幾十年來(lái)，傳感器節(jié)點(diǎn)的基本架構(gòu)由控制器、傳感器、本地存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)連接和電池組成。每個(gè)試圖從模擬世界收集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)都是基于該系統(tǒng)的某些變體。每個(gè)人都必須解決收集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分以及根據(jù)數(shù)據(jù)分析采取適當(dāng)行動(dòng)的基本問(wèn)題。在以前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)收集數(shù)據(jù)，如果有本地內(nèi)存，則會(huì)在本地存儲(chǔ)數(shù)百個(gè)樣本，然后再將其傳輸?shù)街醒爰€器進(jìn)行處理。中心將處理數(shù)據(jù)并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。通信通常是有線的，使用以太網(wǎng)或類似的工業(yè)總線。

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的出現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)的每臺(tái)設(shè)備都開始通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。保守估計(jì)，到 2020 年將有超過(guò) 100 億臺(tái)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。其中包括汽車、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī)療植入物以及可穿戴設(shè)備、智能家居等新時(shí)代應(yīng)用。下一代 5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)部署在世界的幾個(gè)地方處理來(lái)自這些設(shè)備的預(yù)期流量。但是，數(shù)據(jù)科學(xué)家和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員今天正試圖解決幾個(gè)未解決的問(wèn)題：哪些設(shè)備需要連接到云端？需要傳播多少信息？本地可以完成多少處理？誰(shuí)為云買單？

物聯(lián)網(wǎng)的一種簡(jiǎn)單方法是將所有內(nèi)容上傳到云端并遠(yuǎn)程處理。雖然這可能適用于小型和孤立的系統(tǒng)，但一旦世界變得更加連接并且大量系統(tǒng)試圖上傳信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將需要考慮網(wǎng)絡(luò)與本地存儲(chǔ)和處理的成本。他們將需要評(píng)估降低連接頻率的方案，執(zhí)行本地存儲(chǔ)和處理，然后執(zhí)行定期批量上傳?！肮I(yè) 4.0”一詞僅表示互聯(lián)設(shè)備的未來(lái)。為確保在現(xiàn)場(chǎng)部署、經(jīng)濟(jì)高效、低功耗的實(shí)施方案，現(xiàn)在必須仔細(xì)分析系統(tǒng)的每個(gè)組件。在本文中，我們將研究任何傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)常被忽視但重要的方面——本地內(nèi)存。

圖 1：傳統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)。（）

圖 2：工業(yè) 4.0 中的傳感器節(jié)點(diǎn)。（）

傳感器節(jié)點(diǎn)越來(lái)越多地相互連接，并通過(guò)一種或多種無(wú)線技術(shù)（包括 Wi-Fi、藍(lán)牙等）連接到中央處理中心。由于路由有線網(wǎng)絡(luò)的限制和成本，這些無(wú)線協(xié)議允許將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法訪問(wèn)的位置。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)可以分布在整個(gè)工廠自動(dòng)化車間，并持續(xù)監(jiān)控所有關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)。

隨著向無(wú)線的轉(zhuǎn)變，需要應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)系統(tǒng)永遠(yuǎn)不必?fù)?dān)心電量耗盡，但同樣的方法不適用于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)必須設(shè)計(jì)為在極其緊張的能源預(yù)算下運(yùn)行。任何顯著影響電池壽命的功耗改善反過(guò)來(lái)都意味著更少的維護(hù)頻率。很多時(shí)候，由于成本限制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員部署的解決方案初更便宜，但隨著時(shí)間的推移，由于更高的維護(hù)成本而終變得昂貴。這些遠(yuǎn)程部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的成本之一是更換機(jī)載電池。優(yōu)化后可節(jié)省 30% 電力的系統(tǒng)直接對(duì)應(yīng)于更換電池時(shí)減少 30% 的維護(hù)成本。

哪些因素會(huì)影響這些傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗？典型 BLE 傳感器節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)系統(tǒng)功耗分析確定了影響電池壽命的關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)功耗的貢獻(xiàn)者是：

BLE 系統(tǒng)的天線功率直接取決于傳感器節(jié)點(diǎn)嘗試“連接”并將數(shù)據(jù)上傳到集線器的頻率。雖然 BLE 可以支持每 10 毫秒上傳約 500 字節(jié)，但傳感器節(jié)點(diǎn)很少以這種 50KB/s 的速率收集數(shù)據(jù)。典型的環(huán)境參數(shù)傳感系統(tǒng)捕獲 100-500 字節(jié)/秒，具體取決于傳感元件。這允許 BLE 系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于更長(zhǎng)的連接間隔以增加電池壽命。與可以隨意上傳數(shù)據(jù)的系統(tǒng)相比，更長(zhǎng)的連接間隔迫使系統(tǒng)存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)點(diǎn)的日志。IoT 控制器的典型內(nèi)部?jī)?nèi)存范圍為 64 KB 到 256 KB，并且該內(nèi)存的主要部分由 BLE 堆棧和在節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行 ADC 和其他內(nèi)務(wù)管理任務(wù)所需的用戶 API 占用。

由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，因此外部存儲(chǔ)器必須是非易失性的以確保數(shù)據(jù)可靠性。雖然市場(chǎng)上有各種各樣的非易失性技術(shù)，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更喜歡使用提供簡(jiǎn)單接口和可靠性的存儲(chǔ)器。外部非易失性存儲(chǔ)器常見的候選者是 EEPROM、閃存和鐵電 RAM (F-RAM)。然而，由于 Flash/EEPROM 技術(shù)初是為了提供良好的讀取性能而設(shè)計(jì)的，因此在連續(xù)寫入時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷。

只有事先擦除閃存單元，才能“編程”以包含新數(shù)據(jù)。對(duì)單元進(jìn)行編程允許將狀態(tài)從邏輯“1”更改為邏輯“0”。在下更新期間，如果單元需要保持邏輯“1”，則必須首先擦除該單元。為了優(yōu)化擦除速度和編程時(shí)間，閃存制造商使用不同的頁(yè)、塊和扇區(qū)架構(gòu)。頁(yè)是可以編程到閃存中的數(shù)據(jù)量。閃存設(shè)備包含一個(gè)內(nèi)部頁(yè)面大小緩沖區(qū)，允許臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，一旦從外部接口傳輸完成，該設(shè)備就會(huì)在主陣列中已擦除的頁(yè)面上啟動(dòng)頁(yè)面編程操作。如果此頁(yè)面包含舊數(shù)據(jù)，則必須在編程操作之前將其擦除。

每次執(zhí)行擦除時(shí)，閃存單元都會(huì)退化，這在閃存數(shù)據(jù)表中被量化為耐久性。通常，的閃存設(shè)備額定為十萬(wàn)次擦除編程循環(huán)的耐久循環(huán)，之后它們不再保證可靠地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。雖然這個(gè)數(shù)字看起來(lái)很大，但我們將證明即使在低端數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中，這種耐久性也不足。

一些制造商實(shí)現(xiàn)了從緩沖區(qū)到閃存的字節(jié)編程和延遲編程。雖然這些功能確實(shí)簡(jiǎn)化了對(duì)設(shè)備的編程操作，但它們沒(méi)有解決閃存的潛在耐久性限制。為了彌補(bǔ)這些限制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員被迫實(shí)施復(fù)雜的文件系統(tǒng)來(lái)處理單元的磨損均衡，這也會(huì)增加開銷并降低系統(tǒng)速度。EEPROM 也存在類似的缺點(diǎn)。

我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)基于 F-RAM、EEPROM 和閃存的系統(tǒng)，通過(guò)執(zhí)行溫度、濕度、壓力和加速度等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集來(lái)模擬典型的物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)記錄行為。這些系統(tǒng)使用 BLE 連接間隔和相同的本地存儲(chǔ)算法進(jìn)行了優(yōu)化。為了簡(jiǎn)單起見，我們選擇了 4 秒的慢速 BLE 連接間隔和 100 字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)采樣率。每個(gè)樣本都包含所有傳感器數(shù)據(jù)的快照以及一些允許接收中心解析信息并向操作員提供反饋的標(biāo)記字節(jié)。

圖 3：基于 F-RAM 的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)。（）

圖 4：基于閃存的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)。（）

圖 5：基于 EEPROM 的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)。（）

板載電流監(jiān)控用于準(zhǔn)確記錄系統(tǒng)在以下每個(gè)階段的電流消耗：

1. 數(shù)據(jù)采集（ADC 采集和讀取傳感器數(shù)據(jù)）

2. 將數(shù)據(jù)寫入/編程到外部存儲(chǔ)器

3. 每 4 秒向集線器上傳數(shù)據(jù)

對(duì)于此分析，我們使用了 Cypress 的 64-Mbit 閃存、256-Kbit EEPROM 和 4-Mbit Excelon F-RAM。Flash 設(shè)備在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)被預(yù)擦除，支持 512 字節(jié)/頁(yè)，而 EEPROM 支持 60 字節(jié)/頁(yè)。F-RAM 是一種字節(jié)可訪問(wèn)的超低功耗 F-RAM，不需要預(yù)擦除或頁(yè)寫入。

基于 F-RAM 的系統(tǒng)的典型系統(tǒng)運(yùn)行如圖 6 所示。

圖 6：基于 F-RAM 的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的電流消耗。（）

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表 1：物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)功耗

表 1 總結(jié)了所有三種類型傳感器節(jié)點(diǎn)在能耗方面的系統(tǒng)性能。這些系統(tǒng)被配置為每 4 秒上傳大約 500 個(gè)字節(jié)，并且電流被監(jiān)控 120 秒。這三個(gè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)吞吐量方面具有相同的性能，的區(qū)別在于用于寫入內(nèi)存的算法：

• 由于 F-RAM 支持字節(jié)訪問(wèn)，基于 F-RAM 的系統(tǒng)可以在獲取的樣本可用時(shí)立即寫入。

• 基于 EEPROM 的系統(tǒng)只能按頁(yè)寫入（每頁(yè) 64 字節(jié)）并且有 2ms 的等待時(shí)間以允許完成寫入。這會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)在每次執(zhí)行頁(yè)面寫入時(shí)額外保持 2 毫秒。

• 基于閃存的系統(tǒng)只能寫入 512 字節(jié)的頁(yè)面。該器件在 20ms 的編程時(shí)間內(nèi)消耗大約 13mA 的電流，并且還有 20ms 的狀態(tài)寄存器更新周期。這會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)開啟總計(jì) 45 毫秒。

表 2：總結(jié)

我們可以看到，基于 EEPROM 的系統(tǒng)比基于 F-RAM 的系統(tǒng)多消耗約 22% 的功率，而基于閃存的傳感器節(jié)點(diǎn)比基于 F-RAM 的系統(tǒng)多消耗約 140% 的功率。仔細(xì)查看圖 7 中所示的功耗模式，可以揭示為什么閃存設(shè)備在此類應(yīng)用中表現(xiàn)如此糟糕。程序時(shí)間開銷有效地加倍了系統(tǒng)的總功耗。

圖 7：IoT 傳感器節(jié)點(diǎn)中閃存的電流消耗 (mA) 與時(shí)間 (ms)。（）

除了大的功耗開銷外，基于閃存或 EEPROM 的系統(tǒng)還存在技術(shù)缺點(diǎn)，尤其是閃存的耐用性和擦除功率。閃存設(shè)備的耐久性有限，約為 10^5 個(gè)周期，這限制了產(chǎn)品的使用壽命。由于閃存設(shè)備需要大量時(shí)間來(lái)執(zhí)行芯片擦除，因此系統(tǒng)在擦除操作期間還會(huì)遇到停機(jī)時(shí)間。擦除操作期間的功耗也會(huì)增加總功率預(yù)算，進(jìn)一步降低功率效率。這些傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，但在意外斷電的情況下，基于閃存或 EEPROM 的系統(tǒng)也會(huì)遭受數(shù)據(jù)完整性損失。閃存設(shè)備必須編程一頁(yè)，因此系統(tǒng)必須在本地存儲(chǔ)一頁(yè)數(shù)據(jù)，直到成功寫入設(shè)備。在此期間的任何電源故障都可能導(dǎo)致至少一頁(yè)數(shù)據(jù)丟失。