论文摘要
在普适智能环境中,衣物不仅具有保暖和体现时尚的用途,还将具备“隐形”的计算能力。人们把电子器件集成到织物中,创造了一种新型的普适计算平台,初步实现了“布料计算机”的雏形。电子织物是集成有传感器、执行器、计算节点、可扩展的柔性互联接口以及电池的布块。它以纤维布块的柔顺外形出现在我们的周围,具备感知、计算和通信能力。作为普适计算载体,电子织物可以用作定制各种应用系统的计算母板,广泛应用于军事、医疗、体育、公共安全等各个领域。研制实用化的织物系统需要解决许多独特的研究问题。其中之一是针对应用系统定制过程中的裁剪操作以及系统投入运行后频发的拉扯、撕裂等磨损情况,设计电子织物系统的可靠基础设施,包括可靠的电能路由网络和可靠的数据通信网络。电子织物基础设施应尽可能地兼容现有的纺织生产流程和自动织造技术,并支持系统在“恶劣”操作环境中鲁棒地运行。其二,基于电子织物可靠基础设施,考虑织物系统依赖电池模块驱动以执行计算任务的特性,设计系统级低能耗管理策略,延长织物系统的工作时间。本文的工作围绕电子织物系统设计的这两个研究问题展开,首先提出了可靠的电能路由网络和数据通信网络的设计方案;随后基于电子织物的可靠基础设施,研究了织物系统中耗电节点端的多电池管理策略,提高系统电池效率。本文的主要贡献总结如下:1)综述了电子织物的研究现状本文综述了自电子织物第一个原型系统出现至今十多年来的研究进展。在分析了织物系统特点后,提出了电子织物的研究框架,系统地归纳了该领域的研究问题。按照此研究框架评述了现有研究成果,讨论了该领域的研究趋势和研究热点。2)设计了电子织物可靠的电能路由网络由于碾压拉扯等行为导致节点损坏、导电丝线断裂和短接等故障频发,使得采用固定的“一对一”关系连接耗电模块与电池模块的电能路由网络比较脆弱。本文提出了电子织物可靠的电能路由网络,设计了其基础架构。利用织物系统中冗余的导电丝线连接网络中的节点,实现了耗电节点与电池节点之间的“多对多”连接关系。设计和扩展了耗电节点和电池节点的接口,增强了节点的自主行为能力,使其具备在使用过程中动态改变连接关系的能力,规避电能网络中频发的开路和闭路故障。3)设计了电子织物可靠的数据通信网络本文研究了电子织物的数据通信网络,使用令牌总线代替原有设计中的单向环,提出了织物数据通信网络EGNTB;设计了EGNTB的底层协议,包括基本媒体访问控制协议操作、“错位路由”算法和故障状态下的网络操作等三个部分。详细分析了EGNTB的吞吐量和数据包平均等待时间。实验表明,EGNTB增强了电子织物系统的容错能力。在相同故障情况下,能够在更短时延内传送数据包。在原有织物互联方案彻底失效、各节点之间完全隔开的故障情况中,EGNTB仍能保证节点间的局部互联,使得网络性能随着故障个数和类型的增加,恶化速度缓慢,保证了网络性能的平稳性。4)设计了电子织物系统低能耗管理策略本文分析了织物系统中电池节点的性质,使用迭代方法解释和扩展了一个分析型电池节点模型,得到了任意负载段的电量响应。在此基础上,定义了电池疲劳度的概念。在电子织物耗电节点端的电池调度中采用加权疲劳度作为评价函数,提出了加权疲劳度预测值最小调度方法PWFDLF。仿真实验表明,PWFDLF大大优于基准的顺序算法,并比已有的Benini’s方法有了一定的提高(系统电池效率最大改进幅度为26.50%)。
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