移动计算大作业
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H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y机械原理大作业一课程名称:机械原理设计题目:连杆机构运动分析院系:机电学院班级: 1208105分析者:殷琪学号:指导教师:丁刚设计时间:哈尔滨工业大学设计说明书1 、题目如图所示机构,一只机构各构件的尺寸为AB=100mm,BC=4.28AB,CE=4.86AB,BE=8.4AB,CD=2.14AB,AD=4.55AB,AF=7AB,DF=3.32AB,∠BCE=139?。
构件1的角速度为ω1=10rad/s,试求构件2上点E的轨迹及构件5的角位移、角速度和角加速度,并对计算结果进行分析。
2、机构结构分析该机构由6个构件组成,4和5之间通过移动副连接,其他各构件之间通过转动副连接,主动件为杆1,杆2、3、4、5为从动件,2和3组成Ⅱ级RRR基本杆组,4和5组成Ⅱ级RPR 基本杆组。
如图建立坐标系3、各基本杆组的运动分析数学模型1) 位置分析2) 速度和加速度分析 将上式对时间t 求导,可得速度方程:将上式对时间t 求导,可得加速度方程:RRR Ⅱ级杆组的运动分析如下图所示 当已知RRR 杆组中两杆长L BC 、L CD 和两外副B 、D 的位置和运动时,求内副C的位置、两杆的角位置、角运动以及E 点的运动。
1) 位置方程由移项消去j ϕ后可求得i ϕ:式中,可求得j ϕ:E 点坐标方程:其中2) 速度方程两杆角速度方程为式中,点E 速度方程为3) 加速度方程两杆角加速度为式中,点E 加速度方程为RPR Ⅱ级杆组的运动分析(1) 位移方程(2)速度方程其中(3)加速度方程4、 计算编程利用MATLAB 软件进行编程,程序如下:% 点B 和AB 杆运动状态分析>>r=pi/180;w 1=10;e 1=0;l 1=100;Xa=0;Ya=0;Vax=0;Vay=0;aax=0;aay=0;f1=0:1: 360;% B 点位置Xb=Xa+l1*cos(r*f1);Yb=Ya+l1*sin(r*f1);% B点速度Vbx=Vax-w1*l1*sin(r*f1);Vby=Vay+w1*l1*cos(r*f1);% B点加速度abx=aax-l1*w1.^2.*cos(r*f1);aby=aay-l1*w1.^2.*sin(r*f1);% RRR2级杆组运动分析% 输入D点参数l2=428;l3=214;Xd=455;Yd=0;Vdx=0;Vdy=0;adx=0;ady=0;% 计算E点、2杆、3杆运动参数lbe=840;lce=486;a0=2*l2*(Xd-Xb);b0=2*l2*(Yd-Yb);c0=l2^2+(Xb-Xd).^2+(Yb-Yd).^2-l3^2;f2=2*atan((b0+sqrt(a0.^2+b0.^2-c0.^2))./(a0+c0)); % C点位置Xc=Xb+l2*cos(f2);Yc=Yb+l2*sin(f2);% 2杆、3杆运动参数计算dX=Xc-Xd;dY=Yc-Yd;for n=1:length(dX)if dX(n)>0&dY(n)>=0f3(n)=atan(dY(n)/dX(n));elseif dX(n)==0&dY(n)>0f3(n)=pi/2;elseif dX(n)<0&dY(n)>=0f3(n)=pi+atan(dY(n)/dX(n));elseif dX(n)<0&dY(n)<0f3(n)=pi+atan(dY(n)/dX(n));elseif dX(n)==0&dY(n)<0f3(n)=1.5*pi;elseif dX(n)>0&dY(n)<0f3(n)=2*pi+atan(dY(n)/dX(n));endendC2=l2*cos(f2);C3=l3*cos(f3);S2=l2*sin(f2);S3=l3*sin(f3);G1=C2.*S3-C3.*S2;w2=(C3.*(Vdx-Vbx)+S3.*(Vdy-Vby))./G1;w3=(C2.*(Vdx-Vbx)+S2.*(Vdy-Vby))./G1;G2=adx-abx+(w2.^2).*C2-(w3.^2).*C3;G3=ady-aby+(w2.^2).*S2-(w3.^2).*S3;e2=(G2.*C3+G3.*S3)./G1;% E点位置w=acos((l2^2+lbe^2-lce^2)/(2*l2*lbe));Xe=Xb+lbe*cos(f2-w);Ye=Yb+lbe*sin(f2-w);Vex=Vbx-lbe*w2.*sin(f2-w);Vey=Vby+lbe*w2.*cos(f2-w);aex=abx-lbe*(e2.*sin(f2-w)+w2.^2.*cos(f2-w));aey=aby+lbe*(e2.*cos(f2-w)-w2.^2.*sin(f2-w));% 计算杆5运动参数Xf=646.2912088;Yf=-268.9008617;l5=sqrt((Xe-Xf).^2+(Ye-Yf).^2);dX=Xe-Xf;dY=Ye-Yf;for n=1:length(dX)if dX(n)>0&dY(n)>=0f5(n)=atan(dY(n)/dX(n));elseif dX(n)==0&dY(n)>0f5(n)=pi/2;elseif dX(n)<0&dY(n)>=0f5(n)=pi+atan(dY(n)/dX(n));elseif dX(n)<0&dY(n)<0f5(n)=pi+atan(dY(n)/dX(n));elseif dX(n)==0&dY(n)<0f5(n)=1.5*pi;elseif dX(n)>0&dY(n)<0f5(n)=2*pi+atan(dY(n)/dX(n));endendw5=(-Vex.*sin(f5)+Vey.*cos(f5))./l5;a5=(-aex.*sin(f5)+aey.*cos(f5))./l5;% 画出各参数曲线figure(1);plot(Xe,Ye,'k');xlabel('Xe/\mm');ylabel('Ye/mm');grid on;title('E点位置');figure(2);plot(f1,f5,'k');xlabel('f/\circ');ylabel('f5/\circ');grid on;title('5杆角位移');figure(3);plot(f1,w5,'k');xlabel('f/\circ');ylabel('w5/rad/s');grid on;title('5杆角速度');figure(4);plot(f1,a5,'k');xlabel('f/\circ');ylabel('a5/rad/s2');gridon;title('5杆角加速度');Warning: Unable to interpret TeX string "Xe/\mm"5、计算结果图一:E点的运动轨迹图二:5杆角位移图三:5杆角速度图四:5杆角加速度6、计算结果分析由E点位置图像可看出,构件4做周期往复运动,由图二、三、四可看出,构件5的角位移、角速度、角加速度均成周期性变化。
1.
确定求解器
选择用于进行CFD计算的求解器,本例选择FLUENT5/6 26.创建圆环
在Gambit中创建一个圆环直径为1,外圆半径为10的圆环:
27.创建立方体:
28.移动立方体
29.分割圆环
30.删除3/4圆环和立方体
31.建立弯管直段
32.移动弯管直段
33.整合弯管和直段
34.边界层的设定
35.划分面网格
36.划分体网格
37.定义边界类型
38.输出网格文件
利用FLUENT-3D求解器进行模拟计算1.启动FLUENT,进入3D模式
2.读入网格数据
3.网格检查
4.显示网格:
5.建立求解模型
6.设置标准的湍流模型
7.设置流体的物理属性
8.设置边界条件
9.求解控制
10.求解
(1)初始化流场
(2)设置计算过程的残差和视图窗口
(3)存case文件
(4)开始计算
残差曲线11.显示初步计算结果
速度场图
压力场图。
移动应用开发安卓选题移动应用开发课程大作业选题注意:以下所有系统均要实现(1)管理者的登陆;(2)用户的注册和登陆;(3)数据的存储和提取.(第(12),(14),(15),(17)题可以不要求“(1)管理者的登陆”和“(2)用户的注册和登陆”)不要附上核心代码,全文汉字字数不少于7500。
每个班内不能有重复选题,班级内部每2人组成一组选题。
学生提交大作业设计报告打印稿(A4纸,最好双面打印)和源程序。
设计报告电子版以“移动应用开发_学号_姓名.doc(或docx)”命名。
上交电子版文件时上交“移动应用开发_学号_姓名”命名的文件夹,设计报告电子版和源代码放在“移动应用开发_学号_姓名”命名的文件夹内,其中源代码用压缩软件打包。
每组同学上交一份电子版,文件名只要以该组同学其中一位同学名字和学号命名即可,但是其中应该包含一个readme.txt文件,里面列出该组全体同学姓名和学号。
纸质版如何上交另外通知。
1.基于安卓的火车票购票系统基于Android系统,实现对于火车票的预定功能。
具体需要完成的主要功能:火车票信息查询,火车票订单管理,预定火车票,用户账户管理和软件帮助功能。
在完成系统功能的基础上实现合理的界面设计,并进行相应的软件测试。
2.基于安卓的手机快递管理查询系统设计内容主要包括:完成用户登录功能(包括普通用户,快件录入人员,公司管理员);用户快件查询;快件信息管理,包括信息录入,修改等;员工信息维护。
3.基于安卓的网上药店管理系统的设计与实现实现:(1)管理者和用户的注册,登陆;(2)用户在登陆后才能购买商品;(3)管理者在登陆后才能对商品进行发布,通过一定的步骤生成药品信息;(4)管理员有权删除不符合规定的发布信息;(5)管理员有权删除不符合规定的用户信息;(6)用户可对管理员留言,完善网站结构;(7)用户在购买商品后可对商品留言。
4.基于安卓的网上航班时刻表查询系统设计与实现基于Android系统,实现管理者和用户的注册、登陆;设计实现手机在线航班时刻表查询系统。
计算机科学与技术学院移动计算技术课程设计学号:S314专业:计算机科学与技术学生姓名:任课教师:2014年12月物联网低功耗技术研究1. 低功耗技术研究背景1.1.研究意义自1999 年美国移动计算和网络国际会议提出物联网的概念以来,物联网的研究已经经过了十几个年头。
物联网近年来在国内外取得了长足的发展,业内专家认为,物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本,另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。
对比欧美各国,我国人口、行业众多,物联网将迎来巨大的发展和应用,因此,为了避免以往技术“先发展,后治理”的误区,适应通信绿色化的发展趋势,减小通信行业发展对生态环境造成的压力,未雨绸缪,提前从产业政策、关键技术等方面开展“绿色物联网”即“低功耗物联网研究” ,是十分必要的。
1.2.国内外物联网低功耗技术发展动态分析进入21 世纪以来,世界各国普遍认识到全球范围内日益增长的能源消耗及减少温室效应以保护生态环境的迫切需求已经将能源问题变成全人类所面临的不可回避的重大挑战和共同使命之一。
根据2011年11月国务院常委会议知:作为世界上最大的发展中国家及第二大能源消费国,中国政府已经作出郑重承诺“到2020 年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005 年下降40%~45%”。
为了实现这个目标,通信行业必然要走“绿色”之路,而且从目前情况来看,通信行业已经成为了耗电大户,排在全国各行业的第12 位,巨额的用电成本不仅阻碍了行业的发展,也意味着碳排放量的大幅度升高。
目前国际上标准化组织对绿色物联网高度关注,并于2010 年成立了专门的技术组织ISO/IECJTCISC39 《信息技术与可持续发展》。
部分标准化组织已经展开了对物联网能耗方面的跟踪和研究。
1•第三代合作伙伴计划(3GPP)。
在3GPP中,与物联网线管的主要是“机器到机器(Machine-to-Machine)”的标准化工作,目标是实现无线传感网络与蜂窝网络的融合,主要是根据M2M通信的特点对现有GSM网络及未来的第三代移动通信系统(3G)和第四代(4G)网络进行优化。
移动设备应用程序开发大作业移动设备应用程序开发是当前互联网行业中最受欢迎和热门的技能之一。
由于人们对于移动设备的依赖越来越高,越来越多的开发人员开始涉足这个领域。
移动设备应用程序能够为人们的生活带来非常便利的服务,无论是购物、旅游、娱乐等各个方面都有着广泛的应用。
任务需求在本次移动设备应用程序开发大作业中,我们要求学生们开发一款手机应用程序,可以根据自己的兴趣爱好和专业知识来自由选择开发主题。
该应用程序应具备以下基本功能:•能够实现用户的注册和登录功能;•能够实现用户的基本资料编辑、修改等操作;•能够实现用户的数据存储和读取;•能够实现用户的数据统计、分析等操作;•能够实现用户与其他用户交互等操作。
技术选型在开发该应用程序时,我们建议采用目前流行和成熟的开发工具和技术,以保障应用程序的技术支持和稳定性。
以下列出几种常用的移动应用程序开发技术:1. 原生应用程序开发原生应用程序开发指的是在某个特定的操作系统上(如 iOS 或 Android)使用该系统所提供的软件开发工具包(SDK)来开发应用程序。
原生应用程序的优点是具备更好的性能和用户体验,并且可以充分利用操作系统的特性,实现更加丰富的功能。
但是,原生应用程序的开发成本较高,需要花费更多的时间和人力开发,同时也需要考虑应用程序的兼容性和可维护性等问题。
2. Hybrid 应用程序开发Hybrid 应用程序开发指的是在手机应用程序的基础上,使用 Web 技术(如HTML、CSS 和 JavaScript)来实现应用程序的界面和功能。
Hybrid 应用程序的优点是相比于原生应用程序开发,开发成本较低,并且具备较好的兼容性,同时还能够利用 Web 技术的优势实现更加复杂的应用程序。
但是,Hybrid 应用程序的性能和用户体验相对较差,且受限于手机浏览器的限制。
3. 跨平台应用程序开发跨平台应用程序开发指的是使用一种特定的开发语言或者框架来实现可在不同操作系统和设备上运行的应用程序。
工程师中的计算机移动应用题解题技巧在工程师的日常工作中,计算机移动应用题解题技巧是必不可少的。
无论是开发新的应用还是解决现有应用的问题,掌握一些有效的技巧能够帮助工程师更高效地解决问题。
本文将介绍一些工程师中的计算机移动应用题解题技巧,帮助读者在解决问题时能够更加游刃有余。
一、理解题目需求在解决计算机移动应用问题之前,首先需要完全理解题目的需求。
要仔细阅读题目,确保自己对问题的理解准确无误。
有时候,在理解题目之后,可以用自己的话将问题重新描述一遍,以确保自己对题目需求的把握。
二、分析问题一旦对题目需求有了充分的理解,接下来需要对问题进行分析。
这意味着要考虑问题的输入和输出,以及可能的解决方案。
在分析问题时,可以针对不同的输入情况,思考可能的边界条件和异常情况,并为它们寻找相应的解决方案。
三、利用算法和数据结构在解决计算机移动应用问题时,熟悉并合理地运用算法和数据结构是非常重要的。
选择正确的数据结构和算法可以最大程度地提高解题效率。
例如,对于需要查找、排序或过滤大量数据的问题,可以选择适当的数据结构和相关的算法来优化性能。
四、调试和测试在开发和解决计算机移动应用问题时,调试和测试是必不可少的步骤。
通过调试,可以逐步排除问题,并找出代码中的错误。
测试可以确保解决方案在不同情况下能够正常运行。
建议使用不同的测试用例来验证解决方案的正确性,并确保边界条件和异常情况得到正确处理。
五、注重细节和效率在解决计算机移动应用问题时,注重细节和效率也是非常重要的。
细心地检查代码中的语法错误和逻辑问题是避免潜在问题的关键。
此外,如果解决方案的效率可以进一步提高,可以考虑使用更高效的算法或优化代码。
努力提高自己在编码方面的技巧和经验,可以帮助工程师更好地解决问题。
六、查阅文档和资源在解决计算机移动应用问题时,查阅相关的文档和资源是一个很好的习惯。
编程语言的官方文档、框架的文档以及相关的论坛和社区可以为工程师提供有价值的信息和解决方案。
1、请根据教材中的内容,归纳出理想路由算法必须满足的条件。
2、常见的路由算法即最短路径路由、扩散法、距离矢量路由、链路状态路由,请详读教材中的内容并归纳出每个路由算法的基本思想。
3、请参考教材中的VLAN划分的四种策略,归纳出该四种策略的优缺点。
答案1. 理想路由算法必须满足的条件理想路由算法应满足以下条件:1.完善性和精确性:路由算法应能够准确地找到从源到目的地的最佳路径,并确保网络中的所有路由都有效且没有错误。
2.自适应性:路由算法应能够自动适应网络状态的变化,如链路故障、流量变化等,并据此调整路由选择。
3.简单性:路由算法应尽可能简单,以减少实现和维护的复杂性。
4.稳定性:路由算法应能在各种网络条件下稳定运行,避免路由振荡和循环。
5.公平性:路由算法应确保所有用户和设备都能公平地访问网络资源,避免因个别用户的高流量或特定路径的过载而导致网络拥堵。
6.最佳性:路由算法应能选择最佳路径,以优化网络性能,如降低延迟、提高吞吐量等。
2. 常见路由算法的基本思想(1)最短路径路由:基本思想是将源节点到网络中所有结点的最短通路都找出来,作为这个结点的路由表。
当网络的拓扑结构不变、通信量平稳时,该点到网络内任何其他结点的最佳路径都在它的路由表中。
(2)扩散法(注意:扩散法通常不直接用于路由算法,但这里假设你指的是一种类似的概念):扩散法的基本思想是通过向多个方向传播信息来找到最佳路径。
它可能涉及多个备选路径的尝试和选择,以找到最快或最有效的路径。
(3)距离矢量路由:每个路由器维护一张矢量表,表中列出了当前已知的到每个目标的最佳距离和所使用的线路。
路由器通过与其邻居交换信息来更新这些表。
基本思想是根据距离的远近来选择最佳路径。
引言概述:正文内容:一、力学1.牛顿三定律的应用解释牛顿第一定律的原理,并给出实际应用的例子。
找出物体的质心,并计算其位置坐标。
利用牛顿第二定律计算物体所受的合力和加速度。
2.作用力和反作用力解释作用力和反作用力的概念,并给出相关案例。
计算物体所受的作用力和反作用力的大小和方向。
应用牛顿第三定律解决实际问题。
3.动能和动能守恒计算物体的动能,并解释其物理意义。
说明动能守恒定律的原理,给出相应的实例。
利用动能守恒定律解决能量转化问题。
4.力学振动和波动解释简谐振动的特征和公式,并计算相关参数。
介绍波的基本概念和性质,并给出波动方程的解释。
分析机械波的传播和干涉现象。
5.万有引力和天体运动介绍万有引力定律的公式和原理。
计算引力和重力的大小和方向。
描述行星运动的轨道和速度,并解释开普勒定律。
二、热学1.理想气体定律和状态方程解释理想气体和实际气体的区别。
推导理想气体定律,解释每个变量的含义。
计算理想气体的性质和状态。
2.热力学第一定律和功解释热力学第一定律的原理,并给出相应公式。
计算系统的内能变化和热量的传递。
分析功的定义和计算方法。
3.热力学第二定律和熵介绍热力学第二定律的概念和表述方法。
计算熵的变化和热力学过程的可逆性。
解释热力学第二定律对能量转化的限制。
4.热传导和热辐射分析热传导的机制和方法,并计算热传导的速率。
描述热辐射的特性和功率密度。
利用热传导和热辐射解决实际问题。
5.热力学循环和效率给出常见热力学循环的定义和示意图。
计算热力学循环的效率和功率输出。
分析热力学循环的改进方法和应用。
三、电磁学1.静电场和电势描述静电场的特性和形成原理,并给出电势的定义。
计算电场和电势的大小和方向。
利用电势差解决电荷移动和电场中的工作问题。
2.电场和电场强度推导库仑定律和电场强度公式。
计算由点电荷、带电导体和带电平面产生的电场。
分析电场中带电粒子受力和加速度。
3.电容和电容器解释电容和电容器的概念和原理,并计算其电容量。
计算机科学与技术学院移动计算技术课程设计学号:S314专业:计算机科学与技术学生姓名:任课教师:2014年12月物联网低功耗技术研究1. 低功耗技术研究背景1.1.研究意义自1999年美国移动计算和网络国际会议提出物联网的概念以来,物联网的研究已经经过了十几个年头。
物联网近年来在国内外取得了长足的发展,业内专家认为,物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本,另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。
对比欧美各国,我国人口、行业众多,物联网将迎来巨大的发展和应用,因此,为了避免以往技术“先发展,后治理”的误区,适应通信绿色化的发展趋势,减小通信行业发展对生态环境造成的压力,未雨绸缪,提前从产业政策、关键技术等方面开展“绿色物联网”即“低功耗物联网研究”,是十分必要的。
1.2.国内外物联网低功耗技术发展动态分析进入21世纪以来,世界各国普遍认识到全球范围内日益增长的能源消耗及减少温室效应以保护生态环境的迫切需求已经将能源问题变成全人类所面临的不可回避的重大挑战和共同使命之一。
根据2011年11月国务院常委会议知:作为世界上最大的发展中国家及第二大能源消费国,中国政府已经作出郑重承诺“到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%”。
为了实现这个目标,通信行业必然要走“绿色”之路,而且从目前情况来看,通信行业已经成为了耗电大户,排在全国各行业的第12位,巨额的用电成本不仅阻碍了行业的发展,也意味着碳排放量的大幅度升高。
目前国际上标准化组织对绿色物联网高度关注,并于2010年成立了专门的技术组织ISO/IECJTCISC39《信息技术与可持续发展》。
部分标准化组织已经展开了对物联网能耗方面的跟踪和研究。
1.第三代合作伙伴计划(3GPP)。
在3GPP中,与物联网线管的主要是“机器到机器(Machine-to-Machine)”的标准化工作,目标是实现无线传感网络与蜂窝网络的融合,主要是根据M2M通信的特点对现有GSM网络及未来的第三代移动通信系统(3G)和第四代(4G)网络进行优化。
2.Internet工程任务组。
Internet工程任务组(IETF)重点关注无线传感网络的路由问题,共成立了三个工作组来进行低功耗IPV6网络方面的研究。
3.其他标准化组织。
目前各大主流标准化组织对物联网的关注还是偏重应用与网络建设,对能效部分关注并不多,但是由于物联网的底层传感器的底层传感器节点能耗有限,所以标准化组织也均在要求上做定义,但是目前还没有具体的标准化工具。
1.3部分参考文献[1]2010年11月,国务院常务会议[2]国家统计局.中国统计年鉴.北京:中国统计出版社,20122.物联网中能耗来源为解决物联网整体耗能问题,需要从物联网的架构出发,找到物联网中无效功耗的来源,从而有针对性地展开物联网的相关研究,推进物联网健康发展。
所以,本文按照功能将物联网分为三层:感知传感层、网络接入与承载层、计算管理与服务应用层。
下面分别对这三层的能耗进行具体分析。
2.1感知传感层的能耗感知传感层是物联网的基础,包含大量的信息生成设备,因此也是物联网中耗能最大的部分。
根据信息生成的流动方向,可以分为信息生成和信息汇聚两个过程。
1)传感信息生成过程中的能耗。
传感信息生成指传感器网络节点、RFID识读器等搜集周围环境信息及特定物品信息的过程。
在信息生成过程中能量损失主要来自三个模块:传感器模块、处理器模块和无线通信模块。
随着集成电路工艺的进步,处理器和传感器模块的功耗变得很低,绝大部分能量消耗在无线通信模块上。
传感器和处理器的无效功耗是器件本身所致,若要提升这部分的能量效率,关键是提高器件的制作工艺,包括新型复合材料、新型低功耗放大器设计等。
2) 传感信息汇聚的能耗。
传感信息汇聚的过程是将感知信息由信息生成节点汇聚到网关的过程。
无效功耗主要来自不合理的网络拓扑结构和低效的路由算法。
拓扑结构和路由算法对于通信网络来说具有非常重要的作用,它们从逻辑上构建整体网络的框架以便数据包在源节点与目的节点之间的多跳传输。
无线传感网络的独有特点使它有别于传统的有线和无线网络:无线链路的随机特性严重影响了通信的可靠性;另外,单一节点有限的计算能力和有限能源支持使用合理的拓扑结构和低能耗、高效能的路由算法显得尤为重要。
2.2.网络接入与承载层的能耗本层连接感知传感层和计算管理与服务应用层,负责传递上下层数据。
按照信息的流向,本层可以分为泛在接入和核心承载两部分。
其中泛在接入网主要包括无线广域网、无线个域网、无线局域网和无线城域网及有线接入网等,是连接传感器网关节点与核心传输网的通道;核心承载包括IP核心传输网部分,负责传感信息的远距离传输。
1) 泛在接入的能耗。
泛在接入涉及的技术众多,能耗分布也相对分散。
泛在接入从整体上可以分为两类:无线接入网和有线接入网。
①无线接入网.从目前的研究来看,无线接入网的能耗主要来自种类繁多的各种基站,包括宏小区基站、微小区基站、皮小区基站和家庭基站等,在整体网络站耗能占到了80%。
②有线接入网.在有线接入网中,能耗主要来自数量众多的接入设备,主机和集线器等。
虽然单个接入设备的能耗较低,大约只有传输设备的1/4,但是由于接入设备数目众多,因此在整个有线网络的耗能中,接入设备的能耗占了70%。
2)传输承载的能耗。
传输承载指IP核心网部分的数据传输过程,即利用互联网进行感知信息的远距离传输。
其能耗主要来自数量众多的硬件设备,具体来说,能耗主要来自数据、控制及辅助这三个平面。
其中数据平面涉及数据包的处理及经过网络接口的转发;控制平面指数据管理、网络配置等;而辅助平面则指空调、电力供应等配套设备。
2.3 计算管理与服务应用层的能耗本层是物联网智慧的源泉,位于网络接入与承载层之上。
总体来说可以分为计算,平面和管理平面。
计算平面包括数据的存储、检索和处理,管理平面包括网络管理(互联网、接入网、无线传感网)和应用管理。
与计算平面相比,管理平面能耗相对较低,多为软件应用,而计算平面由于服务器等硬件设备众多,产生大量电力支出,所以本文重点分析计算平面的能耗来源。
就计算管理与服务应用层来说能耗主要来源于计算平面。
这主要是因为计算平面包含大量的服务器等硬件设备,海量的数据信息需要大量数据中心、计算中心进行存储和处理。
以国电信为例,截至2011年12月,中国电信在国内拥有近300个数据中心、55大海外数据中心及4个全国核心云数据中心。
除了数量众多之外,单一数据中心的能耗也相当惊人,有数据显示,一个典型的数据中心的能耗等于3万个家庭基站能耗的总和。
以上各类能耗成为物联网当前亟待解决的能耗问题。
3. 绿色感知传感层技术鉴于物联网中“物”的广泛性,感知传感层为获得物理世界的信息就需要分布大量的点来采集各种各样的信息,每个节点正常工作都需要耗费一定的能量,并且对于所有的节点所采集到的信息如果不加筛选和处理的话,会对网络的负载造成一定的负担,而且也会增加节点和基站的能耗,影响感知传感层网络的稳定性,因此提高感知传感层的能效势在必行。
目前,国际上具有代表性的传感器网络的体系结构大概分为两类:第一类是UCBerkeley提出的关于分簇的层次结构模型;第二类是水平结构。
分簇层次结构可以有效地使各传感器网络负载均衡,避免路由建立时出现泛洪问题,具有一定的发展潜力。
3.1高能效的信息采集作为物联网的基础,信息采集主要负责各种环境信息的搜集,并将得到的信息有效地发送到传感信息汇聚节点。
高能效的信息采集技术将为实现“绿色物联网”提供有力的保障。
高能效的信息采集技术需要以低能耗的信息采集设备为依托。
信息采集设备总体上可以分为两大类:无线传感网络的传感器节点及RFID等移动信息生成设备。
其中无线传感网络由于传感器节点众多,所以与RFID比起来网络规模更大,耗能节点更多,本节重点介绍传感器节点的低功耗技术。
传感器节点大致可分为三个模块:①传感器模块,负责环境信息的搜集;②处理器模块,负责信息的初步处理;③通信模块,负责信息的发送与接收。
在这三个模块中,能量消耗最大的当属通信模块,这主要因为传感器节点的通信过程中涉及复杂的物理层和MAC算法,并且为了保证通信的有效性,还需要高能耗的功率放大器的支持。
所以提高传感器节点的能量效率的重点在于降低通信模块的能量消耗。
3.1.1通信模块低功耗设计从节点各功能模块能耗分布中可以发现,无线通信模块的能耗占了节点总能耗的绝大部分,因此要想减少无线传感器网络节点的总能耗,最直接的方式就是从降低通信模块的能耗着手,即需要尽可能地减少通信模块的工作时间及每次的发射功率,这可以从减少通信流量和延长睡眠时间两个方面实现,设计高能效的MAC协议,在保证网络工作效率的前提下最大限度地实现感知传感层的节能。
1)减少通信流量。
通过减少通信模块发送和接收的比特数,能降低通信模块的能耗。
无线传感器网络中节点间通信的内容主要分为两类:数据信息和控制信息。
减少数据信息的方法有以下几种:①本地计算和数据融合。
传感器节点采集到的原始数据冗余度较大,因此经过节点CPU的初步处理能够提取出有用信息,有效减少通信量。
②减少碰撞。
当网络中一个节点处在两个或更多节点的覆盖范围内时,如果邻近节点同时给该节点发送数据,在该节点处就会发生碰撞,导致接收节点接收不到任何帧。
碰撞造成很大程度的能量浪费,因此在能效优先的原则下减少碰撞的概率是十分必要的。
③减少串扰。
无线信道具有广播特性,每个节点都能接收到邻居节点在信道中发送的信息,假如该节点对于某些传输过程来说并非目的节点,则节点需要耗费多余的能量来接收这些无效的信息,造成能量的浪费④增加冗余校验和纠错机制。
数据重发会使网络中的数据成倍地增加,因此要减少重发的次数,除尽可能地减少碰撞之外,还可以通过增加冗余校验和纠错机制实现。
冗余校验可以尽早发现错误,纠错机制可以校正少量比特错误的数据包。
(5)减少额外开销。
当节点要发送和接收一些控制包时就会造成系统的额外开销和资源的浪费。
例如,一些协议中采用的RTS和CTS控制包尽管没有携带任何有用的数据,但在网络中传输时仍然要耗费一定的能量,并且RTS和CTS的交互占用了信道容量的40%~75%,因此在无线传感器网络中真正有效的数据帧占用的系统资源是很少的。
通过上述五种方法能够有效减少网络中的数据流量,提高传输效率,最重要的是减少节点间的通信能耗。
2)延长睡眠时间无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。
无线通信模块在发送状态的能量消耗最大,而在空闲和接收状态的能量消耗相互接近,略少于发送状态的能量消耗,在睡眠状态的能量消耗最少。
之所以空闲状态与睡眠状态的能耗差距较大,主要原因在于当无线通信模块处在空闲状态时仍然一直监听无线信道的使用情况,以便在自己发送数据时能够优先占用信道,并检查是否有数据发送给自己。