Sisteme Incorporate

Cursul 5

SO Power Management

Energy Harvesting

Recapitulare: Power Management

• Unde se poate face PM: H/W, Firmware, OS, Aplicatie, Utilizator

• Hardware si firmware nu pot aprecia starea globala a sistemuluisistemului

• Utilizatorii nu stiu intotdeauna caracteristicile sistemuluipe care lucreaza sau nu pot lua decizii

• Aplicatiile opereaza independent si sistemul de operarenu pune la dispozitia lor suficiente informatii

• PM la nivel de SO pare a fi cea mai buna solutie, dar– Trebuie sa puna la dispozitia aplicatiei starea sistemului la momentul

respectiv pentru ca ele sa se poata adapta

Power Management pentru Wireless

NIC

• Moduri de lucru: transmit, receive, idle, sleep, off

– In general idle mode (nu se transmite si nu se receptioneaza) consuma aproape la fel de mult cat modul receive

– Puterea de emisie in WLAN este 2x-3x mai mare decat puterea de – Puterea de emisie in WLAN este 2x-3x mai mare decat puterea de receptie

• Diferenta este d.p. cu distanta de emisie (puterea RF domina)

• Puterea de emisie poate fi variata (dezavantaj: distanta efectiva de emisie)

– Timpii de tranzitie intre stari sunt semnificativi

• Transceiver IR: 10 µs sa intre in sleep mode, si 40 µs la wake-up

• Placi “clasice” de retea: timpi de wake-up intre 100ms si 5s

Consumul de energie radioTx: Emitator Rx: Receptor

CanalIntrare

informatieIesire

informatie

Tx

elecE

Rx

elecE

RFE

Electronica de Electronica de AmplificareElectronica de

transmisie

Electronica de

receptieAmplificare

0

2000

4000

6000

8000

0

100

200

300

0

200

400

600

Tx

elecE

Rx

elecE

RFE

Tx

elecE

Rx

elecE

RFE

Tx

elecE

Rx

elecE

RFE

nJ/bit nJ/bit nJ/bit

~ 1 km (GSM) ~ 50 m (WLAN) ~ 10 m (Mote)

Consumul de energie la Emitator

� Parametru de interes:

� Consumul de energie pe bit

transmis

Tx: Emitator

Incoming

information PE =

information

Tx

elecP

RFP

Timp de transmisieTimp de transmisie

bit

bit

T

PE =

Timp de transmisie

RF

DominaDomina

Electronica

TotalP

Energie EnergieEnergie

Efectele Distantele de Transmisie

Short-rangeLong-range Short-range

Medium-range

Long-range

Timpul de transmisie

Strategii PM pentru Wireless NIC

• Strategiile similare celor pentru hard-disk si CPU

– Tranzitiile sleep ↔ wakeup << ca la discuri

– Pot fi implementate la nivel de protocol MAC e.g. 802.11– Pot fi implementate la nivel de protocol MAC e.g. 802.11

• Reducerea incarcarii NIC

– Compresia de date

– Oprirea emisiei in cazul unei rate de eroare mare

• Reducerea puterii de transmisie

– Afecteaza direct BER (Bit Error Rate)

Power Management in Transceiverul

Radio

• Circuitele digitale pot fi oprite/pornite usor

• Managementul unui transceiver RF nu e facil

• Oprirea unor circuite ale transceiverului

(buffere, etaje de amplificare, oscilator) duce

la probleme

– Stabilitatea transmisiei

– Introduce timpi de asteptare (PLL settle etc.)

802.11 Power Management

NIC poate fi activa tot timpul (CAM)

� Consum foarte mare (~1.5 Watt)

� Poate sa injumatateasca timpul

de viata al unui handheldde viata al unui handheld

Alternativ, poate folosi power-save mode (PSM)

� Daca nu exista pachete receptionare, interfata intra in sleep

� Wake-up periodic (beacon de 100 ms)

� Reduce consumul cu 70-80%

Mecanisme de Suport pentru Power

Management

• PM bazat pe hardware si firmware este problematic• Nu tine cont de aplicatiile care ruleaza

» Ex. Ecranul se stinge in timpul unei prezentari

• Solutia: Incorporeaza informatiile despre aplicatii• Solutia: Incorporeaza informatiile despre aplicatii• Ia decizii de power management bazate pe datele stranse de

aplicatie despre utilizator si modul in care acesta folosestesistemul

• SO este locul potrivit pentru PM, luarea de decizii sicoordonarea resurselor

• Ex.: Arhitectura Microsoft OnNow si extensiile API pentruWindows98, Windows 2000

Microsoft OnNow

• Extensia a Win32 API care permite aplicatiilor sa

– Ia decizii de power management

– Se adapteaza la un power-state curent

• Afla daca sistemul ruleaza pe baterie ca sa reduca procesarea• Afla daca sistemul ruleaza pe baterie ca sa reduca procesarea

• Descopera starea hard-discului si amana operatiile I/O de prioritateredusa

• Necesita schimbari in hardware, BIOS, OS si softul de aplicatie

– Standarde noi de magistrala si device h/w management

– Interfata standard intre OS si hardware

• ACPI (Intel & Toshiba)

Advanced Configuration and Power

Interface (ACPI)

• Standard deschis pentru device configuration si power management (HP, Intel, Microsoft, Toshiba, Dell 1996)

– Defineste interfete independente de platforma pentrudescoperirea componentelor hardware, configurare, power descoperirea componentelor hardware, configurare, power management si monitorizare.

– Folosete tabele de descriptori

– Continutul unei tabele pentru fiecare device:

• Cerinte si capabilitati power management

• Metode pentru a seta si a obtine power-atate-ul curent

• Setari hardware

• Metode pentru setarea sesurselor hardware

ACPI Power States

• G0 (S0) Working

• G1 Sleeping

– S1: Toate memoriile cache sunt golite si CPU nu mai executa nici o instructiune. CPU si memoria RAM sunt alimentate; device-urile care nu indicaexplicit ca trebuie sa ramana operationale sunt oprite.

– S2: CPU este oprit

– S3: Cunoscuta sub numele de Standby sau Sleep. Mem. RAM este alimentata.– S3: Cunoscuta sub numele de Standby sau Sleep. Mem. RAM este alimentata.

– S4: Hibernare. Intregul continut al memoriei volatile este salvat in memoriane-volatila (hard-disk) si sistemul este oprit.

• G2 Soft Off. G2 este aproape acelasi lucru cu G3 Mechanical Offdar unelecomponente raman activate a.i. sistemul sa poata sa fie “trezit” de la tastatura, ceas intern, modem, LAN sau USB.

• G3 Mechanical Off: Consumul de energie al sistemului ajunge aproape la zero (de obicei mai ramane alimentat doar ceasul de timp real din bateriaproprie.)

Device & Processor states

• Device states– D0 Fully-On – starea normala de operare.

– D1 si D2 sunt stari intermediare care variaza in functie de device.

– D3 Off – dispozitivul nu raspunde la comenzi pe bus.

• Processor states• Processor states– C0 – starea normala de operare.

– C1 (Halt) este o stare in care procesorul nu executa instructiunidar poate sa se intoarca la C0 aproape instantaneu

– C2 (Stop-Clock) procesorul nu primeste semnal de ceas(revenirea la C0 dureaza mai mult).

– C3 (Sleep) procesorul nu mentine coerenta memoriei cache. Unele procesoare au variatii ale acestei stari (Deep Sleep, Deeper Sleep, etc.) care difera prin timpul de wake-up.

Componentele OnNow

http://www.microsoft.com/whdc/archive/OnNowApp.mspx

Arhitectura OnNow

• Punctul de vedere al utilizatorului: sistemul este pornit/oprit

• In realitate sistemul trece prin mai multe stari in functie de politica sistemului de operare

• Stari globale• Stari globale

– working: aplicatiile se executa normal

– sleep: aplicatiile sunt oprite

• SO monitorizeaza actiunile utilizatorului si aplicatiile pentru a determina intrarea-iesirea din aceasta stare

– off: sistemul este oprit in totalitate

Arhitectura OnNow

Full on

Aparent Processor stopped; devices off

Device and processor power

conservation occurring

according to system usageWorking

power switch wake-up idle

Stari Globale OnNow

Aparent

Off

Soft

OffAble to turn on electronically

Processor stopped; devices off

Wake-up events enabled

Timed wake-up enabledSleeping

Off power switch

http://www.microsoft.com/whdc/archive/OnNowApp.mspx

Concluzie: Compromis intre consum si

performantaE

ne

rgie

Consum Maxim

Timp de executie minim

En

erg

ie

Timp

Consum minim

Timpul de executie neimportant

Energy HarvestingEnergy Harvesting

Abstract

Tehnologia curenta permite aparitia unei noi clase

de senzori si sisteme de control care folosesc

energia recoltata din mediul inconjurator pentru

a se alimenta

Aceste sisteme au cerinte foarte mici de consum

de energie si sunt optimizate pentru un timp de

viata foarte mare.

Recoltarea Energiei

• A existat inainte de inventarea surselor

conventionale de energie (baterii sau

generatoare electrice)

• Odata cu micsorarea dispozitivelor

embedded si reducerea consumului,

cercetarea de noi mijloace pentru recoltareacercetarea de noi mijloace pentru recoltarea

energiei a devenit un domeniu de interes.

• Surse de energie� RF

� Energie Solara

� Termoelectric

� Vibratii

� Omul

Surse de Energie

• Surse de radiatie ambientale– Passive RFID

• Recoltarea de energie biomecanica– Miscarea umana (genunchi, calcai etc.)

• Energie piezoelectrica– Surse de vibratii

• Energie piroelectrica• Energie piroelectrica

• Energie termoelectrica

• Energie electromagnetica– Inductia magnetica intr-o bobina (diferite tipuri de dinamuri)

• Energie electrostatica (capacitiva)– Modificarea activa a dimensiunilor unor condensatoare

• Recoltarea energiei matabolice a copacilor– http://voltreepower.com/index.php

• Recoltarea de energie din zaharurile din sange

Energy Harvesting

• Este o tehnologie care deschide noi posibilitati in portabilitate si durata de functionare a aplicatiilor

• Permite alimentarea• Permite alimentareaneintrerupta a dispozitivelorelectronice din locuri greuaccesibile

• Teoretic, timpul de viata al unuidispozitiv poate fi prelungit la nesfarsit

Energy Harvesting - Obiective

• Reducerea greutatii

• Reducerea costurilor de instalare si intretinere

• Sa permita introducerea rapida a functionalitatilor noi

• Sa permita reconfigurarea rapida a retelei

• Se pune accent pe

• Aplicatii care au cerinte limitate de latime de banda

• Eliminarea cablurilor: distante mari de acoperit, articulatii flexibile, zone dificil de accesat, mediiostile

Examples of Power Generation and Consumption

103

104

105

106

107

108

109

1010Space shuttle at liftoff (11 GW)

Very large wind turbine (5 MW)

Midsize automobile (112 KW)

Boeing 747 at cruise (65 MW)

Boeing noise reduction chevrons (2 kW)

LAR

GE

-SC

ALE

EF

FE

CT

SC

ALE

EF

FE

CT

Typical realm of energy

regeneration

Po

we

r (W

att

s)

100

101

102

103

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

10-6

10-7

150 lb human male running 8 minute mile (280 W)

Heel-strike energy harvesters (2 W)

Quartz wristwatch (1 μW)

Laser in a CD-ROM drive (5 mW)

MicroStrain, Inc. wireless sensor (45 mW)

Laptop computer (60 W)

Cell phone (600 mW)

Boeing noise reduction chevrons (2 kW)

AAA LED flashlight (100 mW)

INF

OR

MA

TIO

N

TR

AN

SF

ER

SM

ALL

-SC

ALE

EF

FE

CT

EnOcean wireless sensor (24 μ W)

U of W dimmable window (4 mW)

Typical realm of

energy

harvesting

Energy Harvesting Power Generation & Utilization

1W

100 mW

10 mW

Harvesters ConsumersAverage Power

1 in2 TEG on crease beam

1 cm2 a-Si PVin sun lit airplane pax window

Wireless dimming window

AAA LED flash light

Cell phone

Zigbee mesh network node(w/ Rx from wireless sensor)

Chipcon CC2500 radio (Tx mode)

1 mW

100 µW

10 µW

1 µW

Small piezo beam vibe harvesters

Large inductive vibe harvesters

TEG stringer clip

1 cm2 a-Si PV in cabin lighting

1 cm2 a-Si PV in blue sky Push button transmitter

Sensor @ 2.8 hrs interval

Wireless sensor @ 1 HzPush button harvester

GSE monitoring sensor(log data every 10sec, Tx 2X per day)

TI MSP430 microprocessor (awake)

TI MSP430 microprocessor (asleep)

Chipcon CC2500 radio (asleep)

6 mm2 TEG on hydraulic line

Energia Bateriilor

Cresterea capacitatii bateriilor este limitata si cu mult in urma tehnicii de calcul

Energia solara este o solutie?

• Randament de conversie

lumina-electricitate foarte

scazut ( < 20% pentru celule

obisnuite cu siliciu cristalin)

• De fapt, randament ~10%

pentru celule cu siliciu amorf

(100mW/cm2 la iluminare

maxima sau 100uW/cm2 in

interior)

Conversia Fotovoltaica

I = IL − ID − ISH

I = output current

IL = photogenerated current

ID = diode current ID = diode current

ISH = shunt current

Vj = V + IRS

V = voltage across the

output terminals

I = output current

RS = series resistance

Conversia Fotovoltaica - Eficienta

100

120

140

160

Direct Sunlight

100W lightbulb

Poorly lit room

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250

Po

we

r (m

W)

Cell Current (mA)

Energia Termica

• Obiectele care au un gradient de temperatura

pot genera energie

• Efectul Seebeck – generarea de electricitate

din diferenta de temperaturadin diferenta de temperatura

• Ceasul ATMOS

• Seiko Thermic

Conversia Termoelectrica

• Foloseste efectul

Seebeck

• Tensiunea generata este

direct proportionala cu direct proportionala cu

diferenta de

temperatura dintre

laturile elementului

• Se preteaza la medii cu

diferente mari de

temperatura (>30C)

Generatorul Termoelectric

Generatorul Termoelectric

0

200

400

600

800

1000

1200

U (

mV

)

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

ΔT (degrees Celsius)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 200 400 600 800 1000 1200

P(m

W)

U(mV)

Seiko Thermic

• Primul ceas care foloseste

efectul Seebeck pentru

alimentarea proprie

• 10uA la 3V pentru diferenta• 10uA la 3V pentru diferenta

de 5 grade C

Recoltarea din Vibratii

• Ceas cu generator cinetic

• Rotorul poateatinge 100.000rpmatinge 100.000rpm

• 15.000rpm -> 6mA @ 1.6V

• Generator bazat peinductie pentrulanterna (200mW)

Recoltarea din Vibratii

• Piezoelectric • Capacitiv • Inductiv

Modificarea capacitatii

produce modificarea

tensiunii in circuit

Aplicarea de presiune

asupra materialului

produce acumularea

de sarcina.

Miscarea unei bobine

in camp magnetic

genereaza tensiune

Conversie capacitiva

• Proiectez un condensator care-si schimba A si

d in functie de vibratiid in functie de vibratii

• Daca Q este constant, V va creste dupa

formula:

Tipuri de convertoare capacitive

Convertor Capacitiv - Berkeley

Conversia piezoelectrica

• Grinda elastica de

material piezoelectric

cu o greutate atasata la

capatul mobil.capatul mobil.

• Vibreaza cu o anumita

frecventa

• Energie maxima ->

frecventa de rezonanta

Conversia Piezoelectrica

d - piezoelectric strain coefficient

t - thickness of the piezoelectric material

T - mechanical stressT - mechanical stress

ε - dielectric constant

MbE, I, M

L

Conversia piezoelectrica

• P ~ M

• P ~ A2

• P ~ 1/ω

• Exemplu: f = 120Hz• Exemplu: f = 120Hz

V = 4 - 6V

P = 800uW/cm3

Cantilever Structure

Structuri microscopice de grinzi piezoelectrice

fabricate folosind tehnologia aplicata la circuitele

CMOS clasice.

•Frecventa de rezonanta 250-2500Hz

•Densitate de energie de 200mW/cm3

Vibration Harvesting - Provocari

• Sunt necesari recoltatori cu o banda larga de frecvente de

rezonanta pentru a maximiza cantitatea de energie recoltata

– De cele mai multe ori, un sistem nu are o

Singura frecventa sau un singur sistem care

produce vibratiiMulti-Frequency Piezoelectric Energy Harvester

U.S. Patent No. 6,858,970 produce vibratii

• Need low-power, wide area sensors to detection corrosion or

structural damage

• Need standardized communications protocol so disparate

devices can report through a common communications

channel

U.S. Patent No. 6,858,970

Stocarea energiei

Condensatoare

Supercondensatoare

• Dielectric

– Carbon activat

– Grafen

– Nanotuburi– Nanotuburi

– Aerogel

Medii de stocare

• Baterii+ Cost redus

+ Densitate mare de energie

+ Tehnologie sigura si testata in timp

– Diferite regimuri de incarcare

– Cicli de incarcare redusi

– Curent de leakage – Curent de leakage

• Supercondensatoare+ Circuite de incarcare simple

+ Densitate de energie mare (< baterii)

+ Numar foarte mare de cicli de incarcare

- Cost mare

- Curent de leakage

- Tensiune de operare mica

• Hibrizi baterie-condensator– Lithium-ion capacitor

Energy Harvesting Sensor Node

RF

Transceiver

Sensor Interface

ControllerEnergy

Harvesting

Circuit

S1 S2 S3

Energy

Source

S1 S2 S3