【摘要】：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)技術(shù)的不斷發(fā)展,使物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,Io T)、大數(shù)據(jù)、人工智能(Artificial Intelligence,AI)所需的海量、低成本、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)收集成為可能,從而可以實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的智能傳感,并將深刻地影響未來(lái)人類社會(huì)。智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以不受布線限制向人類提供感知、衡量和處理環(huán)境信息的能力,是繼互聯(lián)網(wǎng)之后給人類的生活和生產(chǎn)方式帶來(lái)全新變革的又一重要技術(shù)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)作為WSN的基本的組成單元,主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)WSN對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域傳感數(shù)據(jù)的獲取、處理和通信。由于WSN具有大規(guī)模自組網(wǎng)的特性,無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)受到成本和體積的限制,屬于一個(gè)硬件資源有限的微型嵌入式系統(tǒng)。同時(shí)由于采用儲(chǔ)能有限的電池供電,無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)還存在工作壽命有限、電池更換或維護(hù)成本高等方面的能量受限制約。在硬件資源和能量同時(shí)受限時(shí),節(jié)點(diǎn)的能量提供、存儲(chǔ)和使用的問(wèn)題將直接影響WSN整體的性能甚至使用壽命,是限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵性問(wèn)題。解決這一問(wèn)題,一方面可以從器件、電路、系統(tǒng)不同層面降低節(jié)點(diǎn)負(fù)載的功耗水平的設(shè)計(jì)方式出發(fā)來(lái)增加系統(tǒng)的能量使用效率或提高電池本身的性能,實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的耗能優(yōu)化;另一方面,在環(huán)境能量收集技術(shù)的基礎(chǔ)上,從系統(tǒng)整體的能量供需出發(fā),圍繞針對(duì)能量配置管理的信息處理理論模型與設(shè)計(jì)方法,改進(jìn)無(wú)線傳感器的供能結(jié)構(gòu),發(fā)展免更換電池、甚至無(wú)電池的無(wú)線傳感技術(shù),提供了解決電池容量限制這一瓶頸的有效途徑。本文應(yīng)用環(huán)境能量收集技術(shù)供電,對(duì)無(wú)電池自供能WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。由于WSN具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景,因此其適用于涵蓋了聲光電熱力各種形式能量源的環(huán)境能量收集技術(shù)。而不同的能量源輸出特性各異,會(huì)導(dǎo)致自供能WSN節(jié)點(diǎn)面臨著環(huán)境能量收集設(shè)備和節(jié)點(diǎn)低功耗負(fù)載間不同的能量不匹配問(wèn)題,這增加了無(wú)電池自供能WSN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)難度和周期。本文從系統(tǒng)框架和自供能能量管理算法層面上解決環(huán)境能量收集設(shè)備和節(jié)點(diǎn)低功耗負(fù)載間的能量供需不匹配問(wèn)題,并以此基礎(chǔ)上對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景下的無(wú)電池自供能WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。1)針對(duì)自供能WSN節(jié)點(diǎn)中環(huán)境能量收集設(shè)備和低功耗負(fù)載間的能量形式不匹配和瞬間功率不匹配的問(wèn)題,基于“收集-存儲(chǔ)-使用”體系設(shè)計(jì)了自供能能量管理模塊;基于“能量中性”原則,設(shè)計(jì)了基于環(huán)境能量源輸出能量、環(huán)境觸發(fā)信息和節(jié)點(diǎn)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)信息下的,對(duì)負(fù)載的功率進(jìn)行通斷控制的自供能能量管理算法的基本策略;通過(guò)面向能量產(chǎn)生和輸出整體特征進(jìn)行管理的自供能能量管理模塊,實(shí)現(xiàn)了可以通用的無(wú)電池自供能WSN節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證平臺(tái)。2)將自供能WSN節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證平臺(tái)應(yīng)用于收集人體健康的智能鞋,基于壓電能量收集技術(shù),克服了目前存在的軍用或者野外無(wú)供電條件下,智能靴產(chǎn)品需要更換電池或者反復(fù)充電的技術(shù)瓶頸。實(shí)現(xiàn)了基于自供能的人體行走生物信息監(jiān)測(cè)無(wú)電池WSN節(jié)點(diǎn)的智能靴系統(tǒng)。3)針對(duì)基于自供能的低功耗WSN節(jié)點(diǎn)的測(cè)試,建立了測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析分別對(duì)驗(yàn)證平臺(tái)技術(shù)的自供能能量管理算法控制信號(hào)及各模能耗進(jìn)行測(cè)量及分析。4)最后,本文對(duì)本課題的下一步研究方向進(jìn)行了討論。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212.9;TN929.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2614398