更加符合标准的嵌入式操作系统。

4 结语

文章中，深入探讨了如何设计低功耗的智能传感器，包括阻塞机制、外部设备的功率控制、系统的功率策略以及实验优化的设计。对不同的低功耗技术进行比较，并给出一些可行的解决方案。此外，文章还深入研究了一些棘手的问题，旨在更好地应对未来的挑战。