一种面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法技术方案

本发明专利技术涉及一种面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法，在保证任务实时性的同时，通过设定电池最大能量阈值和最小能量阈值，对任务进行分组调度。本发明专利技术具有的有益效果有以下两点：（1）在任务调度过程中考虑了任务能耗和电池的能量约束，可避免由于电池能量不足造成的任务执行中断。（2）结合任务能耗和电池能量约束，采用分组调度策略，减少了在任务负载较高时，电池浅充浅放模式的使用次数，从而提高了电池的能量转移总量和能量使用效率。

A task scheduling method for embedded operating system oriented to energy harvesting system

The invention relates to a method for energy collection system of the embedded operating system task scheduling method to ensure real-time tasks at the same time, by setting the maximum battery energy threshold and minimum energy threshold for packet scheduling of tasks. The invention has the following advantages: (1) in the task scheduling process, the energy consumption of the task and the energy constraint of the battery are taken into account, and the task execution interruption caused by the insufficient energy of the battery can be avoided. (2) combined with the task of energy consumption and battery energy constraint, the packet scheduling strategy, a reduction in the task load is high, the battery charge and discharge light light mode frequency of use, so as to improve the battery energy transfer and total energy use efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法
本专利技术涉及嵌入式操作系统任务调度
，特别是涉及一种面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法。
技术介绍
随着对设备小型化和更长电池使用寿命需求的增长，能量管理逐渐成为嵌入式系统研究的重点。对设备能量的随意使用，会缩短设备的运行时间。在实际应用中，有些设备被部署后，相应的嵌入式应用需要运行很长的时间，例如，无线传感器节点，巡航器等。如何延长这些电子设备的使用寿命变得尤为重要。采用能量收集技术从周围环境收集能量是解决这个问题的一个有效方法。使用能量收集技术从环境资源中收集和存储能量的嵌入式系统称为能量收集系统，其组成不仅包括传统的嵌入式系统组件，还包括能量采集单元（例如，太阳板）以及能量存储单元（电池或电容）。近年来，能量收集被频繁应用于小型自治设备，它们的特殊性在于能量的来源是无限的，但是在一定的时刻可使用的能量是受限的，能量的收集和存储都是需要时间的。能量收集所需的时间会导致任务调度过程中产生空白时间，所以能量收集系统的调度器不是连续工作的。在这种背景下产生了新的调度问题，传统调度算法（例如，截止时间优先算法、速率单调算法等）不再适用于这类系统。能量收集系统调度方法的目标不仅仅要满足时间限制，还要保证在能量约束的条件下，任务执行不中断。此外，电池（以磷酸铁锂电池为例）容量衰退至85％之前，深充深放与浅充浅放的使用模式对于电池能量转移能力的影响是几乎相同的，当电池容量衰退至75％时，深充深放的使用模式在电池能量转移总量和能量效率上均优于浅充浅放的使用模式，因此，能量收集系统调度方法需要在任务负载较高时，采用深充深放模式，从而减少了电池浅充浅放模式的使用次数，来提高电池的能量转移总量和能量使用效率。现有的结合任务调度研究能耗的方法，主要集中在截止时间约束下最小化系统能耗，或者是在能量约束下最大化系统性能。例如，使用动态调频调压，来降低处理器能耗。然而，他们大部分没有考虑电池容量的限制和管理电池充电的必要性。这些技术应用在能量收集系统中是有限制的，并且在没有足够能量的情况下任务根本不能执行。因此，能量收集系统必须能动态地依据处理器负载能耗和能量存储单元的充放电特性来管理和调度任务。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服目前能量收集系统在任务调度过程中没有考虑任务能耗和管理电池充电的必要性造成的任务执行中断，以及任务高负载运行时，电池过于频繁的浅充浅放模式降低了电池能量转移总量和能量使用效率问题。为了达到上述目的，本专利技术提出了一种面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法。一种面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法，其特征在于：1、能量收集系统定义：能量收集系统为P=(Σ,B)，其中：Σ={τ1,…,τn}表示n个独立实时任务集合，B表示电池；实时任务τi是一个五元组τi=(Ci,Di,Ti,Pi,ei)，其中：Ci表示任务执行时间，Di表示任务截止时间，Ti表示任务周期，Pi表示任务固定优先级，ei表示任务单位时间能量消耗速率；电池为一个二元组B(Emax,ebat)，其中：Emax是电池最大容量，ebat是充电速率；2、分组调度策略：分组调度策略基于固定优先级，就绪队列任务按照优先级由高到低排序，依据分组条件，从任务就绪队列中选取一组任务连续运行；在满足任务截止时间约束的前提下，组任务在执行之前利用空闲时间为电池补充电能；当电池能量满足组任务运行需求，组任务开始执行；组内任务连续执行；当该组任务执行完毕，从就绪队列中选取下一组任务，如果就绪队列为空，而且，电池容量小于Emax，则为电池充电；分组调度策略的分组条件的判定，分组需要同时满足两个条件：（1）组内任务消耗总能量Eneed不能大于电池最大可用容量Emn（Emn=Emax-Emin）；（2）组内任务最小截止时间减去组内任务执行时间的总和tidle大于电池充电所需时间tch；分组条件为公式（1）；Eneed计算方法如公式（2），电池充电所需时间tch计算方法如公式（3），组任务最小空闲时间tidle计算方法如公式（4）：具体步骤如下：任务分组流程为：首先，n个独立实时任务集Σ={τ1,…,τn}按照优先级高低进行了排序，电池在t时刻剩余电量为E(t)，依次读入任务τ1，τ2，。。。，直到τi不满足公式（1），此时，任务分组为{τ1,…,τi-1}；在执行此组任务之前，电池需要充电时间为tch，如公式（2）所示；当电池充电tch个单位时间，立刻执行组内任务；当这组任务执行完毕后，对剩余任务按照此方法继续分组执行；基于能耗的固定优先级抢占调度：当有新任务τj进入就绪任务队列，要抢占当前正在执行的组内任务τi，需要满足条件Pj大于Pi，并且τj所需能量小于τi执行所需的能量，即ej×Cj<ei×Ci，才可以抢占当前任务。一旦确定需要进行抢占，任务需要进行重新分组。本专利技术与
技术介绍
相比，具有的有益的效果是：本专利技术将任务能耗与电池能量补充相结合，提出了一种面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法，在保证任务实时性的同时，通过设定电池最大能量阈值和最小能量阈值，对任务进行分组调度。本专利技术具有的有益效果有以下两点：（1）在任务调度过程中考虑了任务能耗和电池的能量约束，可避免由于电池能量不足造成的任务执行中断。（2）结合任务能耗和电池能量约束，采用分组调度策略，减少了在任务负载较高时，电池浅充浅放模式的使用次数，从而提高了电池的能量转移总量和能量使用效率。附图说明图1是整个系统调度方法执行的流程图。具体实施方式在实施面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法时，任务调度在满足实时性的前提下，综合考虑了任务能耗和电池能量约束两个条件。当处理器运行任务时消耗能量，当处理器空闲时电池补充能量。电池能量永远不能超过它的最大阈值Emzx，永远不能低于最小阈值Emin。因此，一个能量收集系统P=(Σ,B)是可调度的，当且仅当存在一个可行调度可以保证所有任务都可以在截止时间内完成，并且确保电池的能量水平一直处于[Emin,Emax]。面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法具体实现流程如下：1)系统定义（1）定义能量收集系统为P=(Σ,B)，其中Σ={τ1,…,τn}表示实时任务集合，B表示电池。（2）定义一个实时任务τi是一个五元组τi=(Ci,Di,Ti,Pi,ei)，其中Ci表示任务的执行时间，Di表示任务的截止时间，Ti表示任务的周期，Pi表示任务的固定优先级，ei表示任务单位时间能量消耗速率。任务执行能量消耗等于任务单位时间能量消耗速率与任务执行时间的乘积。一个实时任务释放无限多个作业，并使用周期分割，每个作业必须在最坏执行时间和一定的能量消耗约束内完成。（3）在能量收集系统中，电池是能量存储单元，定义电池为一个二元组B(Emax,ebat)，其中Emax是电池最大容量，ebat是充电速率。如果一个任务正在运行，电池处于放电模式，只有电池的能量大于任务的能耗，该任务才可以运行结束；如果处理器处于空闲状态，电池可以切换到充电模式来补充能量，前提是当前电池容量小于电池最大容量。电池的能量补充在处理器空闲期间连续执行，为了防止电池过充和过放，设定电池电量在两个阈值Emin和Emax间浮动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法，其特征在于：1、能量收集系统定义：能量收集系统为P＝(∑,B)，其中：∑＝{τ

【技术特征摘要】
2013.12.16 CN 20131069291441.一种面向能量收集系统的嵌入式操作系统任务调度方法，其特征在于：1、能量收集系统定义：能量收集系统为P＝(∑,B)，其中：∑＝{τ1,…,τn}表示n个独立实时任务集合，B表示电池；实时任务τi是一个五元组τi＝(Ci,Di,Ti,Pi,ei)，其中：Ci表示任务执行时间，Di表示任务截止时间，Ti表示任务周期，Pi表示任务固定优先级，ei表示任务单位时间能量消耗速率；电池为一个二元组B(Emax,ebat)，其中：Emax是电池最大容量，ebat是充电速率；2、分组调度策略：分组调度策略基于固定优先级，就绪队列任务按照优先级由高到低排序，依据分组条件，从任务就绪队列中选取一组任务连续运行；在满足任务截止时间约束的前提下，组任务在执行之前利用空闲时间为电池补充电能；当电池能量满足组任务运行需求，组任务开始执行；组内任务连续执行；当该组任务执行完毕，从就绪队列中选取下一组任务，如果就绪队列为空，而且，电池容量小于Emax，则为电池充电；分组调度策略的分组条件的判定，分组需要同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：董云卫，葛永琪，张健，孙朋朋，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61