无源感知和计算系统能量理论和关键技术研究

Passive Sensing and Computation Systems emerge from Energy Harvesting and Sensing techniques. These systems can harvest energy from ambient environments for sensing, computation and communication. So that they can be self-powered and autonomously working for a long term without maintenance. The energy harvesting in existing passive systems, however, can only gain power from individual energy.source. Furthermore, there is no dedicated hardware architecture and components designed especially for passive systems. As a result, the power consuming in existing passive systems usually is far beyond the capability of the energy harvesting. Therefore, the major restriction for passive sensing and computation systems is “Inadequate Energy”, which incurs issues of “short range communication”, “Inaccurate Sensing” and “Low Computation Efficiency”. To address “Inadequate Energy” issue, we investigate it in three dimensions: Energy harvesting, Power Management and Utilization. Accordingly, we propose Multi-source Energy Harvesting for highly efficient energy harvesting, Power Management based on models of task execution and dynamic power supply, and adaptive task execution planning for power saving. By which means, we will deliver complete and systematic solution to the Energy issue, and support the future application of passive sensing and computation systems.

环境获能技术和传感技术的结合衍生了无源感知和计算系统，该类系统从环境中获取能量进行感知、计算和无线通信，具有能量自供给，自治运行等优点，可长期独立免维护运行，是物联网技术的未来发展趋势之一。但目前无源系统获取能量来源单一、转换效率低下；且目前没有专为无源系统设计的低功耗器件和硬件架构，导致计算、感知和通信的功耗超过了获能上限。因此，制约无源系统发展和应用的核心问题是“能量有限”，并进一步导致了“通信短距”、“感知不精”和“计算低效”等问题。本课题拟系统性地研究“能量有限”问题，从“能量采集”、“能量管理”和“能量利用”三方面入手，提出“多能量源复合能量采集”为能量“开源”，“基于负载任务模型和能量模型匹配的能量管理”和“自适应负载任务执行规划”为能量“节流”。本课题为解决无源感知和计算系统“能量有限”问题提供全面系统的解决方案和研究思路，并为无源系统技术的成熟和应用提供有力支持。

根据国际数据公司IDC的报告，全球物联网终端数量将于2025年达到519亿台，而现有电池技术发展难以满足海量物联网设备长期运行的供电需求。为此，结合环境获能技术自主运行的无源感知计算系统（简称无源系统）成为了推进物联网下一代应用的关键技术之一。然而，由于环境获能效率低、稳定性差，限制了现有无源系统的工作性能，致使其通信短距、感知不精、计算低效，进而限制了广泛应用。.在课题研究开展期间，课题组从无源系统的低功耗架构设计，以及高效能量管理、利用和采集等方面入手，首创“无线总线物联网边端体系”，并取得了“无处理器物联网终端”“通用无处理器终端架构” “被动式直接序列扩频通信”和“被动式Chirp扩频通信”等研究成果，能够将无源系统终端的运行功耗和通信功耗降低2个数量级，并将无源系统任务执行效率提升5-10倍。上述成果中，有6项发表于MobiCom、ASPLOS、NSDI 22、NSDI 23、IEEE TMC和《计算机学报》等CCF A类会议和期刊，所有成果共计发表论文15篇。在无源系统能量来源相关研究方面，课题组在对产业界现状及实际需求进行深入调查的基础上，探索了“高能效多元能量采集与管理技术”，并完成了“无源结构体健康监测系统”设计，能够在无源环境下，实现了对铁道，建筑物的长距离无线监测。相关结果获得了5项国内发明专利授权。