CN112732062A - 物联网终端轻量级操作系统的能量管理方法和系统 - Google Patents

物联网终端轻量级操作系统的能量管理方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及物联网终端轻量级操作系统的能量管理方法和系统，在系统执行空闲任务时使能Tickless机制，通过BMS模块检测异质取能模块状态，当异质取能模块存储能量满足终端休眠模式的工作需求时，将终端切换为异质取能模块供电，终端进入休眠工作模式；BMS模块持续检测异质取能模块电压，当达到设置的睡眠时间或异质取能模块供电异常时，切回内置电池供电。本发明的方法和系统结合物联网终端轻量级操作系统的任务调度管理机制，在同时配置有内置电池和异质取能供电部分的物联网终端上实现供电方式的智能切换，能有效避免各类终端应用任务各自独立调控电源管理模块可能带来的相互冲突和效率低下，尽可能延长内置电池供能时长，减少电池更换维护成本。

Description

物联网终端轻量级操作系统的能量管理方法和系统
技术领域
本发明涉及物联网终端的能量管理接口领域，具体涉及适用于物联网终端轻量级操作系统的能量管理方法和系统。
背景技术
物联网终端是物联网应用系统组成中的最前端。随着应用领域的不断开拓，越来越多的智慧城市应用系统需要在环保、交通、安防等不同民生领域进行物联网终端的部署。这些应用系统所广泛部署的物联网终端需要处理缓变物理量数据(如环境温/湿度、水质、空气质量参数、土壤成分、城市桥梁设施应力参数、消防栓水压等)，通常采用间歇工作模式，即在单次数据处理后会进行较长时间休眠，因此终端工作模式分为休眠模式和数据处理模式。由于物联网终端布置分散，数量众多，采用有线方式提供电能会导致接线复杂，施工难度大，维护困难等问题，因此大多采用终端内置电池供能，但电池供能存在电池续航时间与电池更换的问题。
目前，大部分物联网终端所采用的硬件微控制器（MCU）技术支持低功耗运行能力，在软件配合下MCU可以进入待机模式，通过降低时钟频率，屏蔽部分输入输出，屏蔽内部中断来达到极低功耗运行状态。因此，物联网终端在休眠工作模式下，可以通过使其核心MCU进入待机模式，这样理想情况下仅需微瓦级电能供能即可持续工作。
微能量收集供电技术近年来获得了广泛的研究和显著的进展。目前，通过机械振动收集的能量可为毫瓦级，通过收集空间电磁波获得的能量等级为微瓦级。该种供能方式虽然无法满足大部分物联网终端数据处理模式时的能耗要求，但基本能够达到休眠模式下的供能要求。
我们将多个不同物理形式微能量收集综合为一体来进行电能供能的方式称为异质取能。基于异质取能的复合供电技术已经获得应用。CN101752899A公开一种复合微能源电源输出管理控制系统，系统接入多种微能源为两个超级电容充电，分为主储能和备用储能，根据负载工况和两个储能电容能量情况进行供电切换；CN105515147A公开系统中使用能量收集单元收集外部能源提供的电能进行临时存储，如果收集的电能达到预设阈值，则由能量收集单元供电，当能量收集单元电能供电时低于预设阈值，则切换到充电电池供电；CN110289746A公开一种基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，该方法收集机械设备特定频率的振动能量为微小型电子系统供电；CN202711324U公开一种节能检票机，将检票过程中推杆转动的能量进行收集存储，当蓄电池电压足够时使用蓄电池供电，当蓄电池电压不足时使用外接电源供电。
本发明结合物联网终端轻量级操作系统的任务调度低功耗管理（Tickless）机制，给具备内置电池供能的物联网终端，同时配置异质取能模块。通过能量管理软件动态管理终端电能接口，在物联网终端进入休眠模式和异质取能满足终端电能供能功耗时，使用异质取能供电，实现供电方式的智能切换。从而有效避免各类终端应用任务各自独立调控电源管理模块可能带来的相互冲突和效率低下，延长物联网终端内置电池使用时长，降低物联网终端电池更换维护成本。
发明内容
本发明的目的在于提供针对物联网终端轻量级操作系统的能量管理方法和系统。针对维护复杂、休眠模式待机耗能占总耗能比例较高的物联网终端，本发明采用复合供能方案，尽可能延长内置电池供能时长，减少电池更换维护成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种物联网终端轻量级操作系统的能量管理方法，包括：
S1在系统执行空闲任务时使能Tickless机制，BMS模块（电源管理模块）检测异质取能模块状态，当异质取能模块存储能量满足终端休眠模式的工作需求时，将终端切换为异质取能模块供电，否则继续使用内置电池供电，终端进入休眠工作模式；
S2 BMS模块持续检测异质取能模块电压，当达到设置的睡眠时间或异质取能模块供电异常时，切回内置电池供电；
其中，所述异质取能模块用于从外部环境中捕获能量并储存。
进一步的，设置异质取能模块供能标志位用于表征异质取能模块状态，根据能量存储状态为供能标志位赋值，通过检测供能标志位的数值获取异质取能模块状态。
进一步的，通过BMS模块检测异质取能模块电压。由于异质取能部分的能量输出受环境、时间等不确定性因素影响，无法确保稳定有效地持续提供供电输出。因此，由BMS模块实时监测异质取能部分的能量状态，当异质取能部分无法满足终端工作所需的最低功耗，系统自动切回内置电池为物联网终端提供电能。
进一步的，在异质取能模块供电异常时，通过BMS模块产生一个外部中断唤醒终端。
进一步的，通过终端内部或外部产生的中断退出Tickless机制，在中断处理函数中将终端切换为内置电池供电。
进一步的，异质取能模块供电异常时，通过BMS模块产生一个外部中断唤醒终端，在中断处理函数中进行故障信息记录与处理。
进一步的，在退出Tickless机制后，补偿睡眠时未计算的Tick。
本发明的另一目的在于提供一种物联网终端轻量级操作系统的能量管理系统，包括：
电源；包括内置电池和异质取能模块，所述异质取能模块从外部环境中捕获能量并储存；
能量管理接口；查询内置电池及异质取能模块的能量存储状态，在系统处于Tickless机制下时，根据获得的电源能量存储状态或系统中断调用供电电能切换接口执行电源切换操作；
BMS模块；持续检测异质取能模块电压，基于能量管理接口的电能查询请求通过串口反馈电能信息，当异质取能模块供电异常时产生外部中断通知终端；
供电电能切换接口；执行电源切换操作。
进一步的，BMS模块检测到异质取能模块电压异常时，触发外部中断通知终端，终端在中断处理函数中进行故障信息记录与处理。
进一步的，系统在Tickless机制下时，在达到设置的睡眠时间或异质取能模块供电异常时，切回内置电池供电。
进一步的，在中断处理函数中，将终端切换为电池供电并补偿睡眠时未计算的Tick。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1. 结合物联网终端轻量级操作系统的任务调度管理机制，通过调用操作系统中的能量管理接口、供电电能切换接口接口，在同时配置有内置电池和异质取能供电部分的物联网终端上，实现供电方式的智能切换。
2. 完善了物联网终端轻量级操作系统的功能，可以有效地避免各类终端应用任务各自独立调控能量管理模块而带来的相互冲突和效率低下；
3. 从而在物联网终端实际部署应用中进一步降低运行能耗，延长有效部署时间，延长其内置电池的使用寿命，为物联网终端应用提供更好的技术支撑。
附图说明
图1为本发明实施例所述能量管理方式总体架构图。
图2为本发明实施例所述异质取能能量管理查询接口流程图。
图3为本发明实施例所述异质取能能量管理供电切换接口流程图。
图4为本发明实施例所述异质取能能量管理故障查询接口流程图。
图5为本发明实施例所述物联网终端轻量级操作系统任务调度模块示意图。
图6为本发明实施例所述物联网终端轻量级操作系统Tickless机制启动流程图。
图7为本发明实施例所述物联网终端轻量级操作系统Tickless机制唤醒流程图。
图8为本发明实施例所述物联网终端轻量级操作系统异质取能异常中断机制唤醒流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
本实施例具体说明本发明方法的实现方式。
如图1所示为本发明提出的能量管理方式总体架构。
本发明方法具体流程如下：
步骤A、低功耗模式Tickless机制启动：
步骤A1：物联网终端轻量级操作系统执行空闲任务时，使能Tickless机制，关闭时钟Tick，根据下一次任务处理时间设置睡眠时间；
步骤A2：检查当前异质取能模块供电阈值标志，若为1，表示达到终端休眠模式的工作需求，则调用电源转换接口将终端切换为异质取能模块供电，终端进入休眠工作模式；
步骤B、Tickless下异质取能供电稳定性持续检测：
步骤B1：终端休眠工作模式下，BMS模块持续检测异质取能模块的电压；
步骤B2：若环境发生变化导致异质取能供电发生异常而无法满足终端休眠运行所需能量供应，BMS模块将产生一个外部中断唤醒终端；
步骤B3：执行中断处理函数，设置异质取能模块供电阈值标志位为0，表示当前异质取能模块无法达到供电要求，退出Tickless机制，将终端切换为内置电池供电，恢复操作系统正常任务调度。
步骤C、睡眠到期唤醒操作系统：
步骤C1：睡眠定时器到期产生中断唤醒物联网终端轻量级操作系统退出Tickless机制；
步骤C2：在中断处理函数中，将终端切换为内置电池供电；
步骤C3：对睡眠中未计时的系统Tick数进行补偿修正，恢复操作系统正常任务调度。
实施例2
本实施例具体说明本发明系统的实现方式。
本发明的系统包括：
电源；包括内置电池和异质取能模块，所述异质取能模块从外部环境中捕获能量并储存；
能量管理接口；查询内置电池及异质取能模块的能量存储状态，在系统处于Tickless机制下时，根据获得的电源能量存储状态或系统中断调用供电电能切换接口执行电源切换操作；
BMS模块；持续检测异质取能模块电压，基于能量管理接口的电能查询请求通过串口反馈电能信息，当异质取能模块供电异常时产生外部中断通知终端；
供电电能切换接口；执行电源切换操作。
所述系统以传统内置电池供电为基础，并使用振动和（或）空间电磁波等方式收集微能源进行异质取能，能够维持物联网终端在休眠工作模式下的正常运行。物联网终端轻量级操作系统可以调用能量管理接口进行供电电能的转换，该接口对用户透明，在操作系统层面完成供电电能的自动切换，无需用户手动切换。
本发明提供物联网终端轻量级操作系统能量管理组件，并为上层应用提供相关接口，实现供电方式的智能切换。
能量管理接口分为两个部分：1) 配合操作系统Tickless启动请求，首先判断当前异质取能部分是否满足终端休眠模式工作的供能需求，若满足则调用供电电能切换接口，更改终端供电为异质取能供电。2) BMS模块实时监测异质取能部分供电是否正常，若因不稳定因素导致异质取能输出电压不足，则由BMS模块触发MCU的外部中断，操作系统封装接口，由用户设置此外部中断处理函数，系统响应中断调用供电切换接口，切回内置电池供电。具体描述为：
1、获取异质取能电源状态：
对应接口函数原型：a.Int BMS_inquary()，调用电能查询接口后向BMS模块发送串口查询指令，收到BMS模块回复的信息后返回电能信息或报文错误信息，其工作流程如图2所示；
2、进行供电切换：
对应接口函数原型：b.Void BMS_Switch(int state, int battery_num); state为0切换为异质取能供电，state 为1切换为电池供电，调用供电电能切换接口，可以选择将供电切换为异质取能模块或电池，当异质取能模块供能充足或电池能量充足的情况下完成对应切换，否则维持原供电方式，最后将切换结果返回，其工作流程如图3所示；
3、进行故障查询：
对应接口函数原型：c.Int BMS_alarm(void alarm_handler)，该接口函数设置异质取能故障中断处理函数，当BMS模块检测到异质取能模块电压异常时，触发外部中断通知MCU，MCU在中断处理函数中进行故障信息记录与处理其工作流程如图4所示。
本发明所述系统需配合终端操作系统任务调度模块使能Tickless机制，如图5所示为物联网终端操作系统任务调度示意图，本操作系统为单线程多任务模式，使用优先级抢占式任务调度，空闲任务为操作系统启动时创建的优先级别最低的任务，保证操作系统处于正常运行状态，只有当其他任务都不在运行态时，系统才会调用空闲任务。
在物联网终端操作系统执行空闲任务时，使能Tickless机制，关闭Tick，根据下一次任务处理时间设置睡眠时间；检测当前异质取能部分供能标志位，为1表示达到终端休眠工作模式需求，调用能量管理电源转换接口将终端转换为异质取能设备供电；为0表示低于休眠工作模式电压需求阈值，继续使用电池供电，然后进入终端休眠工作模式，Tickless机制启动整体流程图如图6所示。
本发明同时提供异质取能供电稳定性持续检测，使用BMS模块对异质取能部分供电电压进行检测，若环境发生变化导致异质取能供电发生异常而无法维持终端休眠工作模式运行时，将异质取能部分功能标志位置0，若在Tickless机制下，则产生一个外部中断唤醒终端，退出Tickless机制。
若终端处于Tickless机制下，当定时器到期或者BMS模块发现异常时触发MCU外部中断，使能物联网终端退出Tickless机制，在中断处理函数中，将终端切换为电池供电，并唤醒睡眠的相关模块，补偿睡眠时未计算的Tick，恢复操作系统任务调度功能，Tickless机制唤醒流程图如图7所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种物联网终端轻量级操作系统的能量管理方法，其特征在于，包括：
S1在系统执行空闲任务时使能Tickless机制，BMS模块检测异质取能模块状态，当异质取能模块存储能量满足终端休眠模式的工作需求时，将终端切换为异质取能模块供电，否则继续使用内置电池供电，终端进入休眠工作模式；
S2 BMS模块持续检测异质取能模块电压，当达到设置的睡眠时间或异质取能模块供电异常时，切回内置电池供电；
其中，所述异质取能模块用于从外部环境中捕获能量并储存。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置异质取能模块供能标志位用于表征异质取能模块状态，根据能量存储状态为供能标志位赋值，通过检测供能标志位的数值获取异质取能模块状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在异质取能模块供电异常时，通过BMS模块产生一个外部中断唤醒终端。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，通过终端内部或外部产生的中断退出Tickless机制，在中断处理函数中将终端切换为内置电池供电。
5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，异质取能模块供电异常时，通过BMS模块产生一个外部中断唤醒终端，在中断处理函数中进行故障信息记录与处理。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在退出Tickless机制后，补偿睡眠时未计算的Tick。
7.一种物联网终端轻量级操作系统的能量管理系统，其特征在于，包括：
电源；包括内置电池和异质取能模块，所述异质取能模块从外部环境中捕获能量并储存；
能量管理接口；查询内置电池及异质取能模块的能量存储状态，在系统处于Tickless机制下时，根据获得的电源能量存储状态或系统中断调用供电电能切换接口执行电源切换操作；
BMS模块；持续检测异质取能模块电压，基于能量管理接口的电能查询请求通过串口反馈电能信息，当异质取能模块供电异常时产生外部中断通知终端；
供电电能切换接口；执行电源切换操作。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，BMS模块检测到异质取能模块电压异常时，触发外部中断通知终端，终端在中断处理函数中进行故障信息记录与处理。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，系统在Tickless机制下时，在达到设置的睡眠时间或异质取能模块供电异常时，切回内置电池供电。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在中断处理函数中，将终端切换为电池供电并补偿睡眠时未计算的Tick。
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