能源自給低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們獲取信息的能力,它是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)物與物之間、物與人之間信息交互的橋梁和通道,它可以克服空間障礙,為人們提供準(zhǔn)確、及時(shí)、有效的信息。這無(wú)論是在國(guó)防還是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,均有著廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)社會(huì)生產(chǎn)生活中信息感知能力、信息互通性和智能決策能力的全面提升,為我國(guó)爭(zhēng)奪國(guó)際科技制高點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)“建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家”戰(zhàn)略性目標(biāo),推動(dòng)國(guó)家跨越式發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。為了在國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域技

2、術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中搶得先機(jī),針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用,我們需要研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù),提高我國(guó)在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
　　 本文是在天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“基于SOPC的低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及組網(wǎng)應(yīng)用研究”(08ZCKFGX00500)和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“多維多參量光纖光柵無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究”(項(xiàng)目編號(hào):2006AA01Z217)研究基礎(chǔ)上撰寫(xiě)的。本文在對(duì)該領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展進(jìn)行深

3、入分析的基礎(chǔ)上,對(duì)節(jié)點(diǎn)低功耗內(nèi)核設(shè)計(jì)、安全機(jī)制、能源供給方式和壓縮傳感理論的運(yùn)用等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究,提出了基于壓縮傳感理論數(shù)據(jù)采集技術(shù)的能源自給型低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　 本文以傳輸觸發(fā)機(jī)制為基礎(chǔ),采用16位RISC架構(gòu)體系,設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)安全的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)專(zhuān)用處理器。本文將指令總線與數(shù)據(jù)總線分離,在對(duì)算術(shù)邏輯單元、指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通用寄存器、程序指針及堆棧指針等處理器核設(shè)計(jì)

4、的基礎(chǔ)上,進(jìn)行SPI、L1ART、12C等多種通用接口模塊擴(kuò)展,以滿足與不同外設(shè)互聯(lián)的需要；另外,通過(guò)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)電源管理模塊,利用處理器多工作模式的動(dòng)態(tài)切換,完成了低功耗節(jié)點(diǎn)處理器的設(shè)計(jì)。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題,進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特性分析,結(jié)合其具體的安全機(jī)制制約因素,優(yōu)化節(jié)點(diǎn)加解密算法,以SOPC為平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了基于RC5加解密算法的協(xié)處理器設(shè)計(jì)。
　　 本文從傳感器節(jié)點(diǎn)能耗分析著手,設(shè)計(jì)了以太陽(yáng)能收集器為基礎(chǔ)的能源自給型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

5、節(jié)點(diǎn)能量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用適合小功率的MPPT算法,以超級(jí)電容作為系統(tǒng)能量存儲(chǔ)器,采用能量監(jiān)控機(jī)制,根據(jù)光線條件自適應(yīng)調(diào)整收集器管理系統(tǒng)工作狀態(tài),從而提高太陽(yáng)能利用率。通過(guò)分析太陽(yáng)能自給系統(tǒng)的能量動(dòng)態(tài)平衡方程,建立傳感器節(jié)點(diǎn)原型。實(shí)驗(yàn)表明,利用太陽(yáng)能收集器,使傳感器節(jié)點(diǎn)獲得有效的能源補(bǔ)充,極大延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　 本文針對(duì)大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集過(guò)程,創(chuàng)新地引入壓縮傳感理論,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各種數(shù)據(jù)類(lèi)型,建立具有主動(dòng)發(fā)起和

6、被動(dòng)激活異常檢測(cè)模式的壓縮傳感數(shù)據(jù)周期采集模型,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高精度恢復(fù),極大優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)整體性能,從而提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集融合技術(shù)進(jìn)行分析,在深入研究壓縮傳感相關(guān)重點(diǎn)理論和關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具體特性為依據(jù),針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境,構(gòu)建了多種基于壓縮傳感的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模型,利用隨機(jī)測(cè)量矩陣,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大量數(shù)據(jù)的隨機(jī)降維采集,并達(dá)到節(jié)點(diǎn)負(fù)載的最優(yōu)均衡,大幅度提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。