مقاله بهبود طول عمر سیستم های نهفته بی درنگ به کمک زمان بندی آگاه از وضعیت باتری

word قابل ویرایش
28 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

بهبود طول عمر سیستم های نهفته بی درنگ به کمک زمان بندی آگاه از وضعیت باتری
چکیده: بسیاری از سیستم های نهفته و دستگاه های متحرک برای تأمین انرژی مورد نیاز خود از باتری استفاده می کنند و بنابراین طول عمر این دستگاه ها به طول عمر باتری وابسته است . بر این اساس ، جهت افزایش میزان بهره وری از این گونه سیستم ها، کاهش مصرف انرژی و مدیریت نحوه استفاده از باتری اهمیت زیادی دارند. با توجه به خصوصیات و رفتار غیر خطی باتری ، بیشینه کردن طول عمر باتری که به الگوی تخلیه آن نیز وابسته است از مسایل سخت محسوب می گردد. این مقاله جهت افزایش طول عمر سیستم و بیشینه کردن بهره وری از باتری ، به ارائه یک الگوریتم زمان بندی آگاه از وضعیت باتری برای وظایف دوره ای در سیستم های بی درنگ مبتنی بر باتری می پردازد. در الگوریتم پیشنهادی یک روش ابتکاری حریصانه برای تغییر پویای ولتاژ با توجه به خصوصیات باتری و توان مصرفی وظایف ارائه می گردد. الگوریتم ارائه شده با دو روش ارزیابی می شود، در روش اول از تابع هزینه مبتنی بر شارژ مصرفی باتری استفاده می شود و در روش دوم از یک شبیه ساز سطح پایین باتری های لیتیوم – یون به نام Dualfoil بهره برداری خواهد شد. نتایج نشان می دهد که الگوریتم پیشنهادی منجر به افزایش طول عمر سیستم بین ۱۹٫۶ – ۴٫۳ درصد در شرایط مختلف ( از نظر بار کاری سیستم و محدوده توان مصرفی وظایف ) شده است .
کلید واژه: سیستم های نهفته بی درنگ ، تغییر پویای ولتاژ، زمان بندی آگاه از وضعیت باتری ، مصرف توان .

١- مقدمه
امروزه باتری نقش بسزایی در تأمین انرژی بسیاری از سیستم های نهفته بی درنگ ایفا می کند. درصد قابل توجهی از این دستگاه ها قابلیت شارژ مجدد باتری را ندارند و به دلیل نوع و محل به کارگیری ، جایگزین کردن باتری نیز در آنها امکان پذیر نیست و بنابراین طول عمر این دستگاه ها وابسته به طول عمر باتری است .
در اکثر فناوری ه١)یپاییمربتورطبیباه ید،باتآرنی ،باتارگری ودلتیاگژرباتقاردیر باه ز تحأدمیمن ورادنرژنیای سیستم (ولتاژ قطع مورد نیاز سیستم نیست و آن سیستم دیگر نمی تواند به کار خود ادامه دهد. در این حالت لزوما انرژی ذخیره شده در باتری تمام نشده است ، بلکه بارتاریی برخآاولری ده کشرددهناسولت تا،ژ حماولرد آننظرکه کاافیی ن نبیاتسرت ی بورادیر اسصیطستلامحی مکی گوولیتیام قطع آن کمتر باشد قابل استفاده خواهد بود. بر این اساس ، کاهش مصرف انرژی و مدیریت نحوه استفاده از باتری جهت افزایش میزان بهره وری آن و بیشینه کردن طول عمر باتری بسیار حائز اهمیت است . به دلیل رفتار غیر خطی باتری در روند تخلیه یا دشارژ٢، بیشینه کردن طول عمر آن مسأله ای سخت و چالش برانگیز است . همچنین به علت وابستگی میزان انرژی استخراج شده از باتری به الگوی جریان دشارژ آن ، می توان با کنترل سطح جریان و الگوی دشارژ طول عمر باتری را افزایش داد. در این مقاله به ارائه یک روش مبتنی بر تغییر الگوی جریان دشارژ در طول اجرای وظایف روی پردازنده ای با قابلیت تغییر پویای ولتاژ ٣(DVS) می پردازیم که هدف آن بیشینه کردن بهره وری باتری است .
در سال های اخیر طراحی سیستم های مبتنی بر باتری یک مقوله مهم و جدی بوده است . کارهایی که تا کنون در این زمینه انجام شده به چند دسته عمده تقسیم بندی می شوند: ١) مدل کردن باتری و توصیف رفتار غیر خطی آن [١]، ٢) مدیریت توان و انرژی مصرفی باتری [٢] تا [۴] و ٣) زمان بندی وظایف در سیستم های مبتنی بر باتری .
مهم ترین مدل هایی که تا کنون برای باتری ارائه شده اند عبارتند از:
الف ) مدل الکتروشیمیایی [۵] تا [١٠]، ب) مدل مدارهای الکتریکی [١١] تا [١٣]، ج) مدل های تحلیلی (این مدل ها شامل مدل KiBaM و مدل نفوذی (ریزشی ) هستند) [١۴] تا [١٨] و د) مدل های تصادفی [١۶] و [١٩] تا [٢٢].
تأثیر دو خصوصیت غیر خطی باتری ، اثر نرخ ظرفیت ۴ و اثر بازیابی (بهبود)۵، در طول عمر آن و سیستم های نهفته مبتنی بر باتری در [٢٣] مورد بررسی قرار گرفته و مزایا و معایب این دسته از باتری ها شرح داده شده است . در [١۴] نویسندگان یک مرور کلی روی مدل های متفاوت باتری انجام داده و مدل ها را از لحاظ مناسب بودن برای ترکیب با مدل بار کاری ۶ در جهت ایجاد یک مدل باتری بهتر و قوی تر ارزیابی کردند. در [٢۴] نویسندگان روی دو مدل تحلیلی معروف به نام های KiBaM٧ و مدل نفوذی ٨ بررسی کاملی انجام داده و مناسب بودن این مدل ها را با هدف ارزیابی کارایی آزمایش کردند.
در راستای مدیریت توان و انرژی مصرفی باتری ، تلاش های فراوانی در زمینه استفاده از تکنیک تغییر پویای ولتاژ به عنوان یک ابزار کاهش مصرف انرژی صورت گرفته است . در اغلب مطالعات انجام شده بر مبنای تغییر پویای ولتاژ، باتری به عنوان یک منبع ایده آل انرژی است که مقدار معین انرژی را در یک ولتاژ خروجی ثابت ، ذخیره یا پخش می کند. لیکن بر اساس تحقیقات انجام شده [١۵]، [٢٢]، [٢۵] و [٢۶]، این امر همیشه صحیح نیست و طراحی بر مبنای این مدل ساده و حداقل کردن میانگین مصرف انرژی لزوما منجر به بهینه شدن طول عمر باتری نمی شود.
دسته دیگری از کارهایی که برای افزایش طول عمر باتری صورت گرفته ، ارائه تکنیک های زمان بندی وظایف با در نظر گرفتن اثر نرخ دشارژ و بازیابی است . در کارهای اولیه ای که در زمینه زمان بندی آگاه از باتری صورت گرفت معمولا محققان الگوریتم های افزایش (کاهش ) ولتاژ را ارائه می دادند که تابع هزینه به دست آمده از مدل باتری را بهینه کنند [٢۶] و [٢٧]. در زمینه سیستم های بی درنگ سخت ، در [٢٨] یک الگوریتم ایستای مبتنی بر توسعه الگوریتم ارائه شده در [٢٧] برای زمان بندی و در نظر گرفتن اثر بهبود، ارائه شده است .

اخیرا تلاش های زیادی برای استفاده از روش های ابتکاری که از مدل باتری به دست آمده ، برای زمان بندی پویای وظایف دوره ای صورت گرفته است . مرجع [٢٩] یک الگوریتم زمان بندی پویا را ارائه می دهد که تلاش می کند تا حد امکان یک پروفایل جریان غیر افزایشی محلی ١ برای گسترش طول عمر باتری را محفوظ نگه دارد. در [٣٠] با تصویر یک درک شهودی از این که چگونه روش های کشف کننده مدل های باتری می توانند عملا در گسترش طول عمر باتری مؤثر باشند، فهم بهتری نسبت به آگاهی از وضعیت باتری ارائه می گردد. سپس یک فرم عمومی از مسأله زمان بندی آگاه از وضعیت باتری که برای زمان بندی وظایف دوره ای است در یک محیط تک پردازنده ای ارائه می دهد. در [٢۵] ابتدا مسأله زمان بندی وظایف برای سیستم های تک پردازنده ای مبتنی بر باتری با قابلیت اعمال تغییر پویای ولتاژ در قالب یک مسأله بهینه سازی غیر خطی مطرح می شود. سپس تابع هدف این مسأله که در واقع کمینه کردن شارژ مصرفی بر اساس تابع هزینه ارائه شده در [١۵] برای یک گراف وظایف در زمان مشخص است مورد نظر قرار می گیرد. برای یک مجموعه از وظایف دوره ای ، زمان با طول ابردوره و برای وظایف غیر دوره ای زمان با بیشترین موعد برابر است . مرجع [٢۵] با اشاره به این مطلب که مسأله بهینه سازی مربوط یک مسأله حل نشدنی در زمان چندجمله ای بر حسب اندازه ورودی مسأله ٢(hard -NP ) است (حتی اگر وظایف اولویت ثابت داشته باشند) به ارائه یک روش ابتکاری حریصانه برای دست یابی به نتایجی نزدیک به بهینه می پردازد.

در بخش ٢ با ذکر چند سناریو، دلایل پرداختن به مسأله مطرح شده را بیان می کنیم . مدل سیستم و طرح مسأله را در بخش ٣ شرح می دهیم . در بخش ۴ به توضیح الگوریتم پیشنهادی با جزئیات کامل می پردازیم . بخش ۵ نتایج به دست آمده از پیاده سازی الگوریتم پیشنهادی طی آزمایش های متفاوت را در مقایسه با سایر الگوریتم ها نشان می دهد و در بخش ۶ به نتیجه گیری نهایی می پردازیم .
٢- پیش زمینه و انگیزه تحقیق
در این بخش با شرح چند سناریو به ضرورت ارائه یک الگوریتم زمان بندی مبتنی بر باتری در طراحی سیستم می پردازیم . در سناریوی اول به اهمیت تغییر پویای ولتاژ و نحوه چیدمان وظایف و تأثیر آنها بر طول عمر باتری پرداخته ایم (جداول ١ تا ٧ و شکل های ١ تا ٣). جدول ١ مشخصات دو وظیفه که مدت زمان اجرا و موعد نسبی یکسان اما جریان و توان مصرفی متفاوتی را دارند، نشان می دهد. در جداول ٢ و ٣ با فرض این که پردازنده دارای ۵ سطح ولتاژ است ، [٢.٢، ٢.۵، ٢.٧، ٣.٠، ٣.٣]، برای هر سطح ولتاژ مقدار جریان ، زمان اجرا و توان مصرفی نشان داده شده که ستون اول نام وظیفه و عدد مربوط به سطح ولتاژ، ستون دوم سطح ولتاژ (V) اجرای وظیفه بر حسب ولت ، ستون سوم جریان (I) وظیفه بر حسب آمپر، ستون چهارم زمان (T) مورد نیاز برای اجرای وظیفه بر حسب دقیقه و ستون پنجم میزان توان مصرفی (P) اجرای وظیفه بر حسب وات را نشان می دهد. از آنجا که دوره هر دو وظیفه ١٧ دقیقه است ، در جدول ۴ چند پروفایل مختلف برای اجرای این دو وظیفه در نظر گرفته شده به طوری که هیچ کدام موعد خود را از دست ندهند. مثلا پروفایل اول که B5A1 می باشد، به این صورت است که ابتدا وظیفه A با بالاترین ولتاژ، سطح اول (A1 ) و توان مصرفی ٠.١٨١۵ وات به مدت ۶ دقیقه و سپس وظیفه B با سطح پنجم ولتاژ (B5) و توان مصرفی ٠.٠١٧٩ وات به مدت ١٠.٢۴١ دقیقه اجرا می شود.

طول زمان اجرای این دو وظیفه جمعا ١۶.٢۴١ دقیقه می شود. تا دقیقه ١٧ که موعد. دوره این دو وظیفه است ، به اندازه ٠.٧۵٩ دقیقه پردازنده بیکار است و توان مصرفی در این بازه صفر می باشد. ۵ پروفایل دیگر نیز به همین ترتیب هستند و البته باید توجه داشت که این ۶ پروفایل بهترین حالت ها از بین ١٧ حالت ممکن هستند .
برای مقایسه این پروفایل ها از شبیه ساز Dualfoil (توضیحات بیشتر در بخش ٣-٢ آمده ) استفاده شده است . فرض بر این است که وظایف دوره ای هستند و طول دوره برابر موعد نسبی آنهاست . هر پروفایل را تا جایی که ولتاژ قطع به ٣.٢ ولت برسد تکرار و اجرا شده است . در جدول ۵ و شکل ١ نتایج به دست آمده از اجرای این پروفایل ها در Dualfoil آمده است . برای هر پروفایل ، میزان انرژی مصرفی کل ٢ بر حسب وات ساعت به کیلوگرم (W-h/kg)، ولتاژ کمینه ٣ بر حسب ولت (V)، زمان رسیدن به ولتاژ حداقل ۴ بر حسب دقیقه (min) و زمان شکست سیستم بر حسب دقیقه در جدول ۵ نشان داده شده است . همچنین شکل ١ نمایانگر نمودار تغییرات ولتاژ نسبت به زمان برای هر پروفایل است . همان گونه که مشاهده می گردد مقدار انرژی مصرفی کل تا لحظه شکست سیستم ١ و زمان رسیدن به حداقل ولتاژ و زمان شکست در پروفایل B3 A4 بیشتر از بقیه پروفایل ها است . در واقع نتایج ، بیانگر افزایش طول عمر سیستم و میزان انرژی مورد استفاده در پروفایل B3 A4 است . به این ترتیب از انرژی بیشتری برای اجرای وظایف استفاده شده و بهره وری از باتری افزایش یافته است .

جدول ۶ به درک بهتر این مسأله کمک می کند. در این جدول انرژی مصرفی در طول ٨ دوره بر اساس فرمول انرژی ، بدون در نظر گرفتن سربار انرژی برای هر پروفایل محاسبه شده است . همان طور که مشاهده می گردد پروفایل B3 A4 کمترین میزان انرژی مصرفی در مدت زمان ١٣۶ دقیقه نسبت به پروفایل های دیگر را داشته است . این امر در نمودار شکل ١ نیز قابل مشاهده است .
شیب نمودارهای مربوط به هر پروفایل می تواند تا حدی تعیین کننده وضعیت هر پروفایل باشد. از این آزمایش و آزمایش های مشابه می توان این استنباط را داشت که وقتی وظایف به صورت دوره ای هستند اگر برای یک ابردوره بهترین پروفایل ممکن را به دست آوریم ، آن گاه می توان تضمین کرد که تکرار این پروفایل منجر به بهترین بهره وری از باتری می شود. البته باید این نکته را نیز در نظر داشت که نه تنها نحوه تغییر پویای ولتاژ، بلکه نحوه چیدمان وظایف نیز در بهره وری از باتری یک عامل مؤثر است . شایان ذکر است که در این آزمایش تمامی پروفایل ها به صورت غیر افزایشی و با توجه به دستاوردهای نویسندگان [١۵] مرتب شده اند.
در ادامه با توجه به دوره ای بودن وظایف به جای چیدمان غیر افزایشی از ابتدای هر دوره ، یک دوره وظایف را به صورت غیر افزایشی و دوره بعدی را به صورت افزایشی ، پشت سر هم قرار می دهیم . در این حالت شکل چیدمان وظایف به صورت کاهشی – افزایشی تدریجی در می آید.
شکل های ٢- الف و ٢- ب به ترتیب چیدمان غیر افزایشی و کاهشی – افزایشی پروفایل B3 A4 را نشان می دهند.
شکل ٣ و جدول ٧ نتایج حاصل از اجرای دو چیدمان کاهشی – افزایشی تدریجی و غیر افزایشی را نشان می دهند و برتری مدل کاهشی – افزایشی ٢ را نسبت به مدل غیر افزایشی ٣ بیان می کنند. این مسأله در بسیاری از آزمایش های دیگر نیز مشاهده شده و بنابراین نمی توان گفت که همیشه چیدمان غیر افزایشی بهترین چیدمان است .
در اینجا با ذکر یک سناریوی دیگر، تأثیر توان مصرفی روی عملکرد باتری مشخص می شود. در اغلب کارهایی که مرتبط با زمان بندی آگاه از وضعیت باتری هستند، تمرکز روی کاهش هزینه طبق تابع هزینه ارائه شده در [١۵] است . در این دسته از کارها علی رغم به کار بردن تکنیک تغییر پویای ولتاژ و کاهش ولتاژ و جریان وظایف ، برای محاسبه هزینه از تابعی که فقط وابسته به جریان مصرفی است ، استفاده می شود [٢۵] و [٢۶]. حال آن که بنا به گفته نویسندگان [١۵] این تابع هزینه هنگامی که ولتاژ اجرای همه وظایف یکسان است کارایی دارد. البته در [١۵] نحوه استفاده از این تابع ، زمانی که وظایف با ولتاژهای متفاوت اجرا می شوند، مشخص شده است (برای توضیح تکمیلی به بخش ٣-٢ مراجعه شود).
بدیهی است که هنگام تغییر ولتاژ و به دنبال آن تغییر جریان ، توان مصرفی نیز تحت تأثیر قرار می گیرد.
سناریوی دوم به بیان اهمیت توجه به تأثیر توان مصرفی روی عملکرد و میزان بهره وری باتری می پردازد (جدول ٨ و شکل ۴). در این سناریو دو وظیفه با انرژی مصرفی یکسان و توان متفاوت در نظر گرفته شده است . توان مصرفی وظیفه اول و دوم به ترتیب ٠.٢۴ و ٠.٠٢۴ وات ، زمان اجرا ١٠ و ١٠٠ دقیقه و دوره هر دو وظیفه ١١٠ دقیقه است . این دو وظیفه را در دو پروفایل جداگانه تا لحظه شکست سیستم (زمانی که ولتاژ باتری به کمتر از ٣.٠ ولت برسد) به صورت دوره ای اجرا می کنیم . جدول ٨ نتایج حاصل از اجرای این وظایف را تا لحظه شکست سیستم نشان می دهد. همان گونه که در جدول ٨ مشاهده می شود، زمانی که توان مصرفی کمتر باشد حتی اگر انرژی مصرفی یکسان باشد، طول عمر سیستم بیشتر است . لازم به ذکر است که میزان واقعی انرژی مصرفی همان specific energy به دست آمده از نتایج شبیه ساز Dualfoil است و انرژی مصرفی به صورت تئوری از حاصل ضرب جریان ، ولتاژ و زمان به دست می آید وظیفه با ٢٩ توان مصرفی کمتر، ٧% بهره وری باتری و ٣٠% طول عمر سیستم را افزایش می دهد که هر دو مقادیر قابل توجهی هستند. با نگاهی دقیق تر به نمودار شکل ۴ در می یابیم که معمولا یک افت ولتاژ در ابتدای اجرای هر دوره از وظایف وجود دارد. افت ولتاژ هنگام اجرای وظیفه با توان مصرفی بالا بسیار زیاد است و این مسأله به وضوح دیده می شود.
بدیهی است که شکست سیستم اصولا در یکی از این نقاط افت ولتاژ رخ دهد مگر این که انرژی ذخیره شده در باتری ، قبل از رسیدن به این نقاط ، تمام شود. از این آزمایش و آزمایش های مشابه این نتیجه به دست می آید که اگر در سیستم مجموعه ای از وظایف دوره ای اجرا شوند، عمدتا سیستم هنگام اجرای وظیفه با توان مصرفی بالاتر، دچار شکست می شود زیرا افت ولتاژ در این نقاط شدیدتر بوده و در طول هر ابردوره ولتاژ کمینه مربوط به زمان اجرای این وظایف است . این مسأله از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است اما در بسیاری از کارهای قبلی نادیده گرفته شده است . در اغلب کارهای پیشین عموما تمرکز روی مقدار ولتاژ در انتهای دوره یا ابنترهداوریه پبروودفهای ال س بت ه ددلرل صیوکری افت که ولمتامژکشن دایدت دچاسریسشتکم سقت بل شاوزد.رسیدن به در اینجا به یادآوری چند نکته اساسی در جهت افزایش بهره وری از باتری می پردازیم . در زمان بندی های غیر آگاه از وضعیت باتری برای افزایش طول عمر باتری و به دنبال آن افزایش طول عمر سیستم ، اغلب از روش های کمینه کردن انرژی مصرفی استفاده می شود، حال آن که کمینه کردن انرژی متضمن بهره وری بهینه از باتری نیست و طول عمر سیستم بیشینه نمی شود [١۵]، [٢٢]، [٢۵] و [٢۶]. به همین دلیل استفاده از روش های مبتنی بر رفتار باتری بسیار ضروری است . در [٢۶] نویسندگان با اشاره به چند نکته اصلی در ارتباط با رفتار باتری در شرایط مختلف ، متذکر می شوند که نحوه چیدمان وظایف در عملکرد باتری تأثیر بسزایی دگاررفدت اامناد،آندهرا چصیودرمتای ن کوه ظایسنف اریرویفقدط ومبرامیشخیص ک امبری کونرده بیاهتدرویرن ه چدیردنماظن برای یک ابردوره ، ضامن بهترین بهره وری در طول کل زمان اجرا نیست .
در همه سناریوهای فوق یک عامل مهم به صورت مشترک وجود دارد که تأثیر زیادی بر عملکرد باتری و بهبود بهره وری آن دارد. این عامل میزان توان مصرفی وظایف است . بنابراین در این مقاله تمرکز ما روی توان مصرفی وظایف است و به ارائه یک الگوریتم زمان بندی آگاه از وضعیت باتری می پردازیم که در آن مقدار توان مصرفی وظایف نقشی اساسی در تصمیم گیری ها برای اعمال تکنیک تغییر پویای ولتاژ ایفا می کند.
بر خلاف روش های ابتکاری پیشین [٢۵] و [٢۶] که عمدتا تمرکز آنها بر کمینه کردن هزینه طبق تابع هزینه ارائه شده در [١۵] و میزان انرژی مصرفی است ، در این روش تمرکز اصلی روی هم سطح سازی توان مصرفی است .
٣- مدل سیستم و تعریف مسأله
در این بخش به توضیح مدل سیستم و تعریف مسأله می پردازیم .
٣-١ مدل سیستم
سیستم شامل یک پردازنده با قابلیت تغییر پویای ولتاژ و یک باتری جهت تأمین انرژی مورد نیاز پردازنده است . باتری توان مورد نیاز پردازنده را از طریق یک مبدل DC -DC برای پردازنده فراهم می کند (شکل ۵).
مبدل DC -DC یک ضریب سودمندی ١ دارد که معمولا عددی بین
٠.٨ تا ٠.٩ است . اگر به ترتیب جریان و ولتاژ پردازنده و Ibatt و Vbatt جریان و ولتاژ باتری باشند، ضریب سودمندی برابر است با

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 28 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد