面向物联网的低功耗、多协议支持的处理节点研究

Wireless Sensor Network is the core component of Internet of Things. Low power is one of the key design goals for prolonging the lifetime of battery-powered sensors. Lots of research and development efforts focused on reducing the power consumption of individual parts. The ASIP technology combined with analysis and modeling of wireless protocols for WSN will be used to decrease the total power consumption by improving the operational efficiency of protocols and reducing the active period of nodes. A low latency, high performance and multi-protocol compatible processing nodes for internet of things will be developed based on the design methodology of ASIP and mathematical modeling. With analysis and modeling of WSN protocols, we can investigate the performance limitation and solve the optimization problem with constraints, then derive the operation parameters of protocols. ASIP design will be implemented with modifying the operation system, optimizing the protocol stack, accelerating the digital signal processing, etc. Finally, our aim is to improve the implementation efficiency of protocols, extend the sleep period and reduce the power consumption of WSN.

无线传感网是物联网的核心子系统，无线传感网处理节点的低功耗设计是提高物联网生命周期的关键技术。当前物联网低功耗研究主要是独立的面向各个模块的低功耗技术研究，本课题拟采用专用处理器设计方法，结合物联网通信协议，从提高协议效率、降低节点整体开启时间的角度来降低整个物联网的功耗。通过对无线传感网协议的分析与数学建模，结合特定应用的专用处理器理论，研究支持多种协议的、低处理延迟的高性能传感网节点。项目将从无线协议栈和专用处理器研究方法两方面进行深入的理论分析和应用设计。首先对现有的无线传感网协议进行分析并建立数学模型，探知协议性能极限，求解约束条件下优化问题，推导协议运行参数等；然后将结合专用处理器设计方法，从改进操作系统、优化协议栈运行效率、加速数字信号处理运行等方面设计物联网节点专用处理器，从而提升物联网节点的运行效率，延长睡眠时间，从而降低物联网节点的功耗。

无线传感网络作为物联网的核心是当前国内外倍受关注的研究热点，其在布局、装配成本、布线需求和移动性等方面有着诸多的优势。然而,由于绝大部分无线传感网的传感器节点主要应用电池供电，电池的寿命就决定了整个无线传感网的使用寿命。因此，无线传感网的低功耗设计是无线传感网研究的一个很重要的方向。. 本项目将专用处理器设计方法应用于物联网的设计，可以有效降低网络功耗，提高网络的性能，延长网络生命周期。物联网的协议和应用有其自身的特点，本课题通过对无线传感网协议进行建模和分析，设计出适用于无线传感网的专用处理器。这种处理器是针对传感网的特性而设计并优化的，因此，它具有适合于无线传感网应用的结构及指令集，在无线传感网中具有低功耗、高性能的优点。. 专用处理器的主要思想是根据目标应用的特点提取专用指令集，从而提高目标处理器的性能。本课题对物联网中广泛采用的网络协议802.15.4进行了分析。通过仿真物联网应用中常用的五种场景来提取协议的特征。从函数的运行占用时间和调用次数两个参数入手，提取出协议中的重点函数，为后续的专用指令设计提供依据。. 完成了目标应用的特征提取以后，本课题进行了专用处理器指令集的设计。指令集包括必需指令和专用指令两个部分。必需指令是保证处理器功能完整所必需的指令；专用指令是根据目标应用的特点，为了提高处理器的性能而专门设计的指令。课题从协议的重点函数入手，设计了“位比较”指令、帧构建指令等多条专用指令。. 另外，课题研究了如何从硬件角度降低目标处理器的功耗，研究了如何将异步电路设计技术应用于专用处理器的设计。设计了一整套用于异步电路控制电路的基本模块。通过这些模块的互联，可以方便的设计出异步电路的控制逻辑。. 最后，课题研究了处理器工具链设计的相关技术，主要包括编译器的设计和仿真器的设计。提出了一种有效的提高处理器效率的指令调度方法和寄存器分配方法。同时，基于所设计的专用处理器，设计了一款周期级精确的仿真器，可以对处理器的状态及各内部寄存器进行精确的软件仿真。. 科研成果方面，本课题共发表期刊论文6篇，其中5篇被SCI检索、一篇被EI检索。同时，课题还申请一项国家发明专利，专利申请号为201510887564.6。. 在学生培养方面，共有三名硕士生参与该课题，其中两人已毕业、一人在读。.