CC BY
54
Ускорение работы алгоритма на 2-ядерной архитектуре
Таблица 1
Квантов 1 процесс, сек. 2 процесса, сек Ускорение
40 5.5 3.5 1.57
60 58 44 1.31
80 495 412 1.2
100 3233 2852 1.13
Таблица 2
Ускорение работы алгоритма на 4-ядерной архитектуре
Квантов 1 процесс, сек. 4 процесса, сек Ускорение
40 2 1 2
60 23 11 2.09
80 199 120 1.65
100 1356 835 1.62
Таблица 3
Ускорение работы алгоритма на 8-ядерной архитектуре
Квантов 1 процесс, сек. 8 процессов, сек Ускорение
40 2 1 2
60 30 22 1.36
80 287 227 1.26
100 2385 2012 1.19
Заключение
Использование ОР для анализа диапазонов допустимой вариации параметров системы позволяет избежать моделирования системы, что существенно снижает вычислительную трудоемкость ряда задач, связанных с исследованием ОР. Тем не менее, некоторые задачи, использующие информацию об ОР, имеют переборный характер, что в условиях высокой размерности пространства может повысить трудоемкость их решения [10]. С целью повышения эффективности использования вычислительной мощности современных процессоров с многоядерной ар-
хитектурой и реализации алгоритма на суперкомпьютерных системах предложен способ декомпозиции задачи построения вписанных в ОР фигур. Процессы, выполняемые параллельно не обладают полной автономией, т.к. обращаются к общему объекту - множеству индикаторов принадлежности. Результаты натурных экспериментов показали незначительное уменьшение общего времени решения задачи.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Дальневосточный вычислительный ресурс» ИАПУ ДВО РАН (https://cc.dvo.ru).
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамов О.В. Возможности и перспективы функционально-параметрического направления теории надежности // Информатика и системы управления. - 2014. - № 4(42). - С.53-66.
2. Абрамов О.В. Об оценке вероятности наступления рискового события: функционально-параметрический подход // Надежность и качество сложных систем. - 2016. - № 1(13). - С.24-31.
3. Назаров Д.А. Использование областей работоспособности для оптимального выбора номиналов параметров // Информатика и системы управления. - 2011. № 2(28). - С.59-69.
4. Катуева Я.В., Назаров Д.А. Аппроксимация и построение областей работоспособности в задаче параметрического синтеза // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза: ПГУ. - 2005. - Т.1. - С.130-134.
5. Катуева Я.В., Назаров Д.А. Методы параметрического синтеза на основе сеточного представления области работоспособности // Информационные технологии. - 2015. - № 9. - С.651-656.
6. Абрамов О.В. Параметрический синтез стохастических систем с учетом требований надежности. -М.: Наука, 1992.
7. Schiff J.L. "Cellular automata: a discrete view of the world". A John Wiley & Sons Inc. Publication. University of Auckland. 2008.
8. Саушев А.В. Аналитический метод назначения допусков на параметры динамических систем // Информатика и системы управления. - 2012. № 3(33). - С.120-131.
9. Назаров Д.А. Подход к анализу параметрической чувствительности систем на основе дискретного представления областей работоспособности // Информатика и системы управления. - 2017. - № 4(54). -С.94-104.
10. Назаров Д.А. Основные компоненты и функции программного комплекса построения и анализа областей работоспособности // Надежность и качество - 2013: тр. Междунар. симпозиума: в 2 т. / под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - 1 т. - С.255-256.
УДК: 658.52
Адамов1 А.П., Адамова2 А.А.
Дагестанский Государственный Технический Университет, Махачкала, Россия
2Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ С НУЛЕВОЙ МОЩНОСТЬЮ
В течение последних нескольких десятилетий беспроводные сенсорные сети представляют большой интерес. Беспроводные сенсорные сети - это интеграция сенсорной технологии, технологии встроенных вычислений, современных сетевых и беспроводных коммуникационных технологий, технологии распределенной обработки информации и т. д. Они могут использоваться для мониторинга, распознавания и сбора информации об окружающей среде или объектах с помощью микро датчиков и передачи этой информации пользователям. Поэтому они получили множество применений, в таких областях как военная оборона, промышленность и сельское хозяйство, городское управление, биологическое и медицинское лечение и мониторинг окружающей среды.
Однако беспроводные сенсорные сети не получили быструю коммерциализацию, как ожидали люди. Одним проблем стало энергоснабжения сетевых узлов беспроводных датчиков. В настоящее время узел беспроводной сенсорной сети обычно использует традиционную химическую батарею. Из-за большого количества устройств и их небольшого размера замена батареи непрактична или просто невозможна. Он не может полностью удовлетворить требованиям развития беспроводных сенсорных сетей. Поэтому все больше внимания привлечено для сбора энергии из окружающей среды для достижения мощности для беспроводных сенсорных сетей.
Ключевые слова:
БЕСПРОВОДНЫЕСЕНСОРНЫЕ СЕТИ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР, БЕСПРОВОДНОГО СЕНСОРА С НУЛЕВОЙ МОЩНОСТЬЮ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ, ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ
Беспроводные сенсоры с нулевой мощностью Это беспроводные сенсорные сети (БСС) - это
термин, который используется для беспроводных
датчиков и сетей управления, в которых используются батареи или технологии энергосбережения для питания устройства. Благодаря наличию недорогих интегральных схем для выполнения функций распознавания, обработки сигналов, обмена информацией и сбора данных в сочетании с универсальностью, предоставляемой беспроводными сетями, мы можем отказаться от стационарных проводных сетевых установок как в новых конструкциях, так и в как модернизации существующих установок.
Одним из недостатков перехода к установке беспроводной сети была низкая надежность и ограниченный срок службы батарей, необходимых для подачи энергии на датчик, радио, процессор и другие электронные элементы системы. Эти ограничения в какой-то мере ограничивали распространение беспроводных сетей. Устаревание батарей можно устранить с помощью технологий энергосбережения, которые используют преобразователь энергии, привязанный к встроенному перезаряжаемому накопителю энергии. Эта мини-«электростан-ция» продлевает срок службы беспроводного датчика.
Беспроводной сенсор нулевой мощности, как показано на рисунке 1, обычно состоит из пяти основных элементов:
1) Датчик для определения и подсчёта любого количества параметров окружающей среды, таких как движение, близость, температура, давление, рН, свет, напряжение, вибрация и многие другие.
2) Преобразователь энергии, который преобразует некоторую форму окружающей энергии в электричество.
3) Энергетический процессор для сбора, хранения и доставки электрической энергии электронным или электромеханическим устройствам, находящимся в узле датчика.
4) Микроконтроллер или его вариант, чтобы принимать сигнал от датчика, преобразовывать его в полезную форму для анализа и связываться с радиолинией.
5) Радиосвязь в сенсорном узле для передачи информации от процессора на непрерывной, периодической или управляемой событиями основе принимающему приемнику и точке сбора данных.
| Свет
| Высокая температура | Движения ^^
у/1 Преобразователь
Фотоэлектрический Термоэлектрический Пьезоэлектрический Индуктивный Радиочастотный
| ЕМ I
Микроконтроллер и радиоканал
Сверхнизкая мощность_
Беспроводной РЧ Ег430Ег430-ИГ250011Г2500
Оптимизированный протокол
I
1
Сенсор
Энергетический процессор
Преобразование энергии Хранилище энергии Управление энергопотреблением V_
Твердоесостояние Хранилищеэнергии
Рисунок 1 - Диаграмма беспроводного сенсора нулевой мощности
Традиционные источники питания для беспроводных датчиков обычно являются первичными (то есть не перезаряжаемыми) батареями, такими как щелочные элементы АА или ААА, тионилхлорид лития, литиевые элементы или множество других химикатов. Но есть и другой способ обеспечения источника питания - сборэнергии из окружающей среды вокруг сенсорного устройства. Сбор энергии обеспечивает необходимую мощность и энергию для работы сенсорного узла и, кроме того, не требует обслуживания батареи в течение срока службы сенсорного узла. По сути, энергосбережение позволяет использовать вечные датчики.
Преобразователи энергии - источник энергии, который регулярно или постоянно доступен. Этот источник энергии может быть представлен в виде температурного дифференциала, вибрационного источника, такого как двигатель переменного тока, излучающая или распространяющаяся электромагнитная волна или источник света. Любой из этих
источников энергии может быть преобразован в полезную электрическую энергию с использованием преобразователей, предназначенных для конвертирования одной из этих форм мощности в электрическую.
Следующие преобразователи являются наиболее распространенными, как показано на рисунке 2:
• Фотогальванический: также известный как солнечный - преобразует свет в электрическую энергию
• Электростатический или электромагнитный -преобразует вибрации
• Термоэлектрический: преобразует разницу температур в электрическую энергию
• Пьезоэлектрический: преобразует механическое движение к электрической мощности
• РЧ и индуктивная: преобразует магнитную энергию в электрическую
Источник энергии Проблема Обычный электрический импеданс Обычное напряжение Обычная выходная мощность
Световой Соответствовать малой площади поверхности, широкий диапазон входного напряжения Варьируется в зависимости от света БС: 0.5У 5У 10цВт-15мВт
Вибрационный Изменчивость колебательной частоты Постоянный импеданс АС: 10с вольт 1цВт-20 мВт
Тепловой Небольшие тепловые градиенты Постоянный импеданс DC: 10с мВ до 10 В. 0,5 мВт-10мВт(гради-ент 2 0 градусов)
РЧ и индуктивный Связывание и ректификация Постоянный импеданс АС: варьируется от дистанции и энергии от 0.5V до 5V широкий диапазон
Рисунок 2 - Сравнение преобразователей энергии
Эффективность и мощность каждого преобразователя варьируются в зависимости от дизайна преобразователя, конструкции, материала, рабочей температуры, а также доступной входной мощности и соответствия импеданса на выходе преобразователя.
Новые энергетические процессоры и твердотельные батареитеперь доступны.
Беспроводные сенсоры с нулевой мощностью требуют энергосберегающую схему управления потреблением энергии для обеспечения выходной мощности преобразователя, сохранения энергии и подачи питания на остальную часть беспроводного датчика. В большинстве сред любой преобразователь энергии не может полагаться на непрерывную подачу питания на нагрузкупри любых обстоятельствах. Хотя каждый преобразователь обеспечивает мощность с некоторой амплитудой и с некоторой регулярностью, они не хранят энергию. Следовательно, когда этого источника энергии нет, не будет мощности для подачи нагрузки в отсутствие устройства накопления энергии. Кроме того, преобразователи обычно не подают питание при правильном напряжении для работы электронной системы; поэтому настройка мощности преобразователя имеет важное значение для обеспечения полезной мощности при работе с датчиком, процессором и передатчиком. В частности, без устройства накопления энергии было бы трудно или невозможно доставить импульсный ток, необходимый для управления беспроводным передатчиком. Традиционные перезаряжаемые устройства хранения энергии, такие как суперкары и литиевые батарейки, имеют серьезные ограничения в отношении срока службы заряда / разряда, саморазряда и требований к току и напряжению заряда.
Энергетический процессор, такой как EnerChip ™ ЕР СВС915 от СутЬе^ обеспечивает все преобразования энергии, хранения энергии и управления мощностью питания для беспроводного сенсора с нулевой мощностью. Для того, чтобы обеспечить высокую эффективность преобразователя энергии, энергетический процессор выполняет отслеживание максимальнойпиковой мощности путем эмуляции импеданса преобразователя. Энергетический процессор также предоставляет информацию о состоянии мощности и энергии для микроконтроллера, поэтому система может быть выполнена «энергосберегающей». На рисунке 3 показаны энергетические процессоры ЕпегСМр ЕР и активные батареи ЕпегСМр
на универсальном наборе для сбора урожая EVAL-09. Этот комплект взаимодействует с любым типом преобразователя ЕН, преобразует и сохраняет собранную энергию и обеспечивает регулируемое выходное напряжение в целевой системе.
Энергетический процессор выполняет несколько полезных функций «энергосбережения», включая функции рукопожатия для связи с микроконтроллером. Схема обнаружения определяет, имеется ли достаточная мощность от преобразователя для управления системой. Если да, то микроконтроллер получает сигнал, указывающий, что силовой модуль работает нормально. Если мощность недостаточная, сигнал оповещает, что микроконтроллер переходит в режим низкого энергопотребления и, если он запрограммирован, посылает сигнал на беспроводное радио, чтобы соответственно оповестить точку доступа. Существует также контрольная линия, которая позволяет пользователю отключать EnerChip от схемы, чтобы использовать всю доступную входную мощность для управления системой, вместо того, чтобы переадресовывать часть мощности EnerChip для зарядки ячейки.
Микроконтроллер, сенсор и беспроводное радио
Выход датчика обычно подключается к микроконтроллеру, который обрабатывает сигнал, созданный при измерении интересующего параметра (например, температура, давление, ускорение и т. Д.) и преобразует его в форму, которая полезна для передачи, сбора и анализа данных. Кроме того, микроконтроллер обычно передает эту информацию в радиоприемник и контролирует его активацию в некоторый конкретный временной интервал или на основе возникновения определенного события. Важно, чтобы микроконтроллер и радиосистемы работали в режимах с низким энергопотреблением, когда это возможно, чтобы максимизировать срок службы источника питания. Расход энергии зависит от тока покоя радио и микроконтроллера, мощности и продолжительности работы передатчика, а также сложности и продолжительности любой требуемой обработки сигнала.
Потребляемая мощность также может быть уменьшена с помощью алгоритмов микропрограммного обеспечения микроконтроллера, которые эффективно управляют последовательностями включения и выключения питания, аналого-цифровыми преобразованиями и прерываниями, и управляемыми событиями.
Рисунок 3 - СугпЬеЬ ЕУАЬ-0 9 ЕпегСМр ЕР Универсальный комплект для сбора энергии
Комплекты оценки беспроводного сенсора с нулевой мощностью
Все элементы, описанные в предыдущих разделах, объединены в автономные беспроводные сенсорные комплекты оценки. На рисунке 3 показан комплект EVAL-09, а на рисунке 4 показан новый комплект для сбора солнечной энергии CymbetEnerChip СС Бо1агЕпегду ЕУАЬ-10 в сочетании с комплектом беспроводной оценки TexasInstruments eZ430-RF2500 для создания беспроводного температурного датчика на основе солнечной энергии. В этом случае встроенный EnerChip СС СВС3150 обеспечивает функции обработки энергии и хранение энергии на твердотельном аккумуляторе.
Вывод
Беспроводные сенсорные системы становятся все более распространенными из-за растущих затрат на установку проводных сенсорных систем, наличия недорогих сенсорных узлов и достижений в области сенсорных технологий. Энергосберегающие автономные беспроводные сенсорные узлы являются экономичным и удобным решением. Использование сбора энергии устраняет один из ключевых факторов, ограничивающих распространение беспроводных узлов - нехватку источников питания, которые имеют характеристики, необходимые для доставки энергии и мощности на сенсорный узел в течение многих лет без замены батареи.
Рисунок 4 - Комплект Cymbet EVAL-10 Solar EH с беспроводным комплектом TI eZ430-RF2500
Беспроводные сенсоры нулевой мощности более выгодны финансово, чем проводные решения. Дополнительная экономия достигается за счет устранения значительных затрат на замену батареи. Комбинирование датчиков энергосбережения, силовой модуль энергетической обработки, сенсор низкой
мощности, интеллектуальный микроконтроллер и оптимизированную радиочастотную радиосвязь, обес-печиваетдолговечность и отсутствие обслуживания беспроводных сетей с нулевым питанием.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке по Гранту РФФИ №17-07-00689
ЛИТЕРАТУРА
1. Адамов А.П., Адамова А.А., Юлдашев М.Н. Классификация состояний беспроводной сенсорной сети с использованием методов машинного обучения // Проблемы разработки перспективных микро- и нано-электронных систем (МЭС). 2016. № 2. С. 248-251.
2. Адамов А.П., Ирзаев Г.Х., Адамова А.А. Методологическиеосновы обеспечения технологичности электронных средств.СПб.: Политехника, 2008. 312 с.
3. Адамов А.П., Адамова А.А., Сенькина М.А., Исмаилова И.Т., Системный анализ в управлении предпринимательскими организациями / под общ. ред. А.П. Адамова. СПб.: Политехника,2002. 251 с.
4. .Niyato, D., Hossain, E., Rashid, M.M., Bhargava, V.K .: Беспроводные сенсорные сети с технологиями энергосбережения: теоретико-игровой подход к оптимальному управлению энергией. Бес-проводнаясвязь IEEE, 90-96 (август 2007 г.)
5. Леонов В., Торфс Т., Фиорини П., Ван Коф, К. Термоэлектрические преобразователи теплоты человека для самонесущих беспроводных датчиков. IEEE SensorsJournal 7 (5), 650-657 (2007)
6. CymbetCorporation «Беспроводные датчики с нулевой мощностью с использованием энергии» 2011
7. Yoo, H., Shim, M., Kim, D .: Схемы планирования динамического долговременного цикла для сетей беспроводных датчиков энергосбережения. Письма IEEE Communications 16 (2), 202-204 (2012)
УДК 004.77
Акмаров П.Б., Князева О.П., Третьякова Е.С.
ФГБОУ ВО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», Ижевск, Россия ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОССИИ
Выполнен анализ развития информационных технологий в России в динамике за последние годы. Показаны основные направления информатизации общества, включая организации и население страны. Отражены тенденции применения компьютеров для организации связи и обмена информацией, особенности развития интернет-торговли в стране. Показаны причины, сдерживающие применение современных технологий в различных регионах России. Выделены проблемы дальнейшего развития информационных технологий в обществе и основные направления их решения. Ключевые слова:
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ЦИФРОВАЯ СВЯЗЬ, ИНТЕРНЕТ-ТОРГОВЛЯ, ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
В последние годы в России, как и во всем мире бурно развиваются технологии передачи и обработки информации, основанные на применении компьютерной техники и других современных устройств, включая аппаратуру связи. Причем, это развитие охватывает не только организации, но и все население, начиная с дошкольного возраста и до глубокой старости.
Для организаций различных направлений производства и сферы обслуживания информационная технология создает мощный инструмент увеличения производительности труда за счет повышения уровня интеллектуализации и ускорения документооборота [3]. Сегодня современное производство практически не может существовать без компьютерной техники, а отставание в этой сфере может
привести к существенному снижению эффективности и даже банкротству предприятия.
Высокие темпы развития информационных технологий в России подтверждаются официальными данными Росстата [4]. По этим темпам мы незначительно отстали от развитых стран запада и Америки, но существенно опережаем отдельные азиатские государства и страны Африки. При этом регионы России с ее обширными территориями и с различными природно-климатическими условиями не отличаются существенно по уровню информатизации.
В таблице 1 показаны основные параметры применения цифровых технологий в организациях страны.
