【摘要】：無線傳感器網(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,從而可以實現(xiàn)無處不在的智能傳感,并將深刻地影響未來人類社會。智能無線傳感器網(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)方式帶來全新變革的又一重要技術(shù)。無線傳感器節(jié)點作為WSN的基本的組成單元,主要負責實現(xiàn)WSN對監(jiān)測區(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,無線傳感器節(jié)點受到成本和體積的限制,屬于一個硬件資源有限的微型嵌入式系統(tǒng)。同時由于采用儲能有限的電池供電,無線傳感器節(jié)點還存在工作壽命有限、電池更換或維護成本高等方面的能量受限制約。在硬件資源和能量同時受限時,節(jié)點的能量提供、存儲和使用的問題將直接影響WSN整體的性能甚至使用壽命,是限制其實際應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。解決這一問題,一方面可以從器件、電路、系統(tǒng)不同層面降低節(jié)點負載的功耗水平的設(shè)計方式出發(fā)來增加系統(tǒng)的能量使用效率或提高電池本身的性能,實現(xiàn)對節(jié)點的耗能優(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),圍繞針對能量配置管理的信息處理理論模型與設(shè)計方法,改進無線傳感器的供能結(jié)構(gòu),發(fā)展免更換電池、甚至無電池的無線傳感技術(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,對無電池自供能WSN節(jié)點進行了研究、設(shè)計與實現(xiàn)。由于WSN具有廣泛的應(yīng)用場景,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,會導(dǎo)致自供能WSN節(jié)點面臨著環(huán)境能量收集設(shè)備和節(jié)點低功耗負載間不同的能量不匹配問題,這增加了無電池自供能WSN節(jié)點的設(shè)計難度和周期。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)點低功耗負載間的能量供需不匹配問題,并以此基礎(chǔ)上對具體應(yīng)用場景下的無電池自供能WSN節(jié)點進行設(shè)計和實現(xiàn)。1)針對自供能WSN節(jié)點中環(huán)境能量收集設(shè)備和低功耗負載間的能量形式不匹配和瞬間功率不匹配的問題,基于“收集-存儲-使用”體系設(shè)計了自供能能量管理模塊;基于“能量中性”原則,設(shè)計了基于環(huán)境能量源輸出能量、環(huán)境觸發(fā)信息和節(jié)點負載運行狀態(tài)信息下的,對負載的功率進行通斷控制的自供能能量管理算法的基本策略;通過面向能量產(chǎn)生和輸出整體特征進行管理的自供能能量管理模塊,實現(xiàn)了可以通用的無電池自供能WSN節(jié)點驗證平臺。2)將自供能WSN節(jié)點驗證平臺應(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。實現(xiàn)了基于自供能的人體行走生物信息監(jiān)測無電池WSN節(jié)點的智能靴系統(tǒng)。3)針對基于自供能的低功耗WSN節(jié)點的測試,建立了測試平臺。通過理論分析與實驗測試分析分別對驗證平臺技術(shù)的自供能能量管理算法控制信號及各模能耗進行測量及分析。4)最后,本文對本課題的下一步研究方向進行了討論。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212.9;TN929.5

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 封順天;;可穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J];信息通信技術(shù);2014年03期

2 袁江波;謝濤;單小彪;陳維山;;復(fù)合型懸臂梁壓電振子振動模型及發(fā)電試驗研究[J];機械工程學報;2010年09期

3 任豐原,黃海寧,林闖;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J];軟件學報;2003年07期

4 楊培根;;撒下天羅地網(wǎng)——未來戰(zhàn)場的無人值守地面?zhèn)鞲衅?上)[J];現(xiàn)代兵器;2001年11期

相關(guān)博士學位論文 前3條

1 吳寅;采用環(huán)境能量的自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京航空航天大學;2013年

2 劉念伯;車用自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動性研究[D];電子科技大學;2010年

3 劉月陽;無線分布式網(wǎng)絡(luò)中基于能量的路由算法和MAC算法研究[D];北京郵電大學;2006年

相關(guān)碩士學位論文 前8條

1 喬玉蓉;基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的列車定位技術(shù)研究[D];蘭州交通大學;2016年

2 褚超強;應(yīng)用于SoC系統(tǒng)的自適應(yīng)動態(tài)功耗管理模塊設(shè)計[D];浙江大學;2016年

3 趙天驥;適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的太陽能采集系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[D];華中科技大學;2015年

4 丁仁偉;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量收集節(jié)點的研究與實現(xiàn)[D];北京交通大學;2014年

5 張明;具有能量收集功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)傳輸策略研究[D];南京郵電大學;2014年

6 高軍;帶鉸接分流板的碰撞式壓電風能采集器[D];重慶大學;2013年

7 魏海龍;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量管理策略研究[D];電子科技大學;2011年

8 景亞光;無線Mesh網(wǎng)絡(luò)認證研究[D];電子科技大學;2008年

，

本文編號：2614398