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

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴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,為人們提供準確、及時、有效的信息。這無論是在國防還是國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域,均有著廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,將促進物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)社會生產(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,為我國爭奪國際科技制高點、實現(xiàn)“建設(shè)創(chuàng)新型國家”戰(zhàn)略性目標,推動國家跨越式發(fā)展做出重大貢獻。為了在國內(nèi)外該領(lǐng)域技

2、術(shù)競爭中搶得先機,針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用,我們需要研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù),提高我國在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的核心競爭力。
　　 本文是在天津市科技支撐計劃重點項目“基于SOPC的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計及組網(wǎng)應(yīng)用研究”(08ZCKFGX00500)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目“多維多參量光纖光柵無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究”(項目編號:2006AA01Z217)研究基礎(chǔ)上撰寫的。本文在對該領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展進行深

3、入分析的基礎(chǔ)上,對節(jié)點低功耗內(nèi)核設(shè)計、安全機制、能源供給方式和壓縮傳感理論的運用等問題進行了深入的研究,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線傳感器網(wǎng)絡(luò),為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　 本文以傳輸觸發(fā)機制為基礎(chǔ),采用16位RISC架構(gòu)體系,設(shè)計了基于網(wǎng)絡(luò)安全的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點專用處理器。本文將指令總線與數(shù)據(jù)總線分離,在對算術(shù)邏輯單元、指令和數(shù)據(jù)存儲器、通用寄存器、程序指針及堆棧指針等處理器核設(shè)計

4、的基礎(chǔ)上,進行SPI、L1ART、12C等多種通用接口模塊擴展,以滿足與不同外設(shè)互聯(lián)的需要；另外,通過擴展動態(tài)電源管理模塊,利用處理器多工作模式的動態(tài)切換,完成了低功耗節(jié)點處理器的設(shè)計。針對網(wǎng)絡(luò)安全問題,進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特性分析,結(jié)合其具體的安全機制制約因素,優(yōu)化節(jié)點加解密算法,以SOPC為平臺,實現(xiàn)了基于RC5加解密算法的協(xié)處理器設(shè)計。
　　 本文從傳感器節(jié)點能耗分析著手,設(shè)計了以太陽能收集器為基礎(chǔ)的能源自給型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

5、節(jié)點能量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用適合小功率的MPPT算法,以超級電容作為系統(tǒng)能量存儲器,采用能量監(jiān)控機制,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),從而提高太陽能利用率。通過分析太陽能自給系統(tǒng)的能量動態(tài)平衡方程,建立傳感器節(jié)點原型。實驗表明,利用太陽能收集器,使傳感器節(jié)點獲得有效的能源補充,極大延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　 本文針對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集過程,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)類型,建立具有主動發(fā)起和

6、被動激活異常檢測模式的壓縮傳感數(shù)據(jù)周期采集模型,實現(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,從而提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用價值。本文對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集融合技術(shù)進行分析,在深入研究壓縮傳感相關(guān)重點理論和關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具體特性為依據(jù),針對不同的應(yīng)用環(huán)境,構(gòu)建了多種基于壓縮傳感的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模型,利用隨機測量矩陣,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大量數(shù)據(jù)的隨機降維采集,并達到節(jié)點負載的最優(yōu)均衡,大幅度提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。