+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Расход электроэнергии предприятием. Расчет расхода электроэнергии.

Электроэнергия служит для привода основного и вспомогательного оборудования, подъемно-транспортных устройств, средств автоматизации и механизации различных приспособлений, а также для питания нагревательных установок и сварочных аппаратов (см. сварка).

Электроэнергия в цех поступает от заводской трансформаторной подстанции (крупный цех имеет несколько подстанций). Силовая сеть трехфазная, частота 50 Гц, напряжение 380/220 В, осветительная сеть — напряжение 220 В.

Расчет расхода электроэнергии

Рассмотрим расчет расхода электроэнергии в цехе на примере кузнечного цеха.

При подсчете мощности и расхода электроэнергии внутри каждого отделения потребителей разбивают на группы по принципу однородности (например, группа прессов (см. гидравлические прессы, кривошипные прессы), группа молотов, группа холодновысадочных автоматов, группа ножниц, группа сварочного оборудования), а также по типоразмерам или по загруженности (например, прессы крупные, средние, мелкие или прессы весьма загруженные, среднезагруженные и тому подобное) и подсчет выполняется для каждой такой группы в отдельности.

Мощность каждого токоприемника берут по паспортным данным и указывают в кВт. Если в киловольтамперах (кВА), то мощность в кВт вычисляют по формуле:

N = S — cosφ,

где N — мощность, кВт;
S — мощность, кВА;
cosφ ≈ 0,85 — для кузнечных и холодноштамповочных цехов.

В технологической части проекта требуется определить:

  • суммарную установленную в цехе мощность токоприемников;
  • активную мощность по группам оборудования, имеющего однородный характер работы, а также суммарную активную мощность по всему цеху;
  • годовой расход электроэнергии.

Суммарная установленная мощность по цеху Nцравна сумме мощностей N1, N2, Nn, требующихся для каждой единицы оборудования:

Nц = N1+ N2+ N3+ … + N

n = ΣNn

N1, N2, Nn берут из ведомости оборудования. Потребляемая активная мощность данной группы Ргр:

Ргр= КсΣNгр

где Кс— коэффициент спроса, учитывающий полноту использования установленной мощности.

Для каждой группы Ксимеет свое значение:
от 0,15 — краны, манипуляторы и прочее подъемно-транспортное оборудование;
0,35 — крупные прессы;
0,45 — молоты, ГКМ, КГШП;
до 0,75 — конвейеры, работающие непрерывно.

Активная мощность по всему цеху равно сумме мощностей отдельных групп:

Р = ΣРгр

Годовой расход электроэнергии

Годовой расход электроэнергии по цеху Эгравен сумме ее расходов по тем же отдельным группам оборудования

Эг.гр.:

Эг = ΣЭг.гр.

При этом годовой расход электроэнергии в группе:

где Фоб— эффективный годовой фонд времени оборудования, ч;
К3коэффициент загрузки оборудования, %.

Годовой расход электроэнергии на освещение определяется путем подсчета мощности всех светильников и времени их работы с учетом коэффициента спроса.

Определение расхода электроэнергии, электродов, флюсов и газов

СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Расход электроэнергии. При дуговой сварке расход электро­энергии подсчитывается по количеству наплавленного металла. В зависимости от типа агрегата, применяемого для питания сва­рочных постов, примерный расход энергии на 1 кг наплавленного металла составляет:

При ручной сварке однофазным пере­менным током от однопостового сварочного

трансформатора……………………………………………… 3,5…. 3,8

При сварке под флюсом одной прово­локой на переменном токе. . . . • . .

При однопостовой сварке трехфазной

дугой…………………………………………………………

При сварке постоянным током от одно — постового преобразователя при 60 в. . . . 8—9

То же, при 40 в………………… •……………….. 5—5,5

Расход электродов и проволоки. При дуговой сварке весовая потребность в электродах определяется по общему весу наплавлен­ного металла шва, к которому прибавляется 20—30% для электро­дов с тонким покрытием и 40—60% для электродов с толстым пок­рытием. Количество потребных электродов в штуках подсчиты­вается делением общего веса электродов на вес одного электрода с учетом веса покрытия.

При сварке под флюсом расход электродной проволоки можно подсчитать следующим образом: сначала подсчитывают вес на­плавленного металла, исходя из геометрических размеров шва, затем к полученной величине прибавляют 2%, учитывающие по­тери проволоки при наладке режима, на вывод кратера шва н пр.

Для упрощения подсчета количества наплавленного металла швов, выполненных в стык, можно пользоваться следующей формулой

G — C-s2,

где G — вес наплавленного металла в граммах на 1 лі шва;

С — коэффициент;

s — толщина свариваемого металла, мм.

Значения коэффициента С берут по данным табл. 75.

При газовой сварке для определения общего расхода проволоки к полученному значению С прибавляют 10—15% на потери от уга­ра и разбрызгивания.

Например, нужно сварить медные листы толщиной s= 10 мм односторонним швом с V-образной подготовкой кромок; угол скоса 40°. Из табл. 75 находим значение С = 14. Тогда G = 14 X 102 = = 1400 г на 1 м шва, или 1,4 кг на 1 лі шва-

Учитывая потери на угар и разбрызгивание в размере 1096, получаем общий расход присадочной проволоки:

1,4 X 1,1 = 1,54 кг/м.

Сварщик и резчик должны экономить кислород, ацетилен (кар­бид) или другой горючий газ присадочную проволоку, не допускать их перерасхода против установленных норм, обеспечивая в то же время высокое качество выполнения работ по сварке и резке.

Значение коэффициента С при сварке в стык

Металл

Толщина, мм

Подготовка шва

Коэффициент С

Сталь

До 5

Без скоса

12,0

»

Свыше 5

Скос 45°

10,0

»

» 5

» 35°

8,0

»

» 5

» 30°

7,0

Медь

До 4

Без скоса

18,0

»

Свыше 4

Скос 45°

14,0

Латунь

До 4 /

Без скоса

16,0

»

Свыше 4

Скос 45°

13,0

Алюминий

До 4

Без скоса

6,5

»

Свыше 4

Скос 45°

4,5

Расход флюса при сварке принимают равным (1-Й,5) G, где G — вес расплавленной проволоки.

Расход газов. При газовой сварке расход газов определяется по мощности наконечника и времени сварки. Для подсчета расхода ацетилена на 1 м шва нужно величину мощности наконечника в л/час разделить на 60, а затем папученный результат умножить на основное время сварки в минутах и на коэффициент 1,05, учи­тывающий дополнительный расход ацетилена на зажигание и ре­гулирование горелки, прихватки и пр.

Например, для сварки латуни толщиной 10 мм мощность горел­ки равна: 10 X 100 — 1000 л ацетилена в час.

В минуту это составит:

1000 ice /

= 16,6 Л MUH.

60

Основное время на сварку 1 м шва по табл. 74 будет равно 50 х 0,7 == 35 мин. Следовательно, расход ацетилена составит:

16,6 X 35 X 1,05 = 610 л/пог. м,

Чтобы подсчитать расход кислорода, нужно полученный рас­ход ацетилена умножить на коэффициент 1,4, считая, что расход кислорода при сварке латуни на 40% больше расхода ацетиле­на.

В нашем примере расход кислорода равен:

1,4 X 610 = 854 л/пог. м.

Расход кислорода и ацетилена на резку определяют по табли­цам режимов резки для металла данной толщины (см. табл. 68, 69 и 70).

Чтобы выполнить сварку прочно и качественно, недостаточно иметь только сварочный аппарат. Дополнительно потребуется подобрать расходные материалы с учетом вида свариваемого металла. Перед началом работы определите, что именно вам нужно, и …

Есть несколько факторов, анализировать которые при выборе сварочного аппарата нужно обязательно в магазине сварочного оборудования. Следует учесть рабочий диапазон температур, а также мощность. Рекомендуется учесть возможность смены полярности, и показатель …

С каждым днем лазерная резки металла становиться все более востребованной. Давайте разберемся в этом почему же так?

Определение расхода электроэнергии по миганию электронного счетчика

Новые модели электронных счётчиков позволяют оценить потребление энергии по количеству вспышек индикатора. Благодаря этому можно узнать мощность, потребляемую различными приборами, имеющимися в доме, а также выявлять их неисправности.

Что нужно для оценки

Для точной оценки энергопотребления по миганию нужно узнать коэффициент пересчёта или передаточное число. Оно характеризует, сколько импульсов (вспышек светодиода) соответствуют одному киловатт-часу израсходованной энергии. Этот показатель приведен на лицевой стороне устройства учета или же в документации.

Если такие сведения отсутствуют, коэффициент пересчета можно определить самому. Для этого нужно дождаться, когда на правом крайнем барабанчике счётчика появится ноль. Затем в сеть включают прибор с невысокой расходуемой мощностью, например, телевизор и люстру с несколькими лампочками.

В этот момент следует начать считать количество вспышек лампочки на устройстве учета. Процесс проводится до тех пор, пока крайний правый барабан не покажет цифру 1. Вслед за этим нужно записать или запомнить количество миганий за этот период, а затем умножить его на 10.

Например, если было засчитано 64 вспышки, то коэффициент составит 64 имп./0,1 кВт-ч. Значит, 1 киловатт-часу соответствует 640 миганий. После этого можно приступать непосредственно к определению энергопотребления по вспышкам индикатора.

Ручной расчет

Теперь можно вычислить мощность, потребляемую конкретным устройством, по миганию электросчётчика. Перед тем, как сделать это, нужно подготовиться. Для этого нужно выключить в доме все приборы, кроме проверяемого. Светодиод устройства учета при этом мигать не должен. Затем понадобится секундомер или часы с секундной стрелкой, после чего начинается процедура ручного расчета.

В течение минуты потребуется рассчитать количество вспышек индикатора на счетчике. Полученное значение вновь нужно записать или запомнить. Потребляемая мощность рассчитывается таким образом:

  1. Высчитанное количество импульсов делится на коэффициент пересчета.
  2. Полученное значение умножается на 1000.
  3. В результате получится средняя мощность, потребляемая прибором, в ваттах.

Например, если на рассматриваемом счетчике светодиод моргнул 32 раза за 1 минуту, то конкретный прибор потребляет 500 ватт.

Специальные приложения

Ручной расчет расхода электроэнергии по индикатору счетчика — процесс непростой, поскольку существует вероятность возникновения ошибки. Результаты в таком случае могут оказаться неточными. Для решения этой проблемы было создано мобильное приложение «Проверка однофазного счетчика». Оно пригодится тем, у кого есть старый или новый прибор учета. С помощью этого приложения можно рассчитать потребляемую мощность электронных устройств.

Для этого в окне программы выбирается из списка передаточное число прибора учета. Затем вводится число импульсов, которое нужно отсчитать, нажимается и удерживается кнопка запуска. Когда светодиод вспыхнет заданное количество раз, нужно отпустить кнопку. В этот момент можно рассчитать расход энергии. С помощью расcмотренного приложения также определяется точность счетного механизма.

Еще одно приложение для подсчета потребления с помощью смартфона — iStrohm. Среди достоинств программы – русскоязычный интерфейс и простота использования. Для подсчета потребуется ввести передаточное число и нажимать на специальную кнопку на экране каждый раз, когда индикатор на счетчике мигает.

Мощность, потребляемая конкретным прибором, отобразится в соответствующем поле. Стоит отметить, что другие приложения для работы с приборами учета электроэнергии обладают не настолько богатым функционалом, по сравнению с рассмотренными.

Таким образом, узнать расход энергии по миганию счетчика можно без особого труда путем ручного подсчета или с помощью смартфона. Это позволит обойтись без специального оборудования, вызова электрика или вмешательства в проводку.

Определение удельного расхода электроэнергии — Справочник химика 21

    Подставив в последнее выражение значение V, получим после сокращений расчетную формулу для определения удельного расхода электроэнергии на тягу или дутье  [c.232]

    Для определения удельного расхода электроэнергии постоянного тока (в кВт-ч/т) можно. пользоваться выражением  [c.82]

    Для определения удельного расхода электроэнергии переменного тока необходимо учитывать коэффициент полезного действия т]пс преобразовательной подстанции  [c.83]

    На рис. 12,6 и 13,0 показаны результаты определения удельного расхода электроэнергии для аммиака и фреона-22 при одноступенчатом и двухступенчатом сжатии в диапазоне температур кипения от —40° до — -10°С и температуре конденсации 30° С. [c.36]

    Цель работы — исследования зависимости выхода никеля по току от условий электролиза плотности тока, температуры и pH электролита определение удельного расхода электроэнергии. [c.102]

    Определение удельного расхода электроэнергии ) по [c.137]

    Определение удельного расхода электроэнергии на производство единицы продукции расчетным способом ( ур). может производиться по двум формулам  [c.137]

    Определение удельного расхода электроэнергии на внутрицеховой транспорт и вентиляцию цеха (й ув) производится по формуле  [c.138]

    Определение удельного расхода электроэнергии по статье добыча и подача воды (1 ув) осуществляется по формуле  [c.139]

    Определение удельного расхода электроэнергии на производство тепловой энергии расчетным путем осуществляется на основании годовой выработки тепловой энергии паспортной и расчетной производительности оборудования и степени исполь- [c.139]

    Определение удельного расхода электроэнергии на производительность сжатого воздуха [c.49]

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СЖАТОГО ВОЗДУХА [c.151]

    Для определения удельного расхода электроэнергии на 1 л всасываемого компрессором воздуха необходимо вычислить мощность, расходуемую двигателем компрессора из сети  [c.151]

    При определении удельного расхода электроэнергии в формулу необходимо ввести поправочный коэффициент «к, учитывающий снижение нагрузки компрессора, так как вследствие снижения нагрузки повыщается удельный расход электроэнергии. Величину поправочного коэффициента определяют по кривой зависимости удельного [c.152]

    Определение удельного расхода электроэнергии на выработку 1000 ккал холода. Анализ режимов работы холодильной установки одноступенчатого сжатия [c.200]

    Цель настоящей работы — ознакомление с методикой определения удельного расхода электроэнергии на выработку искусственного холода и получение навыков правильно анализировать режим работы холодильной установки для выявления отклонений от оптимального режима работы. [c.201]

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ [c.130]

    Тяго-дутьевые установки и газовоздушный тракт. Испытания тяго-дутьевых устройств разделяются на эксплуатационные и полные. Эксплуатационные испытания проводятся для выявления соответствия установленных тяго-дутьевых машин потребности котлоагрегата в тяге и дутье и определения удельных расходов электроэнергии на тонну вырабатываемого пара. Полные испытания тяго-дутьевых машин производятся для выявления действительных характеристик их работы и отклонения от расчетных. Полные испытания наиболее точно могут быть проведены на специальном стенде. При установке дымососа (вентилятора) в тракте полные испытания могут быть проведены на остановленном котлоагрегатё, но с меньшей точностью, чем на испытательном стенде. [c.332]


Расчетные способы, применяемые для определения объемов электрической энергии

Уважаемые потребители!

В связи с вступлением в силу Правил предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов утвержденных Постановлением Правительства РФ от 06.05.2011 №354 и Постановлением правительства РФ от 16.04.2013 №344 «О внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации по вопросам предоставления коммунальных услуг» для определения объёмов потребленной электроэнергии утверждены расчетные способы в следующих случаях:

  1. В случае выхода из строя или утраты ранее введенного в эксплуатацию индивидуального, общего (квартирного), комнатного прибора учета либо истечения срока его эксплуатации, определяемого периодом времени до очередной поверки, — начиная с даты, когда наступили указанные события, а если дату установить невозможно, — то начиная с расчетного периода, в котором наступили указанные события, до даты, когда был возобновлен учет коммунального ресурса путем введения в эксплуатацию соответствующего установленным требованиям индивидуального, общего (квартирного), комнатного прибора учета, но не более 3 расчетных периодов подряд для жилого помещения и не более 2 расчетных периодов подряд для нежилого помещения плата за коммунальную услугу, предоставленную потребителю в жилом или нежилом помещении за расчетный период, объём потребленной электроэнергии определяется исходя из рассчитанного среднемесячного объема потребления коммунального ресурса потребителем, определенного по показаниям индивидуального или общего (квартирного) прибора учета за период не менее 6 месяцев, а если период работы прибора учета составил меньше 6 месяцев, — то за фактический период работы прибора учета, но не менее 3 месяцев
  2. В случае непредставления потребителем показаний индивидуального, общего (квартирного), комнатного прибора учета за расчетный период в сроки, установленные настоящими Правилами, или договором, содержащим положения о предоставлении коммунальных услуг, или решением общего собрания собственников помещений в многоквартирном доме, — начиная с расчетного периода, за который потребителем не представлены показания прибора учета до расчетного периода (включительно), за который потребитель представил исполнителю показания прибора учета, но не более 6 расчетных периодов подряд объём потребленной электроэнергии определяется исходя из рассчитанного среднемесячного объема потребления коммунального ресурса потребителем, определенного по показаниям индивидуального или общего (квартирного) прибора учета за период не менее 6 месяцев, а если период работы прибора учета составил меньше 6 месяцев, — то за фактический период работы прибора учета, но не менее 3 месяцев
  3. В случае если потребитель не ответил на повторное уведомление исполнителя либо 2 и более раза не допустил исполнителя в занимаемое им жилое или нежилое помещение в согласованные потребителем дату и время — начиная с даты, когда исполнителем был составлен акт об отказе в допуске к прибору учета (распределителям) до даты проведения проверки, но не более 3 расчетных периодов подряд объём потребленной электроэнергии определяется исходя из рассчитанного среднемесячного объема потребления коммунального ресурса потребителем, определенного по показаниям индивидуального или общего (квартирного) прибора учета за период не менее 6 месяцев, а если период работы прибора учета составил меньше 6 месяцев, — то за фактический период работы прибора учета, но не менее 3 месяцев
  4. В случае если обнаружен факт несанкционированного вмешательства в работу прибора учета, повлекшего искажение показаний такого прибора учета, исполнитель обязан прекратить использование показаний такого прибора учета при расчетах за коммунальную услугу и произвести перерасчет размера платы за коммунальную услугу для потребителя исходя из объемов коммунального ресурса, рассчитанных как произведение мощности имеющегося ресурсопотребляющего оборудования (для водоснабжения и водоотведения — по пропускной способности трубы) и его круглосуточной работы за период начиная с даты несанкционированного вмешательства в работу прибора учета, указанной в акте проверки состояния прибора учета, составленном исполнителем с привлечением соответствующей ресурсоснабжающей организации, до даты устранения такого вмешательства.

    Если дату осуществления несанкционированного подключения или вмешательства в работу прибора учета установить невозможно, то доначисление должно быть произведено начиная с даты проведения исполнителем предыдущей проверки, но не более чем за 6 месяцев, предшествующих месяцу, в котором выявлено несанкционированное подключение или вмешательство в работу прибора учета.

  5. В случае обнаружения осуществленного с нарушением установленного порядка подключения (далее — несанкционированное подключение) внутриквартирного оборудования потребителя к внутридомовым инженерным системам исполнитель обязан незамедлительно устранить (демонтировать) такое несанкционированное подключение и произвести доначисление платы за коммунальную услугу для потребителя, в интересах которого совершено такое подключение, за потребленные без надлежащего учета коммунальные услуги.

    Доначисление размера платы в этом случае должно быть произведено исходя из объемов коммунального ресурса, рассчитанных как произведение мощности несанкционированно подключенного оборудования (для водоснабжения и водоотведения — по пропускной способности трубы) и его круглосуточной работы за период начиная с даты осуществления такого подключения, указанной в акте о выявлении несанкционированного подключения, составленном исполнителем с привлечением соответствующей ресурсоснабжающей организации, до даты устранения исполнителем такого несанкционированного подключения.

Реальное потребление электроэнергии в практике ~ COOLHOUSING s.r.o.

В дата-центре компании Coolhousing для онлайн наблюдения за мощностью потребления серверов используют, так называемые, умные розетки. За всеми розетками ведется непрерывное наблюдение, а на центральный сервер направляются такие значения, как ток, напряжение, расход в кВтч и расход в ваттах. После этого сведения полученные таким образом обрабатывают, а результаты обработки изображают на ControlPanel в форме сводных данных и графиков.



Реальная потребляемая мощность

Для хостинга в нашем центре данных важна реальная мощность, потребляемая серверами. Говоря о реальной потребляемой мощности мы имеем ввиду расход электроэнергии в таком объеме, который действительно использует сервер. Если нам удастся установить это значение, то перед нами откроются двери к максимально возможной оптимизации цены услуг по размещению серверов.


Сводные данные о потреблении мощности конкретными розетками

Каждая услуга располагает как минимум одной подводящей линией питания через умную розетку. Значения, получаемые из таких розеток, закрепленных за конкретными линиями, сохраняют и подвергают дальнейшей обработке.

В среде клиентской секции заказчик может в любой момент получить изображение генерированных графиков. Клиенты имеют возможность ознакомиться с графиками с ежедневными, еженедельными и ежемесячными записями. Для того, чтобы правильно отнести сервер к той или иной категории для нас важно среднее реальное потребление за последние 30 дней пользования услугой.


Среднее реальное потребление изображается как в виде графиков, так и непосредственно в детальной сводке конкретной услуги — и именно на основании этой величины ваш сервер относят к той или иной категории. Причем нет необходимости опасаться пиковых значений в ходе повторных запусков и более сложных расчетов, которые время от времени имеют место, так как они растворяться в тридцатидневном среднем значении.


Если при оказании услуги используется несколько подводящих линий, то их средние значения складываются.


Ориентировочное определение максимальной реальной потребляемой мощности.

Для целей основного расчета категории подводимой мощности удобно использовать сумму значений TDP (Thermal Design Power) всех установленных в сервере процессоров. К данной величине далее прибавляют 10 Вт на каждый установленный твердый диск и получают примерную максимальную подводимую мощность. Действительная величина реальной подводимой мощности, однако, зависит от нагрузки сервера, и на практике подтверждается, что она в большинстве случае ниже величины, рассчитанной таким образом, причем существенно.


Сервер не означает автоматическое потребление мощности 300 Вт и более.

Многие клиенты и администраторы будут весьма удивлены тем, как мало электроэнергии фактически требуется для их сервера. Несколько примеров для иллюстрации:

  • Сервер Supermicro с одним процессором Intel Xeon E3-1220V2 и двумя дисками SATA берет в среднем 39 Вт.
  • HP ProLiant ml310e Gen8 с одним процессором Intel Xeon E3-1270V2 и двумя дисками SATA берет в среднем 45 Вт.

Вы по-прежнему считаете, что это правильно или неизбежно переплачивать за электричество на основании непрозрачных методов измерения, примерных оценок или даже на основании данных на табличке источника сервера?

Расчет использования энергии: как затраты влияют на экономию — Урок


По: Мо Рубенцаль, исполнительный директор по интернет-маркетингу

Аннотация: Потребители часто не знают о стоимости энергии, используемой электронными устройствами. На самом деле стоимость электроэнергии зачастую превышает закупочную цену оборудования в течение года! Простые расчеты показывают затраты на электроэнергию устройства и способствуют экономии.В этой заметке по применению обсуждается, как точно рассчитать затраты на электроэнергию, и представлен онлайн-калькулятор, который делает расчет еще проще.
Почему важен мониторинг энергопотребления

Эксперты сходятся во мнении, что наиболее действенная тактика борьбы с изменением климата, загрязнением окружающей среды и потреблением энергии — это сокращение количества потребляемой нами энергии. «Ватты, которые мы не используем» — всегда самый дешевый источник энергии и гораздо менее затратный, чем строительство новых электростанций, независимо от того, являются ли эти новые электростанции традиционными или используют альтернативные источники энергии.

Шаг первый — осознание: подумайте об экономии энергии. Как потребители, мы, естественно, думаем о крупных бытовых приборах, таких как холодильник и печь. В офисе мы думаем об освещении, настольных компьютерах и заводском оборудовании. Но устройства меньшего размера, которые работают большую часть дня, могут на самом деле тайно потреблять большие объемы энергии!

Генеральный директор Максима с удивлением обнаружил, что медиа-сервер в его доме стоит 473 доллара США в год за электроэнергию. Всего за год устройство стоило ему больше мощности, чем его покупная цена! Как потребители и инженеры, мы задаемся вопросом, серьезно ли проектировщики этих устройств учитывают затраты конечных пользователей на электроэнергию.

Зная стоимость использования энергии , будет управлять экономией энергии. Ясно, что мы можем сэкономить деньги себе и нашим клиентам, если сделаем правильный выбор дизайна для окружающей среды — часто без особых жертв.

Расчет затрат на электроэнергию

Как известно каждому инженеру, расчет энергии прост. Единицей измерения электрической энергии является киловатт-час (кВтч), который определяется умножением потребляемой мощности (в киловаттах, кВт) на количество часов, в течение которых потребляется мощность.Умножьте это значение на стоимость киловатт-часа, и вы получите общую стоимость энергии.

Общая стоимость энергии = (Мощность в ваттах / 1000) × часы эксплуатации × стоимость за кВтч

Калькулятор стоимости энергии от Maxim делает расчет еще проще.

Хотя расчет энергии прост, есть переменные, которые следует учитывать. Вам необходимо учитывать:

  • Различные тарифы на электроэнергию
  • Разница между заявленной и реальной мощностью
  • Сколько часов в сутки работает устройство
  • Различные режимы работы (например,г., рабочий и дежурный)
Различные ставки

В большинстве сообществ затраты на энергию непостоянны. Ставки на жилье часто бывают «многоуровневыми». Чем больше вы используете, тем больше платите. Некоторые коммунальные предприятия взимают плату даже в дневное время, а в непиковые часы — по более низким тарифам.

Вы должны рассчитать затраты на , ваш наивысший коэффициент использования (т. Е. Ваш самый высокий «уровень»). Это то, сколько вы платите за каждый киловатт-час, который вы добавляете или вычитаете из своего текущего использования. Это сумма, которую вы сэкономите, если сократите использование.Средняя ставка для населения в США составляет около 11,5 центов за кВтч (данные Министерства энергетики США за ноябрь 2008 г.), но вы можете платить 36 центов или больше за каждый дополнительный кВтч! Чтобы определить расценки, посмотрите свой счет за электричество или посетите веб-сайт вашей коммунальной компании.

Вам также необходимо учитывать время суток, если ваши ставки меняются в часы пик и непиковые часы.

Для получения дополнительной информации об использовании электроэнергии и ее стоимости в США посетите: Управление энергетической информации.
Потребляемая мощность

Далее необходимо узнать, сколько энергии потребляет устройство. Самый точный способ — измерить потребление энергии с помощью измерителя мощности (доступен в США по цене от 20 до 60 долларов).

Как вариант, вы можете посмотреть этикетку на продукте. Но маркировка часто бывает не очень точной, поскольку показывает максимальную мощность. Многие устройства потребляют намного меньше, чем указано на этикетке. Для устройств с фиксированным питанием, таких как лампочка, этикетка является точной.

Наконец, не забудьте произвести расчет на прилагаемые аксессуары, например, дисплей компьютера.

Возможно, вам потребуется выполнить некоторые математические вычисления, чтобы рассчитать потребление в ваттах:

Мощность (ватт, Вт) = ток (амперы, А) × напряжение (вольт, В)

Например, устройство, рассчитанное на ток 2,5 А и работающее от электросети США (120 В), потребляет 2,5 × 120 = 300 Вт.

Часы работы и режимы

Некоторые устройства работают с полной нагрузкой 24 часа в сутки. Многие устройства потребляют питание даже в выключенном состоянии. Зарядные устройства, которые остаются подключенными, пока устройства, которые они заряжают, отключены, все еще могут потреблять электроэнергию, особенно в старых моделях.

Медиа-сервер особенно расточителен: диск вращается, и все блоки питания работают на полную мощность, даже когда медиа-сервер бездействует.

Некоторые устройства различаются потребляемой мощностью в зависимости от того, как они используются. Рассмотрим, например, кофейник. Он потребляет 800 Вт, но только в течение 10 минут, затем переходит в режим подогрева посуды на один час и потребляет незначительную мощность. Если вы делаете одну чашку кофе в день, ваша потребляемая мощность составляет 0,133 кВтч в день или 4 кВтч в месяц. Эта энергия стоит всего 40 центов в месяц.

В спящем режиме компьютер будет потреблять меньше энергии. Лампа мощностью 25 Вт, которая горит весь день, потребляет больше энергии, чем тостер мощностью 1500 Вт, который включен утром на 40 секунд.

Рабочий цикл

Наконец, рассмотрите рабочий цикл для устройств, которые меняют свое использование в течение дня. Нагреватель, управляемый термостатом, потребляет энергию только тогда, когда он включен.

Эффекты второго порядка

В помещении с кондиционером потраченная впустую энергия обходится вам вдвое! Дополнительный ватт энергии, производимый в охлаждаемом помещении, увеличивает нагрузку на кондиционер.Это сложно подсчитать, но если вы будете помнить об этом, это поможет вам расставить приоритеты в деятельности по энергосбережению.

Сила сбережения

Как только вы узнаете, какие устройства потребляют больше всего энергии, вы сможете найти способы снизить потребление. Самая большая экономия — это просто удаление устройства, которое вам больше не нужно.

Самая легкая экономия может быть получена за счет отключения устройств, которые вы на самом деле не используете, особенно таких элементов, как медиа-сервер или свет, который работает весь день.Вычислительное оборудование, такое как принтеры, можно выключить. Разветвители питания и таймеры (или контроллеры домашней автоматизации) могут отключать неиспользуемые предметы. Но будь осторожен. Использование удлинителя для отключения питания аналогично отключению устройств от сети; некоторые устройства могут выходить из строя или терять данные, если они часто отключаются без использования переключателя питания.

Во многих случаях замена старого оборудования может сэкономить вам деньги. Рассмотрите все электронные устройства вокруг вас и внимательно посмотрите на самых опытных пользователей.Затем воспользуйтесь калькулятором энергии, чтобы определить, что сэкономит более энергоэффективная замена.


© 18 марта 2009 г., Maxim Integrated Products, Inc.
Содержимое этой веб-страницы защищено законами об авторских правах США и зарубежных стран. Для запросов на копирование этого контента свяжитесь с нами.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4448: 18 марта 2009 г.
Учебник 4448, AN4448, AN 4448, г. APP4448, Appnote4448, Appnote 4448

Определение потребления энергии организмом — класс питания (видео)

Сколько энергии ваше тело потребляет каждый день? Ваше тело использует энергию для выполнения жизненно важных функций, которые поддерживают вашу жизнь, а также для любых физических нагрузок, которыми вы занимаетесь.Узнайте о доступных методах определения потребления энергии организмом.

Energy

Ваше тело очень похоже на вашу машину. Когда вашей машине нужна энергия, вы подпитываете ее газом; когда вам нужна энергия, вы кормите свое тело пищей. Энергетические продукты, а именно жиры, углеводы и белки, затем используются вашим телом, чтобы заставить его работать, точно так же, как бензин в вашей машине используется для его работы.

Легко отслеживать, сколько бензина вы заправляете в машину и сколько калорий вы кормите свое тело, но когда дело доходит до расчета, сколько энергии расходует ваша машина или ваше тело, все становится немного сложнее.Например, ваша машина будет потреблять больше газа или энергии, когда вы едете по дороге, по сравнению с тем, когда вы находитесь на холостом ходу перед знаком «Стоп». Точно так же некоторые автомобили потребляют больше бензина, чем другие, просто потому, что у них более мощные двигатели или менее эффективные системы.

Как и в случае с автомобилем, потребление энергии вашим телом зависит от ряда факторов, таких как размер вашего тела, пол, возраст и уровень активности. В этом уроке мы рассмотрим эти факторы, когда рассмотрим методы, используемые для определения потребления энергии организмом.

Уравнение Харриса-Бенедикта

Ваше тело использует определенное количество энергии для выполнения жизненно важных функций, необходимых для вашего выживания. Сюда входят такие вещи, как дыхание, циркуляция крови и бесчисленные клеточные процессы, которые происходят в течение всего дня. Мы используем термин базальная скорость метаболизма (BMR) , чтобы описать скорость, с которой энергия используется для ваших жизненно важных функций и измеряется в калориях.

Итак, если мы хотим определить количество энергии, потребляемой вашим телом, мы должны сначала выяснить, каков ваш BMR.Но есть загвоздка. Видите ли, BMR варьируется от человека к человеку в зависимости от факторов, которые мы упоминали ранее, таких как ваш рост и вес, если вы мужчина или женщина, и ваш возраст.

Итак, нам нужен способ расчета вашей конкретной ставки. Один из методов — использовать уравнение Харриса-Бенедикта , которое представляет собой формулу, которая оценивает ваш BMR, а затем применяет коэффициент активности для определения вашего энергопотребления.

Уравнение Харриса-Бенедикта

Взрослый мужчина: BMR = 66 + (6.23 x масса тела в фунтах) + (12,7 x рост в дюймах) — (6,8 x возраст в годах)

Взрослая женщина: BMR = 655 + (4,35 x вес в фунтах) + (4,7 x рост в дюймах) — (4,7 х возраст в годах)

Когда мы смотрим на это уравнение, мы замечаем, что есть отдельные вычисления для мужчин и женщин. Это связано с тем, что мужчины, как правило, имеют более высокий BMR, чем женщины, потому что их тела содержат больше сухих мышц, а для поддержания мышц требуется больше энергии, чем для других тканей, таких как жир.

Давайте подставим несколько чисел для типичного мужчины и посмотрим, что у нас получится. Допустим, наш мужчина весит 200 фунтов, и давайте сделаем его ростом 70 дюймов и возрастом 30 лет. Когда мы подставляем его статистику в наше уравнение, мы видим, что расчетный BMR нашего объекта составляет 1997. Итак, теперь мы знаем, что наш субъект использует это количество калорий для выполнения своих жизненно важных функций.

С этой информацией мы готовы ко второй части уравнения Харриса-Бенедикта, в котором нам предлагается взять ваше расчетное значение BMR и умножить его на коэффициент активности.Для этого вы должны определить, насколько вы физически активны в течение дня. Затем вы сопоставляете свой уровень активности с диаграммой, которая присваивает числовые значения физической активности для разных уровней активности. Например, если вы мало или совсем не занимаетесь спортом в течение дня, вы будете считаться малоподвижным и умножите свой BMR на 1,2. Полученное число — это энергия, которую ваше тело использует в течение дня, а также количество калорий, которое вы можете потреблять для поддержания своего текущего веса.

Чтобы проиллюстрировать, как это работает, вернемся к нашему мужскому объекту.Мы оценили его BMR в 1997. Если он ведет малоподвижный образ жизни, то мы умножаем это число на 1,2 и получаем около 2396 единиц энергии, которые он использует за день, а также количество калорий, которые он хотел бы потреблять для поддержания своего веса. Что, если он повысит уровень своей активности и станет очень активным? Что ж, тогда мы возьмем его BMR, умноженное на 1,725, и обнаружим, что ему потребуется около 3445 калорий в день, чтобы соответствовать его дневному потреблению энергии.

Прямая калориметрия

Существуют и другие методы определения потребления энергии организмом, но они, по общему признанию, более сложные.Первая, которую мы рассмотрим, называется прямая калориметрия , которая представляет собой процесс измерения производства тепла для определения энергии, используемой организмом. Для этой процедуры требуется герметичная камера, окруженная водой. Тепло, исходящее от тела человека, тренирующегося внутри камеры, увеличивает температуру окружающей воды, которую затем можно измерить. Я уверен, что вы заметили некоторые недостатки этого метода, не последним из которых является тот факт, что испытуемый должен залезть внутрь страшной машины, чтобы тест сработал.Итак, давайте посмотрим на другой метод.

Косвенная калориметрия

Я думаю, что большинству людей было бы лучше, если бы проверяли их потребление энергии, просто лежа и дыша в специальный противогаз. Это называется косвенной калориметрией , которая представляет собой процесс расчета тепловыделения для определения энергии, используемой организмом, путем сначала измерения потребления кислорода и производства углекислого газа. Возможно, вам будет полезно вспомнить эти термины, если вы помните, что слово «калор» в переводе с латыни означает «тепло».«С помощью прямой калориметрии мы напрямую измеряем выделяемое тепло, а с помощью косвенного метода мы косвенно измеряем производство тепла, сначала измеряя количество газов. По этим измерениям газа лаборант может определить процент сжигаемых углеводов и жирных кислот, а затем оценить используемую энергию.

Резюме урока

Давайте рассмотрим …

Ваш базальный уровень метаболизма (BMR) — это скорость, с которой энергия используется для ваших жизненно важных функций.

Чтобы определить количество энергии, используемой вашим телом, вы должны сначала выяснить, каков ваш BMR.BMR варьируется в зависимости от роста, веса, пола и возраста. Поэтому нам нужно выполнить некоторые расчеты с помощью уравнения Харриса-Бенедикта , которое представляет собой формулу, которая оценивает ваш BMR, а затем применяет коэффициент активности для определения вашего энергопотребления.

Существуют и другие, более сложные методы определения потребления энергии организмом. Например, прямая калориметрия — это процесс измерения тепловыделения для определения энергии, используемой телом, при нахождении внутри герметичной камеры.Мы также можем использовать непрямую калориметрию , которая представляет собой процесс расчета производства тепла для определения энергии, используемой организмом, сначала измеряя потребление кислорода и производство углекислого газа.

Результаты обучения

По завершении этого урока вы должны уметь:

  • Объяснять, как использовать базальную скорость метаболизма и уравнение Харриса-Бенедикта для определения суточной потребности в калориях
  • Опишите назначение и разницу между прямой и непрямой калориметрией

Новый метод для быстрого определения потребления энергии тромбоцитами.Демонстрация разного энергопотребления, связанного с тремя секреторными реакциями | Биохимический журнал

Разработан новый метод быстрого и количественного определения уровня потребления энергии тромбоцитами. В тромбоцитах, суспендированных в среде, содержащей цианид. Ресинтез АТФ резко блокируется добавлением 2-дезоксиглюкозы и D-глюконо-1,5-лактона. Мы демонстрируем, что последующие изменения уровней цитоплазматического АТФ и АДФ отражают скорость потребления энергии тромбоцитами непосредственно перед добавлением ингибиторов.Несмотря на остановку ресинтеза АТФ, тромбоциты остаются чувствительными к стимуляции тромбином (5 единиц x мл-1), который запускает секрецию содержимого плотных гранул альфа- и кислой гидролазы. Было обнаружено, что нестимулированные тромбоциты потребляют около 3,5 и 0,5 мумоль эквивалентов АТФ x мин-1 x (10 (11) клеток) -1 при 37 ° C и 15 ° C соответственно; обработанные тромбином тромбоциты потребляли соответственно 16 и 2 мумоль эквивалентов АТФ x мин-1 x (10 (11) клеток) -1 при этих температурах.Когда скорость потребления энергии изменялась путем (а) изменения температуры и (б) предварительной инкубации с глико (гено) литическими ингибиторами, было обнаружено, что она линейно связана с начальной скоростью секреции из трех типов гранул. Точная природа этой взаимосвязи различалась между тремя типами реакций секреции и указывала на возрастающую потребность в метаболической энергии для секреции из трех типов гранул в следующем порядке: плотная гранула меньше, чем альфа-гранула, меньше, чем гранула кислотной гидролазы.Результаты, полученные при изменении температуры, накладывались на результаты, полученные с гликогено-литическими ингибиторами секреции плотных гранул и секреции альфа-гранул, предполагая очевидную связь между потреблением энергии и скоростью этих ответов секреции. Скорость секреции кислой гидролазы всегда была выше, когда потребление энергии варьировалось в зависимости от температурных изменений, чем при использовании гликогенолитических ингибиторов, вероятно, в результате метаболических изменений до индукции секреции.На основе этих экспериментов мы рассчитали дополнительное потребление энергии во время полной секреции плотных гранул альфа- и кислой гидролазы с содержанием 2,5, 4,2 и 6,7 мумоль эквивалентов АТФ x (10 (11) тромбоцитов) -1, соответственно.

Энергопотребление человеческого тела

Энергопотребление человеческого тела

Дониш Хан


13 декабря 2012 г.

Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2012 г.

Введение

Фиг.1: Блок-схема сводной метаболической тело человека. (Источник: Викимедиа Commons)

В наши дни новые и захватывающие формы энергии были исследованы, чтобы привести в действие наши новейшие технологии. Тонны ресурсов и были проведены исследования, чтобы понять, как современные гаджеты и машины потребляют энергию. Тем не менее, несмотря на все это современное состояние исследования, мы, кажется, забываем, что человеческое тело само по себе машина и еда — его источник энергии.Как и любой другой сложный устройство наводняет наш мейнстрим, человеческое тело требует и потребляет энергия подобным образом и понимание ее внутренней работы существенный.

Человеческое тело

Организм человека выполняет свои основные функции посредством потребление пищи и превращение ее в полезную энергию. Непосредственная энергия поступает в организм в виде аденозинтрифосфата (АТФ). С АТФ является основным источником энергии для всех функций организма, кроме накопленная энергия используется для пополнения АТФ.Есть только небольшое количество АТФ в организме, поэтому необходимо иметь достаточные запасы энергии для резервный. [1] Количество ежедневной энергии, необходимой каждому телу, зависит от Суточное потребление энергии людьми и метаболическая потребность в энергии который можно оценить по массе тела и уровню активности.

Базовое энергопотребление человеческого тела составляет 4 кДж / килограмм массы тела и суточный час для расчета индивидуума базовое энергопотребление:

Общее потребление энергии = Масса тела (кг) × 4 кДж × 24 часа / сутки / 4.18 кДж (1)

Общее значение потребления энергии делится на 4,18 кДж, чтобы преобразовать значение в килокалории (1 ккал = 4,18 кДж). Этот расчет представляет собой ежедневное потребление энергии. Избыточное потребление пищи которая не используется, поскольку энергия может храниться в организме в виде жира. Излишний накопление жира может привести к высокому индексу массы тела. Индекс массы тела (ИМТ) указывает на жир тела человека и определяется ростом человека а вес.[2] Рекомендуемый нормальный ИМТ у взрослых колеблется от 19 до 19 лет. 24. Высокий ИМТ потенциально может привести к болезни или осложнениям со здоровьем. [3] Чтобы иметь идеальный ИМТ, потребление энергии не должно превышать количество энергии, сжигаемой на регулярной основе. Количество энергии проявляется в зависимости от уровня активности.

ИМТ = Масса тела (кг) / Рост (м) × Высота (м) (2)

Заключение

Энергия, измеренная в килокалориях, является представлением способности выполнять работу, и эта энергия получается через пищу.Углеводы, белок и жир, полученные с пищей, обеспечивают АТФ, немедленная энергия. [2] Если энергия пищи не используется активности, он накапливается в организме, и сверхурочная работа может привести к высокому телу индекс массы. Высокий ИМТ может привести к ожирению и другим заболеваниям.

© Дониш Хан. Автор дает разрешение на копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с ссылка на автора, только в некоммерческих целях.Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] M. Williams, Питание для здоровья, фитнеса и Спорт, 8-е изд. (McGraw-Hill, 2006).

[2] «Диетические рекомендации для американцев 2010, Министерство сельского хозяйства США, декабрь 2010.

[3] Л. А. Феррера, Фокус на индекс массы тела и Health Research (Nova Publishers, 2006).

Схема оценки и подтверждения потребления энергии в сетях беспроводных датчиков

Сети датчиков тела и имплантируемые и принимаемые внутрь медицинские устройства Эффективность использования энергии является важным ключевым фактором срока службы и функциональности сети. Эта работа решает проблему энергопотребления узлов путем создания единой структуры энергопотребления, состоящей из теоретической модели, модели имитатора энергии и электронных измерительных модулей, которые могут быть присоединены к узлам.В этой статье представлены теоретический анализ, процедура моделирования, а также проектирование и разработка трех прототипов электронных измерительных модулей. Мы обсуждаем точность предлагаемых методов в сторону единой структуры для априорной оценки потребления энергии в коммерческих сенсорных узлах с учетом функциональности приложения и энергетических свойств встроенной электроники. Кроме того, узлы сети тела рассматриваются для применения и измерений предлагаемой структуры.

1. Введение

Беспроводные сенсорные сети (WSN) в последние годы нашли свое применение как в исследовательских областях, так и в коммерческом секторе. Применение WSN для мониторинга физиологических параметров тела создало особую категорию, называемую сетями датчиков тела (BSN) [1]. Последняя разработка — это имплантируемые и принимаемые внутрь медицинские устройства (IIMD), которые образуют внутреннюю и внутреннюю сеть.

Динамические узлы датчиков тела с широкими возможностями настройки удовлетворяют клинические потребности в индивидуальном мониторинге здоровья и доставке, особенно в нескольких уязвимых группах.Хронические больные пациенты и эпизодические инциденты требуют повсеместных медицинских услуг с использованием технологии BSN для точного доступа к медицинской информации и повышения качества предоставляемых услуг. В частности, эпизодические события у пациентов и роль BSN в их решении меняют способ оказания медицинских услуг.

Обычная конфигурация имплантируемых и принимаемых внутрь медицинских устройств и узлов BSN повторяет схему расположения микросенсоров в непосредственной близости или контакте для мониторинга биосигналов, которые поступают в подсистему обработки и подсистему радиосвязи.Имплантируемые, поглощаемые узлы и узлы BSN оснащены подсистемами управления энергией, которые включают в себя батареи и, возможно, схемы сбора энергии.

Подсистема управления энергопотреблением считается критическим компонентом IIMD и BSN с ролью в оптимизации использования имеющихся резервуаров энергии. Было сделано несколько предложений относительно питания имплантируемых устройств и узлов BSN, которые включают чрескожные внешние источники для подзарядки батарей, передачу электромагнитной энергии, выработку пьезоэлектрической энергии, термоэлектрические устройства, ультразвуковые силовые двигатели, радиочастотную подзарядку, методы оптической подзарядки, биотопливные элементы и литиевые батареи [2].

Дизайн приложений и протоколов для BSN и IIMD требует, чтобы оптимизация энергопотребления решалась многопараметрическим образом, что подразумевает энергоэффективную работу подсистем узлов.

Проблема энергопотребления BSN была отмечена в исследовательской литературе как ключевой фактор для производительности и функциональности сети. Растет количество опубликованных работ, посвященных различным аспектам проблемы энергопотребления, в основном на уровне моделирования, разработке энергоэффективных протоколов и разработке маломощной электроники.Однако единый подход к объединению теоретического моделирования приложений WSN и BSN, оценки моделирования, а также проектирования и разработки электронного модуля учета потребления энергии является основным вкладом в эту работу.

В этой статье обсуждается технический подход к проектированию и разработке структуры для оценки и измерения энергопотребления в узлах BSN и IIMD. С этой целью были спроектированы и разработаны три электронных модуля учета для проверки теоретических и программных оценок потребления энергии в узлах BSN.Кроме того, были разработаны приложения TinyOS для реализации приложений мониторинга состояния сенсорных узлов. Энергоэффективный дизайн приложений TinyOS считается основной целью минимизации энергопотребления, что влияет на работу отдельных подсистем, узлов и срока службы сети устройств с батарейным питанием BSN и IIMD.

Структура этого документа выглядит следующим образом. Раздел 2 представляет и анализирует соответствующие работы в этой области. В разделе 3 представлены основные предположения для разработки структуры исследования энергопотребления на узлах BSN и IIMD.В разделе 4 представлена ​​методология теоретической процедуры оценки энергопотребления, разработан симулятор на основе PowerTOSSIM, а также три электронных модуля учета спроектированы и разработаны для мониторинга и измерения энергопотребления. В Разделе 5 представлены результаты по потреблению энергии узлами BSN, которые контролируют биосигналы, и, наконец, выводы обсуждаются в Разделе 6.

2. Связанная работа по проблеме потребления энергии

Научный прогресс BSN и IIMD развивается в двух направлениях. фронты, ориентированные на исследования и коммерческие.Носимые на теле сенсорные устройства с вычислительными и сетевыми возможностями представлены в проекте MIThril [3]. CodeBlue [4] разработала медицинскую сенсорную сеть с использованием различных датчиков жизненно важных функций на основе коммерчески доступных узлов WSN, таких как TelosB и MicaZ [5]. Проект Healthy Aims [6] был сфокусирован на конкретных приложениях датчиков для слуха, зрения, глаукомы и внутричерепного давления. CardioMEMS [7] — одна из первых попыток разработать имплантируемый датчик давления в мешок аневризмы.Различные медицинские приложения, использующие сети датчиков тела, представлены в [8].

Типичный узел BSN состоит из четырех основных подсистем: (i) подсистемы считывания, (ii) микроконтроллера (MCU), микропроцессорной подсистемы, составляющей компонент обработки узла, (iii) подсистемы радиосвязи, обеспечивающей беспроводную связь, и (iv) подсистема управления энергопотреблением. В соответствии с конкретными требованиями, предъявляемыми приложениями, могут быть включены дополнительные компоненты, такие как дополнительный модуль беспроводной связи.Так обстоит дело с IIMD, которые управляют двумя подсистемами радиосвязи, одна для чрескожной передачи данных, а другая для функции пробуждения [9].

В случае коммерческого внедрения медицинского имплантируемого радиочастотного приемопередатчика, производимого Zarlink [9], подсистема пробуждающего радио имеет чрезвычайно низкое энергопотребление, работающее в промышленном, научном и медицинском (ISM, 2,4–2,5 ГГц) диапазоне. для обеспечения возможности приемника пробуждения, пока подсистема радиосвязи передачи данных работает в полосах частот службы радиосвязи медицинских устройств (MedRadio) 401–406 МГц [10].Двухдиапазонная работа в диапазонах MedRadio – ISM влияет на энергоэффективность имплантируемого медицинского устройства с конкретным приемопередатчиком.

Улучшение проектирования и разработки электроники с точки зрения энергоэффективности привело к реализации сверхнизкого энергопотребления во всех четырех основных подсистемах узлов BSN и IIMDS. Однако практический опыт применения BSN показывает, что включение энергоэффективной электроники на борту узла BSN частично гарантирует низкое энергопотребление, если не принимать во внимание управление энергопотреблением [11].

Общее предположение в BSN и IIMD предполагает, что основным потребителем энергии является подсистема радиосвязи. Это верно, если соблюдаются определенные условия, например, потребление энергии сенсорной подсистемой ниже из-за включения датчиков малой мощности или реализация включает энергоэффективный микропроцессорный блок. Предыдущие работы показали, что один бит информации, передаваемый через подсистему радиосвязи, эквивалентен выполнению нескольких тысяч инструкций с точки зрения энергопотребления [12].

Подсистема радиосвязи имеет различные рабочие состояния с точки зрения энергопотребления. В режиме приема, независимо от поддерживаемого протокола или стандарта, потребление энергии почти эквивалентно режиму передачи. Однако в режиме ожидания потребление энергии подсистемой радиосвязи снижается, и особенно в режиме ожидания оно на порядок меньше, демонстрируя энергоэффективное управление мощностью подсистем узла BSN.

Существует несколько испытательных стендов WSN, на которых выполняются приложения для оценки энергопотребления и производительности протоколов.Motelab [13] состоит из набора постоянно развернутых узлов, подключенных к центральному серверу. Каждый узел контролируется с точки зрения потребления энергии мультиметром, подключенным к сети. Trio [14] — еще один крупномасштабный испытательный стенд, используемый для наружных целей, который питается от солнечных батарей. SenseNet [15] состоит из недорогих сенсорных узлов, позволяющих нескольким пользователям взаимодействовать с сетью.

Исследования в основном сосредоточены на энергоэффективных протоколах, реализованных в сети; однако есть усилия по формированию энергетической сигнатуры приложений и оптимизации работы подсистем в направлении минимизации энергопотребления.Существует множество протоколов, которые решают проблему энергопотребления с разных точек зрения и предлагают интересные и высокоэффективные способы энергосбережения. Подробное представление и систематизация этих протоколов и методов на высоком уровне представлены в недавно опубликованном обзоре Anastasi et al. [12].

Включение дорогостоящей высокоточной инфраструктуры для измерения энергопотребления на отдельных узлах BSN или IIMD является недопустимым и негибким [16].С другой стороны, специально разработанные аппаратные модули частично выполняют мониторинг энергии на узле [17]. Подходы к развертыванию испытательных стендов, ориентированные на схемы на основе программного и аппаратного обеспечения для измерения энергопотребления, решают эту проблему комплексно [18].

Энергопотребление измеряется с помощью специально разработанных аппаратных модулей, подключенных к узлам BSN [17]. Концепция программных методов оценки заключается в том, что общее потребление энергии равно сумме энергопотребления отдельных подсистем и переходов между состояниями энергии.PowerTOSSIM [19] — типичный программный метод, основанный на TinyOS [20]. Недостаток этого симулятора энергии связан с моделью внутренней энергии, которая зависит от технологии узла. AEON [21] как имитатор энергии реализован поверх эмулятора AVRORA [22]. Более того, существуют некоторые инструменты и платформы моделирования, такие как OPENET, NS2, SHAWN, SensorSim, EmStar, OMNet ++ и GloMoSim, которые широко распространены в исследовательском сообществе WSN за их способность исследовать производительность энергоэффективных протоколов и моделировать работу, ориентированную на энергопотребление. узлов и сетей WSN.

С учетом событий обработки, считывания, связи, регистрации, формирования сети и срабатывания в [23] разработана модель оценки энергии. Оценка срока службы WSN является критическим параметром, тесно связанным с потреблением энергии узлами и сетями, которые исследуются в [24]. В [25] моделирование на основе OMNET ++ оценило потребление энергии на основе широко используемого радиочастотного приемопередатчика CC2420 [26], который можно найти во многих коммерческих узлах WSN.

В частности, в области IIMD оценка энергопотребления и точные измерения имеют решающее значение для определения срока службы медицинского устройства.Merli et al. [27] предполагают, что энергетическая сигнатура подсистем IIMD играет ключевую роль в определении наиболее энергоемких подсистем. В их реализации имплантируемое медицинское устройство, контролирующее температуру, оснащенное радиопередатчиком Zarlink [9] и блоком цифровой обработки сигналов, энергия, потребляемая в подсистеме радиосвязи, составляет 92% от общей энергии, потребляемой на IIMD.

В [28], изучая энергопотребление подсистем узла WSN в различных энергетических состояниях и переходах между состояниями, авторы представляют энергетические модели компонентов ядра узла, включая процессоры, радиочастотные модули и датчики.Приближенные модели энергии разработаны в [29, 30], которые доказали свою работоспособность с устройствами с батарейным питанием [31]. Преимущества приближенных энергетических моделей включают небольшую ошибку по сравнению с высокой точностью измерения энергопотребления на узлах WSN и BSN и низкую сложность на уровне моделирования.

Оптимизация работы подсистем BSN и IIMDs — ключевой этап в минимизации энергопотребления. В этом направлении имеется множество инноваций, касающихся антенной составляющей подсистемы радиосвязи.Конструкция учитывает несколько параметров производительности для разработки новых миниатюрных антенн для интеграции в IIMD, работающих в диапазонах MedRadio (401–406 МГц) и ISM (433,1–434,8, 868,0–868,6 и 902,8–928,0 МГц) [32] . Особой категорией антенн для IIMD являются патч-антенны, которые вызывают значительный научный интерес в плане интеграции в имплантируемые медицинские устройства и биотелеметрию с поддержкой радиочастот [33].

В работе предыдущих авторов представлен теоретический инструмент для прогнозирования энергопотребления.Показатель энергии, потребляемой узлом BSN, предлагается в [34, 35], который состоит из гибридного метода, основанного на спецификациях подсистемы потребления тока и реальной или смоделированной информации синхронизации для каждой подсистемы BSN. Уровни напряжения батареи измеряются АЦП микроконтроллера в используемом коммерческом узле WSN. Информация о напряжении аккумулятора, потреблении тока и времени дает информацию о потреблении энергии на уровне узла и подсистемы.

Вклад текущей работы по сравнению с работой предыдущих авторов [34, 35] заключается в объединении теоретического моделирования, проектировании и разработке имитатора энергопотребления для конкретных приложений TinyOS, а также в представлении теоретических и процесс моделирования проектируемых и разрабатываемых модулей учета энергопотребления.В частности, в последней части этой работы мы представляем параметры, задействованные в процессе проектирования и разработки, набор измерений, проведенных для различных приложений TinyOS, процесс оптимизации для минимизации погрешности измерения в электронных модулях измерения и богатый набор параметров. набор новых данных, касающихся приложений TinyOS, результатов моделирования, данных измерений и сравнения каждой части платформы с одним из электронных модулей измерения. Текущая работа поддерживает идею о том, что потребление энергии WSN-BSN должно быть изучено с учетом всей системы «узла WSN-BSN и работающего приложения.«Эта концепция раскрывает два фронта оптимизации энергопотребления: маломощную электронику для реализации узла и энергоэффективную оптимизацию работы приложений.

3. Допущения, принятые для структуры энергопотребления

Сеть датчиков тела развернута в стандартных лабораторных условиях и контролирует температуру как типичный случай биосигнала для применения на теле и внутри тела. Датчики температуры прикреплены к коммерчески доступному сенсорному узлу Tmote Sky, варианту TelosB, который используется для развертывания сети.Множественные частоты дискретизации используются для исследования влияния дискретизации на общее энергопотребление узла. Обработка полученного временного ряда производится в подсистеме микроконтроллера узла BSN.

Принимается во внимание сеть датчиков тела с одним прыжком, когда три узла связываются с центральным точечным узлом BSN, который собирает данные из сети. Связь осуществляется в режиме одиночного перехода посредством широковещательных радиочастотных сообщений, создаваемых подсистемой радиосвязи каждого узла, который реализует IEEE 802.15.4 стандарт. Считается, что радиочастотная среда включает только потери на трассе.

Основное внимание уделяется общему потреблению энергии каждым узлом, на котором выполняются приложения TinyOS, специально разработанные для мониторинга и обработки температуры BSN. Энергетическая модель узла, встроенная в имитатор энергии, учитывает потребление тока, предоставляемое производителями подсистем, и проверяется путем измерения усредненного потребления тока при каждом возможном энергетическом состоянии. Рассматриваемая энергетическая модель является приближенной моделью, описанной в разделе обзора литературы, в которой не учитываются энергетические переходные состояния из-за малого временного окна и низкой энергии, рассеиваемой при каждом переходе.

Переходы между различными энергетическими состояниями, которые произошли во время работы подсистем узла, рассматриваются как аддитивный фактор в общем потреблении энергии. Доля энергии, потребляемой во время перехода, по сравнению с общим потреблением энергии из-за работы подсистемы мала. Однако теоретический инструмент не учитывает энергию, потребляемую во время переходов. Это предположение необходимо, чтобы избежать сложностей при оценке потребления энергии теоретическим подходом, хотя оно является причиной отклонения фактического потребления энергии от расчетного.Это предположение является разумным, поскольку оно предлагается в многочисленных ссылках и обзорах литературы по приближенным энергетическим моделям.

Три прототипа электронных измерительных модуля спроектированы и разработаны для модульного использования над любым коммерческим узлом WSN и BSN. Основные требования для расчета энергии — это априорное знание временной функции напряжения, наведенного на узле BSN, временной функции потребляемого тока и информации о синхронизации для работы узла.

В данной работе напряжение обеспечивается аналого-цифровым (АЦП) компонентом подсистемы микроконтроллера. Согласно спецификациям микроконтроллера (MCU) MSP430, используемого в реализации Tmote Sky, внутренняя часть АЦП микроконтроллера может использоваться для считывания и контроля напряжения батареи с течением времени. Временные выборки напряжения батареи представляют собой серию показаний напряжения во времени, которые обеспечивают временную функцию напряжения батареи, наведенного на узле BSN.

Основная роль трех электронных измерительных модулей заключается в обеспечении функции тока, потребляемого узлом и подсистемами BSN с течением времени.Информация о времени предоставляется и используется различными источниками, такими как измерения выходного осциллографа прототипов модулей, виртуальная синхронизирующая машина имитатора энергии и внутренний АЦП подсистемы микроконтроллера.

Показатель общего энергопотребления и энергопотребления подсистем принят, сформулированный в E / V , который выражается в. Номинал представляет собой потребление энергии, а знаменатель — постоянное во времени напряжение, которое в данном случае является точкой отсчета. Если временное окно наблюдения, касающееся напряжения батареи, достаточно мало, напряжение считается постоянным во времени и, таким образом, может использоваться в качестве контрольной точки для включения информации о потребляемом токе и времени.Однако методология разработки предлагаемой структуры позволяет включать временную функцию напряжения батареи, потребление тока и информацию о времени для извлечения оценки потребления энергии и проверки достоверности измерений.

4. Предлагаемая методология
4.1. Разработанные приложения TinyOS

TinyOS — это операционная система с открытым исходным кодом, которая поддерживает nesC и широко используется в коммерческих и исследовательских приложениях WSN. NesC основан на соединении компонентов вместе, которые обеспечивают интерфейсы для целей связи с другими компонентами.

Поскольку подсистема радиосвязи BSN и IIMD считается самой затратной по энергопотреблению, предположение, которое в большинстве случаев остается верным, TinyOS предоставляет функцию под названием Low Power Listening (LPL), чтобы снизить потребление энергии во время работы радиосвязи. . По методике LPL подсистема радиосвязи включается в определенные периоды времени и проверяет наличие носителя. В случае радиосообщения подсистема остается активной для приема радиосообщения.

Семейство приложений TinyOS разработано для использования в качестве эталонных программных приложений при теоретическом расчете энергопотребления, оценке на основе программного обеспечения и валидации измерений энергопотребления с помощью трех электронных измерительных модулей. Основная часть приложений TinyOS, называемая осциллографом, по своим функциям напоминает устройство осциллографа, которое заключается в измерении выбранного биосигнала, температуры и сравнении значений полученных данных с заранее заданным порогом.При получении ряда показаний температуры (NREADINGS, как параметр в приложении) подсистема радиосвязи получает возможность прослушивать несущую, передавать полученные данные, а затем выключать радио в режиме LPL.

Кроме того, слияние данных реализовано как вторичный способ, помимо LPL, чтобы минимизировать радиопередачи и применять бортовую обработку данных путем активации подсистемы микроконтроллера (OscilloscopeFusion). Комбинация LPL и слияния данных нацелена на дальнейшую минимизацию энергопотребления.Каждые NREADINGS температуры в секции объединения данных происходит усреднение, и полученное значение сохраняется до тех пор, пока не станут доступны 10 усредненных значений, которые соответствуют NREADINGS выборкам температуры. Подсистема радиосвязи включается и передает РЧ-сообщение с 10 усредненными значениями в одном РЧ-сообщении (OscilloscopeWMR, With Management Radio).

Выбор алгоритма обработки зависит от характера дискретизированного биосигнала, частоты дискретизации и сложности реализации в подсистеме микроконтроллера.Приложения TinyOS семейства осциллографов обладают высокой гибкостью при реализации встроенных алгоритмов обработки, принимая во внимание вычислительную мощность как ограничение, ориентированное на ресурсы.

Еще одна ветвь приложений TinyOS, используемых в этой работе, основанная на семействе осциллографов, — это приложения CountToLeds-CountToRadio. Основным отличием приложений семейства CountTo от приложений семейства осциллографов является использование счетчика подсистемы микроконтроллера для подсчета между интервалами вместо получения данных от сенсорной подсистемы.Этапы взаимодействия и обработки являются общими для двух семейств приложений TinyOS.

4.2. Теоретический инструмент для расчета энергопотребления

Теоретический расчет энергопотребления для приложений семейства TinyOS, выполняемых в узлах BSN, основан на гибридном подходе. Теоретическая модель объединяет математическую формулу E / V для суммирования энергопотребления отдельных подсистем с информацией о времени, полученной либо на этапе моделирования, либо на основе процедур измерения.Информация о текущем потреблении для каждой подсистемы и состоянии энергии берется из спецификации производителя. Однако на этапе измерения это подтверждается тремя прототипами электронных модулей, которые используются для текущего контроля каждой подсистемы.

Информация о времени является важным элементом предложенной теоретической процедуры, которая обеспечивает период времени для работы каждой подсистемы в определенных энергетических состояниях. Переменная времени зависит от запущенного приложения на борту узла BSN.Если информация о синхронизации из выходных данных имитатора энергии включена, ожидается отклонение от фактической синхронизации из-за допущений, наложенных при разработке приближенной модели энергии имитатора, и косвенного способа извлечения информации о синхронизации для подсистемы микроконтроллера.

Информация о напряжении батареи предоставляется АЦП подсистемы микроконтроллера; однако ожидается, что через короткий период времени уровень напряжения будет постоянным и неизменным во времени.

Уравнение теоретической модели энергопотребления узла BSN выражается следующим образом: где — ток, потребляемый подсистемой микроконтроллера за период времени, — ток, потребляемый подсистемой радиосвязи в состоянии прослушивания канала в течение периода времени, — ток, потребляемый подсистемой радиосвязи в состоянии приема данных за период времени, и представляет собой ток, потребляемый подсистемой радиосвязи в состоянии передачи данных за период времени.Суммарный член представляет собой совокупную модель энергопотребления всех других подсистем, которые в основном относятся к энергопотреблению сенсорной подсистемы и работе флэш-памяти. При кратковременном наблюдении переходы энергетических состояний микроконтроллера и подсистем радиосвязи считаются незначительными в приближенной энергетической модели.

Условия (1) подробно анализируются как сумма энергозатрат, соответствующих различным энергетическим состояниям каждой подсистемы.Теоретическая модель может быть адаптирована в соответствии с конкретной работой каждого приложения TinyOS, реализованного на узлах BSN. Первым шагом для теоретического расчета энергопотребления узлов BSN является анализ работы на уровне подсистемы и формулировка соответствующего математического выражения.

Ниже мы приводим пример этой процедуры для приложения TinyOS. Первоначально подсистема радиосвязи находится в состоянии энергии сна, а микроконтроллер находится в режиме состояния энергии LPM3 (микроконтроллер узла BSN на основе Tmote Sky имеет 5 различных энергетических состояний для работы микроконтроллера, обозначенных как LPM0 – LPM4).Потребление тока при LPM3 по данным производителя составляет 10 мкА. Микроконтроллер ADC запускает выборку датчика температуры. Каждый раз, когда происходит новая выборка, содержимое регистра данных направляется в подсистему радиосвязи для передачи через широковещательное РЧ-сообщение. В промежутке между измерениями микроконтроллер и подсистема радиосвязи переходят в спящий режим. При получении нового чтения данных радиоподсистема «просыпается» и изменяется энергетическое состояние.

Работа приложения TinyOS на основе осциллографа приводит к формулировке математического уравнения для теоретической оценки энергопотребления на узле BSN, изображенного на: где — ток, потребляемый микроконтроллером в период времени состояния сна, — общий ток потребления подсистема радиосвязи в режим прослушивания, передачи или приема в течение периода времени, это общее потребление тока подсистемой микроконтроллера, которая переходит из состояния сна в LPM3 в течение периода времени, это потребление тока сенсорной подсистемой в течение периода времени, потребление тока при переходе энергетических состояний за период времени, и представляет собой текущее потребление подсистемы MCU для перехода энергетических состояний из спящего режима в LPM3.

Формулировка конкретного теоретического анализа TinyOS может разумно игнорировать термины, и при условии, что эти значения достаточно малы по сравнению с другими условиями потребления тока (порядок величины был бы подходящим критерием) и не вносит значительного вклада в результат.

4.3. Оценка энергопотребления BSN на основе симулятора

Вариант PowerTOSSIM, называемый PowerTOSSIM-z, используется для программной оценки энергопотребления в приложениях TinyOS, работающих на узлах BSN.Адаптация имитатора энергии имеет решающее значение для оценки энергопотребления, чтобы соответствовать потребностям доступной архитектуры узла BSN, основанной на Tmote sky.

Перекалибровка симулятора проходит в два направления. Сначала требуется приблизительная энергетическая модель, которая включает необходимые виртуальные подсистемы, которые точно соответствуют подсистемам фактического узла BSN. На следующем этапе происходит калибровка новой приближенной энергетической модели. Подсистема микроконтроллера ставит задачу разработки модели достаточного энергопотребления и подходящей виртуальной машины событий.Эта проблема решается путем сопоставления основных блоков кода приложения TinyOS с циклами работы для каждого приложения. Таким образом, косвенная оценка потребления энергии микроконтроллером извлекается из программного обеспечения общего потребления энергии, вызванного выполнением приложения на узле BSN.

Симулятор энергии отслеживает состояние энергии для каждой виртуальной подсистемы, выводя соответствующие сообщения о переходах между состояниями энергии, когда код запускается на виртуальной машине симулятора.В конце моделирования создается файл журнала с сообщениями виртуальных подсистем о переходах между энергетическими состояниями и информацией о виртуальном времени. Информация о потреблении энергии получается путем обработки файла журнала для различных состояний энергии подсистем BSN, а также информации о виртуальном времени.

Перекалибровка приблизительной модели энергопотребления осуществляется путем проведения измерительной кампании с использованием электронных модулей учета, разработанных для мониторинга энергопотребления на узлах BSN.Результат этого процесса показан в Таблице 1, которая включает результаты измерения потребления тока узлом BSN для параметризации модели энергопотребления симулятора.

9000
46 000
46 000
46

Подсистема Потребление тока (мА)

Светодиод 0 (красный) 3,30
желтый
Светодиод 2 (синий) 3.53

Радиоприем +
микроконтроллер (MCU)
19.95

Радиопередача +
микроконтроллер (MCU)
46
1839 Радио прослушивание + микроконтроллер
(MCU)
18,86

Следующий шаг, адаптация архитектуры и разработка модифицированной модели энергопотребления для симулятора, продолжается с проверкой путем загрузки файла Приложения на основе осциллографов TinyOS.Существенная характеристика этих приложений связана с априорной идентификацией конкретных операций и энергетических состояний, которые имеют место во время выполнения каждого приложения. Показательный пример изображен на рисунке 1, где приложение OscilloscopeWMR измеряет температуру и передает ее в BSN. В промежутках времени между последовательными выборками состояние энергии радиоподсистем переходит в спящий режим; таким образом снижается потребление энергии.


Семейство осциллографов Приложения TinyOS, разработанные в контексте текущей исследовательской работы, также были представлены в предыдущей работе [34, 35] вместе с методами оптимизации энергопотребления.Результаты проверки энергетической модели симулятора, показанные на рисунке 1, сверяются с результатами теоретической модели. Приблизительное теоретическое выражение энергетической модели работы осциллографа WMR для периода времени 100 мс и количества переданных отсчетов (1 отсчет) составляет

Оценка энергопотребления осциллографа WMR из имитатора энергии составляет 0,146 мА с за период времени. Имеется занижение на 9%, что связано с допущениями, сформулированными в приближенной модели энергии симулятора энергии в отношении создания энергетических состояний виртуальной машины и синхронизации подсистемы MCU и подсистемы радиосвязи.

4.4. Электронные измерительные модули для измерения энергопотребления BSN

Методики использования аппаратного обеспечения для измерения энергопотребления в BSN и IIMD вызвали небольшой интерес в исследовательском сообществе. Большинство реализаций предлагают дорогостоящие решения, непригодные для крупномасштабных сетей.

В данной работе предложены три прототипа электронных измерительных модулей для мониторинга энергопотребления. Основная цель дизайна — дешевое решение с высокой точностью и модульностью.Подходящий динамический диапазон при мониторинге потребления тока считается ключевым требованием, поскольку потребление тока в узлах BSN может варьироваться до трех порядков в зависимости от операций, выполняемых приложениями TinyOS (от нескольких мкА до нескольких тысяч мкА). Электронные измерительные модули имеют небольшой размер и низкое энергопотребление.

4.4.1. Электронный измерительный модуль на основе шунтирующего резистора

Основной подход, лежащий в основе первого электронного модуля потребления энергии BSN, основан на шунтирующем резисторе, который устанавливается между узлом BSN с батарейным питанием и резервуаром энергии, в данном случае батареями.Он контролирует зависимость напряжения от времени на шунтирующем резисторе. Шунтирующий резистор высокой точности используется для получения функции времени потребления тока. В этом случае шунтирующий резистор должен удовлетворять двум противоречивым условиям. Первый предполагает, что значение шунтирующего резистора должно быть достаточно высоким, чтобы определять напряжение на нем, а второй устанавливает шунтирующий резистор на сверхнизкое значение, чтобы не нарушать питание узла BSN.

При постоянном напряжении батареи в течение коротких периодов времени текущая информация, предоставляемая измерительным модулем, позволяет вычислить общее энергопотребление узла BSN как произведение измеренного АЦП напряжения батареи, потребления тока и информации синхронизации.

Моделирование электронного модуля с помощью типичного имитатора электронных схем предоставляет информацию о моделируемых рабочих характеристиках модуля. Значения для элементов, используемых при проектировании электронного модуля на этапе моделирования:,,. На рисунке 2 изображена реальная конструкция первого электронного измерительного модуля.


Отклонение смоделированного выходного сигнала от теоретически рассчитанного выходного сигнала вычисляется по формуле где — теоретически ожидаемое значение, Усиление зависит от выбора резистора и связано со спецификациями инструментального усилителя AD620, и является выходным напряжением. в процессе моделирования.

Основным источником отклонений в диапазоне малых токов (мкА) является напряжение смещения инструментального усилителя. На рисунках 3 и 4 показано отклонение в диапазоне сотен мкА (типичный диапазон потребления тока в BSN) до и после компенсации напряжения смещения в электронном измерительном модуле на основе шунтирующего резистора. Ограничение напряжения смещения приводит к отклонению менее 0,6% для диапазона малых токов (мкА) и менее 0,05% в диапазоне мА.



На этапе разработки проверка правильности работы в соответствии с проектными спецификациями по точности выполняется путем замены узла BSN на набор высокоточных резисторов в диапазоне от 100 Ом до 500 кОм.Результаты процесса проверки показаны на рисунке 5. Отклонение, согласно (4), порядка 20% в диапазоне тока, меньшем или равном 10 мкА, оказывает незначительное влияние на общее потребление энергии, поскольку избыточное потребление энергии составляет минимальный в этом небольшом диапазоне тока. Для типичного случая потребления тока в узлах BSN в диапазоне сотен мкА отклонение составляет менее 5%, достигая 0,4% при 100 мкА.


4.4.2. Конденсаторный электронный измерительный модуль

Что касается второго электронного измерительного модуля, конденсатор первоначально заряжается током, потребляемым, кратным току, потребляемому узлом BSN.Когда напряжение конденсатора равно верхнему порогу напряжения, процесс разряда начинается до тех пор, пока напряжение конденсатора не упадет до нижнего порога напряжения. В каждом цикле заряда / разряда вырабатывается импульс постоянной энергии. Длительность импульса пропорциональна току, потребляемому узлом BSN.

Выразив работу электронного измерительного модуля на основе последовательных циклов заряда и разряда конденсатора в математической формуле, получаем (5) для схемы на Рисунке 6: где и — сопротивления токового зеркала, которое также включает операционный усилитель и MOSFET для достижения равных напряжений на транзисторах и.В этом случае ток, заряжающий конденсатор, пропорционален току, потребляемому узлом BSN.


Постоянная передача энергии за цикл заряда / разряда зависит от емкости, верхнего и нижнего пороговых значений напряжения и резисторов и используется при реализации электронного измерительного модуля. Следовательно, измерение общего энергопотребления сводится к подсчету количества импульсов.

Усреднение во временной области дает интуитивно понятное математическое уравнение (6) для расчета потребления тока узлом BSN путем измерения частоты импульсов, генерируемых в каждом цикле заряда / разряда конденсатора (рисунок 7): где — усредненное потребление тока узлом BSN, — средняя частота последовательности импульсов, а α — постоянный коэффициент, равный.


Значения элементов, используемых при моделировании электронного модуля, равны = 50 кОм, = 3,5 кОм, = 1 кОм, 1 Ом, Ом и нФ.

Отклонение между смоделированным и теоретически ожидаемым выходом после процедуры компенсации напряжения смещения находится в диапазоне 10% для значений потребления тока менее 20 мкА. В диапазоне потребляемого тока от сотен мкА до нескольких мА отклонение составляет менее 2%.

Разработка предлагаемого электронного модуля учета после доработки на этапе моделирования продолжается с проверкой правильности работы, которая аналогична процедуре, описанной в первом электронном модуле.

4.4.3. Электронный измерительный модуль на основе iCount

Метод iCount основан на пропускной способности счетных циклов с частотно-импульсной модуляцией регулятора переключения узлов [36]. Количество энергии, передаваемой в каждом цикле переключения, постоянно при постоянном входном напряжении. Таким образом, показана линейная зависимость между током BSN и частотой. Диапазон линейности разброс от 5 мкА до 35 мА для потребляемого тока и постоянных входных напряжений в диапазоне 2-3 В. Схема реализованной технологии iCount изображена на рисунке 8.


Для индуктивности = 45 мкГн и емкости = 10 мкФ динамический диапазон частот переключения максимален для вышеупомянутого диапазона тока. Более низкие значения индуктивности или емкости приводят к сохранению линейности для меньшего диапазона частот переключения.

Результаты моделирования электронного измерительного модуля, реализующего технологию iCount, показаны на рисунке 9 для широкого диапазона входного напряжения от 1,6 В до 3,09 В.


Имеется нарушение линейности для потребления тока BSN в диапазоне 25 мА для входного напряжения ниже 1.9 В. В частности, в узлах BSN с батарейным питанием уровни напряжения батареи влияют на линейность электронного измерительного модуля даже в диапазоне 20 мА для входных напряжений 1,6 В.

Измерение частоты коммутации позволяет выполнять прямой расчет потребления тока BSN, согласно моделированию с помощью метода iCount, как показано на рисунке 10.


5. Результаты

Приложения TinyOS, разработанные для мониторинга биосигналов в узлах BSN, используются для проверки оценки энергопотребления. и результаты измерений.Семейство приложений TinyOS, Осциллограф, используется для измерения температуры.

В таблице 2 показано потребление тока для серии приложений TinyOS-2.x на основе осциллографа, измеренное с помощью электронного измерительного модуля, который основан на шунтирующем резисторе. В отношении периода времени рассматривается общая основа для получения сравнительных результатов.

000 0009 с LPL
(NREADINGS = 10)
(период пробуждения = 20 мсек)
36

6


36

, период пробуждения


Приложения TinyOS-2.x Потребление тока (мАсек) за период времени 9.767 с

Осциллограф
(NREADINGS = 1)
186.653

Осциллограф WMR
74,444

Осциллограф с LPL
(NREADINGS = 10)
(период пробуждения = 100 мсек)
42.223

Осциллограф WMR
(NREADINGS = 10)
4,474

Осциллограф Fusion с периодом LPL
Осциллограф Fusion с LPL
(период пробуждения = 100 мс)
22,244

OscilloscopeFusionWMR 0.635

Производительность приложений TinyOS-2.x с точки зрения общего потребления тока зависит от направлений разработки и реализации приложений. Внедрение методов оптимизации для минимизации энергопотребления нацелено на сокращение использования дорогостоящих энергозатратных подсистем, таких как подсистема радиосвязи. Комбинация этого метода с режимами прослушивания с низким энергопотреблением в приложениях TinyOS оказывает прямое влияние на энергоэффективность узлов BSN.На рисунке 11 показан типичный случай для двух приложений TinyOS, основанных на осциллографе, который периодически измеряет биосигнал (температуру) и включает подсистему радиосвязи только после сбора и обработки определенного количества показаний температуры.


Реализация методов малой мощности и методов обработки временных рядов подтверждает, что энергоэффективные подходы, применяемые к узлам BSN, имеют положительное влияние с точки зрения потребления энергии. Кроме того, исследуется влияние частоты дискретизации на общее потребление энергии.По мере увеличения частоты дискретизации потребление энергии сенсорной подсистемой имеет тенденцию к увеличению. Более того, частая выборка дает больше данных на узле, что увеличивает энергетическую нагрузку на подсистему радиосвязи. Методы обработки, применяемые к временным рядам собранных данных, сокращают объем передаваемых данных, а значит, и общее потребление энергии.

На рисунке 12 показаны сравнительные результаты энергопотребления теоретической модели, имитатора энергии и электронных модулей учета.Тестируемый биосигнал — это температура с небольшой частотой дискретизации. В таблице 3 приведены сравнительные результаты энергопотребления в различных приложениях TinyOS, выполняемых на узлах BSN. Результаты измерений электронной измерительной схемы шунтирующего резистора используются в качестве контрольной точки для целей сравнения.

9ad70003 1,872 9000io3 371

8

Между теоретической моделью, выходными данными имитатора энергии и измерениями электронных модулей измерения показаны совпадающие результаты с точки зрения потребления энергии, как показано на Рисунке 12.Общая картина показывает аналогичные результаты измерения, моделирования и теоретических методов, однако при оценке потребления тока на основе программного обеспечения; он имеет тенденцию занижаться из-за приблизительной модели энергии и информации о времени, которая создается виртуальной машиной за имитатором энергии.

Относительное отклонение между модулем на основе конденсатора, модулем шунтирующего резистора, модулем на основе iCount, имитатором энергии и теоретической моделью находится в диапазоне менее 10% по сравнению с электронным измерительным модулем шунтирующего резистора.Только в одном случае относительное отклонение находится в диапазоне 22,7%, что недооценивает общее потребление энергии из симулятора энергии. Непрямая оценка потребления энергии микроконтроллером и переходы между состояниями энергии, которые не принимаются во внимание, объясняют разницу в результатах моделирования энергии от измерения электронного измерения шунтирующего резистора.

Один интересный момент из результатов сравнения таблицы 3 — уменьшение различий во всех методах, когда приложение реализует меньше процедур оптимизации энергопотребления.Сосредоточение внимания на приближенном имитаторе энергии и инструменте теоретической оценки, меньшее количество процедур оптимизации энергопотребления положительно влияет на более точную информацию о времени, извлеченную из виртуальной машины симулятора. С другой стороны, когда применяются процедуры оптимизации энергопотребления, такие как прослушивание с низким энергопотреблением с или без управления подсистемой радиосвязи, извлеченная информация о синхронизации, по-видимому, недооценивает переходы между состояниями энергии, что влияет на точность результата энергопотребления.

Точность электронных модулей учета считается достаточно приемлемой. Даже в приложениях TinyOS с низким энергопотреблением с методами оптимизации, несмотря на то, что результаты моделирования на этапе проектирования электронных модулей учета выявили повышенное отклонение измеренного выхода от теоретически ожидаемого значения потребления тока, три модуля работают надежно в области их низкая чувствительность, соответствующая потребляемому току порядка мкА.При повышенном потреблении тока точность контроля повышается за счет высокой чувствительности в области потребления тока порядка от 10 мкА до тысяч мкА.

Концепция использования электронных модулей учета в текущей работе заключается в априорной проверке теоретического моделирования и результатов моделирования энергопотребления с помощью измерений энергопотребления. Резервуар энергии для электронных модулей учета отличается от резервуара энергии узла BSN-WSN. Грубое сравнение потребления тока между тремя компонентами соответствующего электронного измерительного модуля показывает, что ток покоя AD620 равен 0.В типичных случаях 9 мА, в то время как для LTC3525 всего 7 мкА, а для второго электронного модуля измерения ожидается, что он будет выше 1 мА. Что касается индивидуального потребления тока тремя электронными измерительными модулями, второй, основанный на методе iCount, кажется, потребляет меньше энергии, сохраняя при этом чувствительность и точность измерения для широкого диапазона входных напряжений BSN-WSN.

6. Обсуждение

Подсистема управления энергоресурсами является критическим компонентом в узлах BSN и IIMD, поскольку сокращение срока службы и недостаток адекватной мощности может поставить под угрозу функциональность и надежность сети.Моделирование и теоретические инструменты необходимы при разработке энергоэффективных приложений для сетей датчиков тела. Результаты измерений подтверждают доступный инструмент, обеспечивая ценную информацию о фактическом потреблении энергии на узлах BSN.

Топология сети проста для представленной методологии оценки, поскольку нас интересует структура энергопотребления сетей мониторинга здоровья тела.

Электронные измерительные модули обеспечивают точную временную функцию тока, потребляемого узлами BSN или IIMD.Эта информация объединяется с выборкой уровней напряжения батареи и информацией о синхронизации для получения точной характеристики энергопотребления узловой системы BSN или системы IIMD. Проблема энергопотребления в BSN и IIMD представляет целостный подход к определению профиля энергии, который состоит из сверхмалой мощности электроники, энергоэффективных приложений и средств для определения энергии, потребляемой в узлах BSN и IIMD.

Единая структура с компонентами теоретической модели энергопотребления, моделирование приблизительных моделей энергопотребления и электронные измерительные модули облегчают изучение проблемы энергопотребления в сетях датчиков тела.В этой работе представлена ​​структура оценки энергопотребления, которая состоит из теоретических инструментов расчета, моделирования энергетической сигнатуры приложений и трех прототипов электронных измерительных модулей для точного измерения энергопотребления.

Выводы, сделанные на основе этой структуры, позволяют проектировать энергоэффективные аппаратные и программные решения для узлов BSN и тестировать производительность предложенного решения с точки зрения общего энергопотребления. Кроме того, экспериментальные измерения энергопотребления узла BSN с помощью электронных модулей учета, прикрепленных к узлам, подтверждают в реальном времени эффективность методов энергосбережения для продления срока службы узла и сети.В случае применения BSN и IIMD в клинической практике продление срока службы сети и узла связано с комфортом пациента и минимизацией инвазивных процедур для замены истощенного резервуара энергии.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Энергетические потребности человека

Энергетические потребности человека


Потребности человека в энергии оцениваются по расход энергии плюс дополнительные потребности в энергии для роста, беременности и кормление грудью.Рекомендации по потреблению калорий из пищи должны удовлетворять эти требования для достижения и поддержания оптимального здоровья, физиологическая функция и благополучие. Последнее (то есть благополучие) зависит не от только на здоровье, но и на способность удовлетворить требования, предъявляемые общества и окружающей среды, а также всех других энергоемких деятельность, отвечающая индивидуальным потребностям.

Энергетический баланс достигается при вводе (т.е. потребление) равно выходу (т.е. общий расход энергии) плюс стоимость энергии роста в детстве и беременности, или затрат энергии на производство молока во время кормление грудью. Когда энергетический баланс поддерживается в течение длительного периода, считается, что человек находится в устойчивом состоянии. Это может включать короткие периоды в течение которого ежедневный баланс между потреблением и расходом не происходить. Оптимальное устойчивое состояние достигается, когда потребление энергии компенсирует общий расход энергии и обеспечивает адекватный рост детей, и беременность и кормление грудью у женщин, без метаболических, физиологических или поведенческие ограничения, которые ограничивают полное выражение человека биологический, социальный и экономический потенциал.

В определенных пределах люди могут адаптироваться к временным или устойчивые изменения в потреблении энергии из-за возможных физиологических и поведенческих ответы, связанные с расходом энергии и / или изменениями в росте. Энергетический баланс сохраняется, и затем достигается новое устойчивое состояние. Однако корректировки низкое или высокое потребление энергии может иногда повлечь за собой биологические и поведенческие штрафы, такие как снижение скорости роста, потеря мышечной массы, чрезмерное накопление жира в организме, повышенный риск заболеваний, периоды вынужденного отдыха и физические или социальные ограничения при выполнении определенных действий и задач.Немного из этих корректировок важны и могут даже увеличить шансы на выживание во времена нехватки еды.

2.1 Определения

Адекватная здоровая диета должна удовлетворять потребности человека в энергии и все необходимые питательные вещества. Кроме того, диетические потребности в энергии и рекомендации нельзя рассматривать в отрыве от других питательных веществ в диета, так как отсутствие одного повлияет на другие. Таким образом, следующие определения основаны на предположении, что потребности в энергии будут выполняется за счет потребления диеты, которая удовлетворяет все питательные вещества потребности.

Энергетическая потребность — количество пищевой энергии необходим для баланса расхода энергии для поддержания размеров тела, тела состав и уровень необходимой и желательной физической активности согласованы с долгосрочным хорошим здоровьем. Сюда входит энергия, необходимая для оптимального роста и развития детей, по отложению тканей во время беременность, а также секреция молока во время лактации в соответствии с крепкое здоровье матери и ребенка.

Рекомендуемый уровень калорийности рациона для группы населения — это средняя потребность здоровых людей в энергии, хорошо питающиеся люди, которые составляют эту группу.

Исходя из этих определений, основная цель оценка энергетических потребностей — это назначение диетической энергии которые совместимы с долгосрочным хорошим здоровьем. Следовательно, уровни энергии потребление, рекомендованное этой экспертной консультацией, основано на оценках потребности здоровых, хорошо питающихся особей .это признали, что некоторые группы населения обладают особыми характеристиками общественного здравоохранения которые являются частью их обычной «нормальной» жизни. В первую очередь это население группы во многих развивающихся странах, где есть много младенцев и дети, страдающие от легкой до средней степени недоедания и которые испытывают частые эпизоды инфекционных заболеваний, в основном диарейных и респираторные инфекции. В этом отчете особое внимание уделяется таким субпопуляции.

2.1.1 Суточная потребность в энергии и дневная энергия воздухозаборники

Энергетические потребности и рекомендуемые уровни потребления часто называется суточная потребность или рекомендуемая суточная доза . Эти термины используются для удобства и условности, указывая на то, что потребность представляет собой среднее значение потребности в энергии за определенное количество дней, и что рекомендуемое потребление энергии — это количество энергии, которое должно поступать в среднем за день в течение определенного периода времени.Здесь нет подразумевается, что именно такое количество энергии должно потребляться каждый день, ни что потребность и рекомендуемая доза постоянны изо дня в день. Ни один есть ли какое-либо биологическое основание для определения количества дней, в течение которых потребность или потребление должны быть усреднены. Для удобства, принимая во внимание учтите, что физическая активность и пищевые привычки могут меняться в некоторые дни недели, периоды семи дней часто используются при оценке среднесуточных расход энергии и рекомендуемая суточная доза.

2.1.2 Средняя потребность и индивидуальные вариация

Оценки потребности в энергии получены на основе измерений лиц. Измерения совокупности одинаковых особей пол и аналогичный возраст, размер тела и физическая активность сгруппированы вместе, чтобы укажите среднюю потребность в энергии — или рекомендуемый уровень диетического потребления — для класса человек или группы населения .Эти требования затем используются для прогнозирования требований и рекомендуемых уровней энергии потребление для других лиц с аналогичными характеристиками, но на кого замеры не производились. Хотя люди в данном классе соответствует характеристикам, которые могут повлиять на требования, таким как пол, возраст, размер тела, состав тела и образ жизни остаются неизвестными факторами, которые производить различия среди людей. Следовательно, существует распределение потребности внутри класса или группы населения (ВОЗ, 1985) (рисунок 2.1).

РИСУНОК 2.1
Распределение потребности в энергии группа населения или класс лиц *

* Предполагается, что индивидуальные требования случайным образом распределены относительно средней потребности для класса лиц, и что распределение гауссово.
Источник. WHO, 1985.

Для большинства определенных питательных веществ определенное превышение не быть вредным.Таким образом, при расчете диетических рекомендаций для этих питательных веществ, различия между людьми в классе или группе населения принимается во внимание, а рекомендуемый уровень потребления — это количество, которое соответствовать или превосходить требования практически всех людей в группе. За Например, рекомендуемый безопасный уровень потребления белков — средний требование группы населения плюс 2 стандартных отклонения. Этот подход не может быть применен к рекомендациям диетической энергии, потому что потребление превышает требования приведут к положительному балансу, что может привести к избыточному весу и ожирение в долгосрочной перспективе.Высокий уровень потребления энергии, обеспечивающий низкий вероятность дефицита энергии для большинства людей (например, средняя потребность плюс 2 стандартных отклонения) также подразумевает высокую вероятность ожирения для большинства люди из-за переизбытка калорий (рис. 2.2). Поэтому по согласованию с более ранними отчетами, эта экспертная консультация пришла к выводу, что дескриптор потребление калорий с пищей, которое можно безопасно рекомендовать населению группа оценивается в средней потребности в энергии из этого группа.

РИСУНОК 2.2
Вероятность того, что определенное потребление энергии неадекватно или чрезмерно для физического лица *

* Отдельные лица выбираются случайным образом из класса людей или группы населения. Две кривые вероятности перекрываются, поэтому уровень потребления энергии, обеспечивающий низкую вероятность получения энергии с пищей дефицит — это тот же уровень, который подразумевает высокую вероятность ожирения из-за избыток диетической энергии.
Источник: ВОЗ, 1985.

2.2 Источники питания энергия

Энергия для метаболических и физиологических функций человека происходит из химической энергии, связанной с пищевыми продуктами, и ее макроэлементами. составляющие, т.е. углеводы, жиры, белки и этанол, которые действуют как субстраты или топливо. После проглатывания пищи ее химическая энергия высвобождается и преобразуется в термическую, механическую и другие формы энергии.

Этот отчет касается требований к энергии, которые должны быть удовлетворены адекватно сбалансированным питанием и не делают конкретных рекомендации по углеводам, жирам или белкам.Отчеты других ФАО и Группы экспертов ВОЗ обращаются к этим темам. Тем не менее, следует отметить, что жиры и углеводы являются основными источниками пищевой энергии, хотя белки также обеспечивают большое количество энергии, особенно когда общая диетическая энергия потребление ограничено. Этанол не считается частью пищевой системы, но его вклад в общее потребление энергии нельзя не заметить, особенно среди население, регулярно употребляющее алкогольные напитки.С учетом среднего кишечная абсорбция, а также азотистая часть белков, которая не может полностью окисляться, средние значения метаболизируемой энергии обеспечиваются субстраты в смешанной диете составляют 16,7 кДж (4 ккал) на грамм углеводов или белка и 37,7 кДж (9 ккал) на грамм жира. Этанол обеспечивает 29,3 кДж (7 ккал) за грамм. Энергетическая ценность пищи или диеты рассчитывается с применением этих факторы к количеству субстратов, определенному химическим анализом, или оценивается по соответствующим таблицам состава пищевых продуктов.Недавний связанный отчет от технический семинар ФАО предоставляет дополнительную информацию по этой теме (ФАО, 2003 г.).

2.3 Составляющие энергии требования

Человеческим существам энергия необходима для следующего:

  • Базальный Метаболизм . Он включает в себя ряд функций, которые необходимы для жизнь, например, функция и замена клеток; синтез, секреция и метаболизм ферментов и гормонов для транспортировки белков и других веществ и молекулы; поддержание температуры тела; бесперебойная работа сердечные и дыхательные мышцы; и функции мозга.Количество используемой энергии для основного метаболизма за период времени называется базальным метаболизмом коэффициент ( BMR ), и измеряется в стандартных условиях, которые включают бодрствование в положении лежа на спине после 10-12 часов голодания и восьми часов физического отдыха и нахождения в состоянии душевного расслабления в окружающем температура окружающей среды, не вызывающая выделения тепла или теплоотводящие процессы. В зависимости от возраста и образа жизни BMR составляет от 45 до 70 процентов дневных общих затрат энергии, и это в основном определяется возраст, пол, размер и состав тела человека.

  • Метаболический ответ на еда . Прием пищи требует энергии для переваривания и переваривания пищи. для абсорбции, переноса, взаимного превращения, окисления и осаждения питательные вещества. Эти метаболические процессы увеличивают выработку тепла и кислорода. потребление, и известны под такими терминами, как диетический термогенез , специфическое динамическое воздействие пищи и термический эффект кормления .Метаболический ответ на пищу увеличивает общую энергию расходы примерно на 10 процентов от BMR за 24-часовой период у физических лиц употребление смешанной диеты.

  • Физическая активность . Этот является наиболее изменчивым и, после BMR, вторым по величине компонентом ежедневного Расход энергии. Люди выполняют обязательные и дискреционные физические упражнения. Обязательных действий редко можно избежать в рамках заданного окружающей среде, и они навязываются человеку экономическими, культурными или социальные требования.Термин «обязательный» более обширен, чем термин «профессиональный», который использовался в отчете 1985 г. (ВОЗ, 1985) , потому что, в дополнение к профессиональной работе, обязательные действия включают повседневную деятельность такие как посещение школы, уход за домом и семьей и другие требования, предъявляемые на детей и взрослых по их экономическим, социальным и культурным среда.

    Дискреционная деятельность, но не социальная или экономически необходимы, важны для здоровья, благополучия и хорошего качества жизни в целом.Они включают регулярную физическую активность для фитнес и здоровье; выполнение дополнительных домашних заданий, которые могут способствовать семейному комфорту и благополучию; и участие в индивидуальном и социально желательная деятельность для личного удовольствия, социального взаимодействия и Сообщество по вопросам развития.

  • Рост . Стоимость энергии роста состоит из двух компонентов: 1) энергия, необходимая для синтеза растущего ткани; и 2) энергия, вложенная в эти ткани.Стоимость энергии роста составляет около 35 процентов от общей потребности в энергии в течение первых трех месяцев возраст, быстро падает примерно до 5 процентов в 12 месяцев и примерно до 3 процентов в второй год, остается на уровне 1-2 процентов до середины подросткового возраста и является незначительным в позднем подростковом возрасте.

  • Беременность . В течение беременность необходима дополнительная энергия для роста плода, плаценты и различные материнские ткани, такие как матка, грудь и жировые отложения, а также что касается изменений в метаболизме матери и увеличения материнских усилий в покой и во время физических нагрузок.

  • Лактация . Энергия Стоимость лактации состоит из двух составляющих: 1) энергетическая ценность молока секретный; и 2) энергия, необходимая для производства этого молока. Сытный кормящие женщины могут получить часть этого дополнительного требования из жировой ткани. запасы, накопленные во время беременности.

2.4 Расчет энергии требования

Общие затраты энергии свободно живущих людей могут быть измеряется с использованием метода воды с двойной меткой (DLW) или других методов, которые дают сопоставимые результаты.Среди них индивидуально откалиброванная частота пульса. Мониторинг успешно проверен. Используя эти методы, измерения общие затраты энергии за 24-часовой период включают метаболический ответ на питание и энергетические затраты на синтез тканей. Для взрослых это эквивалентно ежедневные потребности в энергии. Дополнительная энергия для отложения в растущих тканях необходим для определения потребности в энергии в младенчестве, детстве, подростковом возрасте и во время беременности, а также для производства и секреции молока во время кормление грудью.Его можно оценить из расчетов роста (или прибавки в весе). скорости и состава прибавки в весе, а также от среднего объема и состав грудного молока.

2.4.1 Факториальные оценки полной энергии расходы

Когда нет экспериментальных данных об общих расходах энергии. доступны, его можно оценить факториальными расчетами на основе времени выделяется на действия, которые выполняются обычно, и затраты на электроэнергию эти мероприятия.Факториальные расчеты объединяют два или более компонентов или «факторы», такие как сумма энергии, потраченной во время сна, отдыха, работы, выполнение общественных или дискреционных домашних дел, а также на досуге. Затраченная энергия в каждом из этих компонентов можно, в свою очередь, рассчитать, зная время для каждого вида деятельности и соответствующей стоимости энергии.

Как обсуждается в следующих разделах настоящего отчета, экспериментальное измерение общих затрат энергии и оценка рост и состав тканей позволяют делать надежные прогнозы относительно энергетические потребности и диетические рекомендации для младенцев и детей старшего возраста во всем мире.Особые соображения и дополнительные расчеты помогают формулирование рекомендаций для детей и подростков с разнообразными образ жизни.

Общие затраты энергии также измерялись по группам взрослых, но это было в основном в промышленно развитых странах. Вариации в размер тела, состав тела и привычная физическая активность среди населения различный географический, культурный и экономический фон затрудняет применять опубликованные результаты во всем мире.Таким образом, чтобы учесть различия в размерах и составе тела, потребности в энергии изначально были рассчитывается как кратное BMR. Затем они были преобразованы в единицы энергии с использованием известное значение BMR для популяции или среднее значение BMR, рассчитанное из средняя масса тела населения. Чтобы учесть различия в характерная физическая активность ассоциированного образа жизни, энергия потребности взрослых оценивались факторными расчетами с учетом учитывать время, отведенное на деятельность, требующую разного уровня физической нагрузки. усилие.

Также были учтены дополнительные потребности во время беременности и кормления грудью. рассчитывается с использованием факторных оценок роста матери и плода ткани, метаболические изменения, связанные с беременностью, а также синтез и секреция молока при лактации.

2.4.2 Выражение требований и рекомендации

Измерения расхода энергии и потребности в энергии рекомендации выражены в единицах энергии (джоули, Дж) в соответствии с международная система единиц.Потому что многие люди до сих пор привыкли к обычное использование термохимических единиц энергии (килокалорий, ккал), оба являются используется в этом отчете, где сначала указаны килоджоули, а во вторую — килокалории, в пределах круглые скобки и другим шрифтом (Arial 9). В таблицах значения для килокалории выделены курсивом тип. [2]

Пол, возраст и масса тела являются главными детерминантами общего Расход энергии. Таким образом, потребности в энергии представлены отдельно для каждого пол и различные возрастные группы, и выражаются как в единицах энергии в день и энергия на килограмм веса тела.Как размер тела и состав также влияют на расход энергии и тесно связаны с основным обменом веществ, требования также выражаются как кратные BMR.

2.5 Рекомендации по физ. деятельность

Определенный объем деятельности должен выполняться регулярно в для поддержания общего здоровья и физической формы [3] , для достижения энергетического баланса и снижения риска развития ожирения и сопутствующие заболевания, большинство из которых связано с малоподвижным образом жизни.Таким образом, эта экспертная консультация одобрила предложение о том, потребление калорий с пищей должно сопровождаться рекомендациями по соответствующий уровень привычной физической активности. В этом отчете представлены рекомендации для желаемого уровня физической активности, а также для продолжительности, частоты и интенсивность физических упражнений в соответствии с рекомендациями различных организаций опыт в области физической активности и здоровья. Он также подчеркивает, что уместные виды и объемы физических нагрузок, которые можно выполнять во время выступления обязательных или дискреционных действий, и что рекомендации должны учитывать культурные, социальные и экологические особенности целевая аудитория.

2.6 Глоссарий и сокращения

В дополнение к тем, которые определены в предыдущих разделах, В этом отчете используются следующие термины и сокращения. Они последовательны с определениями, используемыми в других связанных документах ВОЗ и ФАО (FAO, 2003; Джеймс и Скофилд 1990; ВОЗ, 1995).

Скорость основного обмена (BMR) : Минимальная скорость расход энергии, совместимый с жизнью. Измеряется в положении лежа на спине. в стандартных условиях покоя, голодания, неподвижности, термонейтральности и умственное расслабление.В зависимости от его использования ставка обычно выражается за минуту, час или 24 часа.

Индекс массы тела (ИМТ) : Показатель веса адекватность по отношению к росту детей старшего возраста, подростков и взрослых. это рассчитывается делением веса (в килограммах) на рост (в метрах), в квадрате. Допустимый диапазон для взрослых — от 18,5 до 24,9, а для детей — от 18,5 до 24,9. меняется с возрастом.

Вода с двойной меткой (DLW) метод : Метод, используемый для измерения средней полной энергии расходы свободно живущих людей в течение нескольких дней (обычно от 10 до 14), на основе исчезновения дозы воды, обогащенной стабильными изотопами 2 H и 18 O.

Потребность в энергии (ER) : Количество еды энергия, необходимая для баланса расхода энергии, чтобы поддерживать размер тела, тело состав и уровень необходимой и желательной физической активности, а также обеспечивают оптимальный рост и развитие детей, отложение тканей во время беременность и секреция молока во время кормления грудью в соответствии с длительным периодом хорошее здоровье. Для здоровых, хорошо питающихся взрослых это эквивалентно общему количеству Расход энергии.Есть дополнительная потребность в энергии для поддержки роста в детям и женщинам во время беременности, а также для производства молока во время кормление грудью.

Мониторинг сердечного ритма (HRM) : Метод измерения суточный расход энергии свободноживущих людей, основанный на соотношение частоты пульса и потребления кислорода и поминутно мониторинг пульса.

Общие затраты энергии (TEE) : Энергия потрачено, в среднем, за 24-часовой период отдельным лицом или группой частные лица.По определению, он отражает среднее количество энергии, затрачиваемой на типичный день, но это не точное количество энергии, затрачиваемой каждый раз день.

Уровень физической активности (PAL) : TEE за 24 часа выражается как кратное BMR и рассчитывается как TEE / BMR за 24 часа. У взрослых у мужчин и небеременных, не кормящих женщин, BMR, умноженное на PAL, равно TEE или суточная потребность в энергии.

Коэффициент физической активности (PAR) : Энергозатраты активности за единицу времени (обычно минуту или час), выраженную как кратное BMR.Он рассчитывается как энергия, затраченная на действие / BMR, для выбранная единица времени.

Источники

ФАО. 2003. Пищевая энергия — методы анализа и коэффициенты пересчета. Отчет технического семинара. ФАО Продовольствие и питание Документ № 77. Рим.

Джеймс, W.P.T. & Schofield, E.C. 1990. Человек потребности в энергии. Пособие для планировщиков и диетологов . Оксфорд, Великобритания, Oxford Medical Publications по согласованию с ФАО.

ВОЗ. 1985. Энергетические и белковые потребности: отчет. совместной консультации экспертов ФАО / ВОЗ / УООН. Серия технических отчетов ВОЗ No. 724. Женева.

ВОЗ. 1995. Физическое состояние: использование и интерпретация антропометрии. Отчет экспертного комитета ВОЗ. ВОЗ Серия технических отчетов № 854. Женева.



Приложения Методы
Потребление тока за период (мАсек)
Шунтирующий резистор На основе конденсатора iCount Теоретическая оценка iCount

CountToLeds 4.821 4,811 4,760 4,863 4,866
−0,2% 1,3% 0,9% 0,9%
0,9%
1,881 1,842 1,844
1,6% 2,1% −0,1% 0,1%

1,403 1,399 1,247 1,321
2,3% 2% −9% −3,7%
0,165 0,160 0,119 0,147
7,1% 3,9% −22,7% −4,5%
9406

[2] 1 джоуль (Дж) — это сумма механической энергии, необходимой для перемещения массы 1 кг на расстояние 1 м с ускорением 1 м в секунду (1 Дж = 1 кг × 1 м 2 × 1 сек -2 ).1 000 (килоджоулей, кДж) или 1 миллион (мегаджоули, МДж) используются в питании человека. Коэффициенты пересчета между джоули и калории составляют: 1 ккал = 4,184 кДж или, наоборот, 1 кДж = 0,239 ккал.
[3] Термин «фитнес» включает кардиореспираторное здоровье, соответствующий состав тела (включая распределение жира), мышечная сила, выносливость и гибкость. Фитнес может обычно описывается как способность выполнять физические упражнения от умеренной до высокой. активность без чрезмерной усталости.

Объяснение энергопотребления

Разговор о потреблении энергии может быть подобен минному полю заблуждений, предубеждений и маркетинговых модных словечек. Определить, что означают все утверждения на самом деле, не всегда простая задача.

Потребляемая мощность, измеряемая в ваттах (обычно в милливаттах, мВт), является правильным термином для приложений с низким энергопотреблением, но слишком часто вместо этого используется потребление тока, измеряемое в амперах (обычно миллиампер, мА).Поскольку мощность — это просто рабочее напряжение, умноженное на ток, это тривиально для операций с фиксированным напряжением, но становится сложнее оценить при использовании батарей, которые разряжаются, и напряжение изменяется со временем и условиями нагрузки.

Посетите нашу страницу ресурсов по беспроводной связи

Энергопотребление часто не имеет значения

Обычно потребление энергии, измеряемое в Джоулях (обычно в микроджоулях, мкДж), определяет, сколько энергии фактически потребляется от батареи для выполнения конкретной задачи.Потребление энергии будет составлять интеграл от потребляемой мощности за время, необходимое для выполнения операции. Опять же, для статических сигналов это было бы простым умножением потребляемой мощности и времени, но с изменяющимися сигналами это потребует более сложного анализа.

Энергопотребление наиболее важно при использовании источника питания с ограничением по току, такого как литий-ионная батарейка типа «таблетка». Эти батареи, популярные в небольших сенсорных гаджетах и ​​интеллектуальных устройствах, могут обеспечивать пиковый ток лишь в несколько мА без повреждения.Пытаясь получить более высокий пик, вы рискуете навсегда снизить емкость батареи, что может также повлиять на выходное напряжение. Пиковая потребляемая мощность не будет проблемой для приложений, в которых ток достаточен для поддержки пика.

Подробнее: Важность среднего энергопотребления для срока службы батареи

Дьявол в деталях

В технических характеристиках продукта

обычно указывается потребляемая мощность для различных модулей и условия работы MCU (микроконтроллерного блока).Цифры легко измерить, и они документировались таким образом на протяжении десятилетий. Но только недавно мы начали видеть показатели энергопотребления для устройств.

Отчасти проблема в том, что измерить уровни статического или пикового тока легко. Все стандартное квалификационное оборудование поддерживает это, и раньше оно давало большую ценность. Также легко понять, что для запуска ЦП, последовательной шины или другого аппаратного модуля, такого как радио, вам нужно добавить определенное количество мА к вашей общей сумме.

Вам не нужно путешествовать далеко во времени, чтобы найти устройства, спроектированные таким образом, чтобы такая информация позволяла получить разумную оценку энергопотребления для данного сценария. Вы можете оценить потребление энергии для того, чтобы ЦП не спал в течение определенного времени, или потребление энергии для отправки или получения данных через UART или с помощью радио.

В современном MCU комбинация функций, которые могут быть включены одновременно, очень быстро вырастает до ошеломляющего количества, поэтому будет невозможно охватить все эти комбинации в таблице данных.Это делает все более важным иметь возможность легко измерять эти сценарии.

Низкое энергопотребление с цифровыми воротами

Цифровые ворота стали дешевле, поскольку геометрия процесса усадки вводится каждый год, что приводит к появлению более сложных энергосберегающих конструкций. Например, способ, которым в прошлом проектировались большинство микроконтроллеров с распределением часов по всему устройству, теперь заменен решениями с более точным стробированием часов.

Это значительно помогает снизить энергопотребление, но все более затрудняет документирование энергопотребления таким образом, чтобы можно было оценить энергопотребление.Поскольку энергопотребление устройства становится все более динамичным, оно будет меняться в зависимости от того, что активно в данный момент. Устройства с более агрессивным дизайном для энергоэффективности будут иметь более динамичное энергопотребление.

Реальный пример

Внутри семейств микросхем Nordic Semiconductor nRF52 и nRF53 функциональные блоки, такие как регуляторы, генераторы и цифровая логика, запускаются и останавливаются в фоновом режиме по мере необходимости. Потребляемая мощность постоянно меняется, поэтому нет «статической» цифры для измерения.

При использовании ведущего устройства TWI потребляемая мощность может изменяться от однозначных мкА между передачей данных до нескольких сотен мкА при передаче данных. Если мастеру необходимо дождаться готовности данных от внешнего блока, энергопотребление перейдет на другой уровень, и части TWI отключатся, пока он простаивает.

Сложность прогнозирования энергопотребления возрастает, но в то же время значительно повышается энергоэффективность.

Один из способов оценить энергопотребление с помощью этих систем — создать меньшие по размеру части тестового программного обеспечения, а затем профилировать их мощность с помощью подходящих инструментов, чтобы модель соответствовала вашим требованиям.Онлайн-профилировщик мощности Nordic Semiconductor использует данные, собранные в результате реальных измерений, для работы радио, а затем извлекает из них данные для оценки энергопотребления.

Вот пример показания такого измерения nRF52832 (щелкните, чтобы увеличить версию)

В следующем посте я более подробно расскажу, как оптимизировать энергоэффективность интеллектуальных устройств.

Эта статья была впервые опубликована в октябре 2017 года

. Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *