低功耗无线传感终端网络系统设计与实现

针对无线传感网络系统中终端节点、中继器等设备存在的低功耗技术需求,以MSP430芯片为核心,设计一种对环境温湿度等参数进行检测的低功耗无线传感终端网络系统。为了降低节点功耗,在ZigBee协议栈基础上进行改进,设计了传感终端节点的正常、监控和维护三种工作模式,使传感终端和中继器节点能够按照实际需求控制采样时机和速率,以降低传感节点用于无线通信的能量开销。实测结果表明,该无线传感器网络系统功能可靠,技术指标达到了系统节点低功耗设计目标。     

无线传感器网络节点的功耗分析与测试

能量消耗问题是无线传感器网络的核心问题,直接影响着网络的生命周期。本文从无线传感器网络节点的硬件构成其及运行机制、计算复杂性、数据通信量等方面去分析节点的功耗,并建立模块的功耗模型;接着研究传感节点的电流特点和微功耗测量技术,设计了一种传感节点的测量系统,以验证节点的低功耗特性。这些措施都是为了更好地分析解决无线传感网络中的能量消耗问题,保证传感器网络能量管理的有效性。     

温湿度及加速度信号在线监测低功耗无线传感系统设计

提出一种用于在线监测工业设备自身振动信号和工作环境温湿度的低功耗无线传感器的模块化设计方法。该无线传感系统采用低功耗单片机MSP430F5438作为核心控制单元,由振动加速度检测模块、温湿度模块、射频通信模块、串口通信模块及供能模块构成。主要研究了采用高集成单元器件以低功耗运行的工作方式,实现振动信号和工作环境温湿度参数监测的设计方法,以及使监测系统满足低功耗和性能监测要求的系统的各个模块的工作模式（包括时序）和电源管理模式。使监测节点在满足在线完成实时监测以及信号传输等性能要求的基础上,降低系统功耗延长系统节点采用电池供电的寿命要求。     

基于nRF24L01的超低功耗无线传感器网络节点设计

基于低功耗nRF24L01无线收发器和MSP430F449单片机,采用短时突发式无线发射技术和低功耗休眠机制,设计一种超低功耗的传感器节点。测量结果表明,在电源电压为3.3V、平均数据率为1kb/s、发送功率为OdBmW、传输距离为10m、误帧率为0.12%时,本系统平均功耗约42μW,可以应用于光照、振动、热和气流等环境能量供电的无线传感器网络。     

一种低功耗无线传感节点设计

针对现有远程无线传感节点存在的功耗较高、测量准确度易受供电电压影响等不足,提出了一种基于时间同步的低功耗通信机制,采用比率测量技术、传感电路节能测量技术、无线SOC技术等技术设计了基于nRF24E1为核心的无线传感节点软硬件.实验表明,无线传感节点休眠功耗仅有2.45μA,10s采样周期的平均电流为93μA;既实现低功耗,也保证了测量准确度.     

无线传感器网络密钥分配方案改进与仿真研究

研究无线传感器网络安全中的密钥分配问题.由于传感器网络规模大、节点能源非常受限等特点,传统网络中使用的密钥分配策略并不适用于无线传感器网络.为了提高网络的安全性能,在预共享密钥和随机密钥分发方案的基础上,提出一种改进的随机密分配方案.首先通过传感节点的能量大小建立源传感节点到目的传感节点的多条传感节点不相交路径,然后根据传感节点的最小最大能量原理选择一条合适的传感节点不相交路径作为源传感节点和目的传感节点协商路径密钥的通道.仿真结果表明,改进后的方案保留了原方案的网络高安全性等优点,而且进一步节省了节点通信能量,延长了网络的生存周期,更加适用于能量非常受限的无线传感器网络.     

集成应变传感器的无源超高频标签电路设计

针对现有有线有源应变传感器不适用于固体火箭发动机壳体应变监测的问题,基于UHF RFID(超高频无线射频识别)技术,设计了一款无源超高频应变传感标签.标签通过电磁反向散射方式,收集超高频射频能量为电路供能,同时在标签电路中加入了大容值储能电容,储存经RFID芯片中的倍压整流电路转换成的直流能量.将标签电路分为UHF标签模块、控制模块和应变传感器模块3个部分进行了设计,并通过使用低功耗芯片以及控制测量电路的断开和闭合来减小功耗.标签将传统的电阻式应变测量技术与UHF RFID技术结合在一起,为实现固体火箭发动机壳体应变的无线监测提供了解决方案.     

嵌入式低功耗无线传感器网络的探求

无线传感器网络是一门融合传感技术、计算机技术和无线通信技术的二十一世纪的通信网络,具有巨大的应用价值和重要的研究价值。无线传感器网络由大量集成传感器、数据处理单元和无线通信模块的节点通过自组织方式构成,可以将环境信息通过网络方式及时有效地传输到接收端。由于节点的供电单元能量有限且不易更换,能量消耗成为无线传感器网络的核心问题。可以从两个途径去解决该问题：一是提高电源的能量;二是通过低功耗设计技术提高网络的能量效率。然而,由于电源能量的提高存在瓶颈,提高网络的能量效率才是解决延长网络生存期问题的根本途径。     

基于MEMS的压电微能量采集器的电路研究与测试

微能量采集技术是利用某种效应把周围环境中的某种形式的能量转换成电能,为嵌入式系统和无线传感网络中的MEMS器件供能。本文探讨了一种基于MEMS技术的压电型微能量采集器。微能量采集器工作于低频环境,当给其振动激励信号时,它能够把机械能转换为电能。但是能量采集器直接输出的是交流电压,一般不能直接为器件供能。所以,利用AC-DC电路把交流转换为直流,实现为MEMS器件供能。文中给出了微能量采集器的测试电路,同时给出了测试结果,论证了在低频环境下这种微能量采集器的可行性。     

低功耗无线传感器网络节点的设计

文章分析了传感器节点的能耗,介绍了一种采用MSP430F149处理器和无线收发模块设计的低功耗无线传感器网络节点,阐述了该节点的组成、节点处理控制单元、无线通信单元和传感探测单元的设计及节点软件的设计等。     

一种振动自供能无线传感器的电源管理电路

针对振动能量采集器的输出功率过低不足以直接驱动无线传感器的问题,设计了振动自供能无线传感器的电源管理电路,根据调谐和阻抗变换原理对能量采集器进行了阻抗匹配,以最大功率对储能超级电容进行充电,对能量存储和电源管理电路的充放电特性进行了理论分析和实验验证。结果表明,该电路大幅度提高了采集器的输出功率和对储能超级电容充电的效率,当0.47 F超级电容电压达到0.6 V时,能量瞬间释放电路控制超级电容瞬间放电,成功驱动最大功耗为75 mW的无线传感器工作。     

基于GMM的轨道无线传感网络能量收集装置研究

随着轨道无线传感器网络技术的推广,改善无线传感器的供电问题显的刻不容缓。研究一种基于超磁致伸缩材料（GMM）的轨道振动能量收集器,将收集器安装于钢轨与轨道板之间,收集钢轨的振动能。建立车辆轨道垂向耦合模型,将钢轨垂向位移和支反力作为能量收集器的激振源。利用超磁致伸缩材料的维拉里效应,将振动能转换为电能。经过MATLAB理论分析,能量收集器大致能收集到能量大约237.1584 J。收集的电能足以解决无线传感器的供电问题。     

基于低能耗的无线传感器节点硬件设计方法研究

无线传感技术相对于传统的传感技术具有方便、快捷、成本低等优点.由无线传感器构成的无线传感器网络能够在无人区域内迅速的构建网络拓扑,达到传输探测信息的目的.但由于其传感设备节点功耗受限问题的存在,给无线传感器网络的稳定性及可靠性带来一些问题.主要针对无线传感器网络中的节点功耗受限的问题,将传感器节点分为处理器单元、传感单元,无线传输单元、电源管理单元4个单元进行研究与分析,探讨如何通过合理设计电路来降低设备功耗,提高设备的能量利用率,从而达到提高无线传感器网络的稳定性和可靠性,延长网络生命周期的目的.     

压电/磁电复合式MEMS振动驱动微能源的研究

为了满足无线传感网络节点对供电电源的自供电、低功耗、持续稳定供电的要求,研究了一种可以将环境中机械能转化为电能的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源,结合压电转换与磁电转换把振动能转换为电能。建立数学模型,用有限分析软件Ansys12.0对不同尺寸的四悬臂梁-中心质量块结构进行力学特性分析,并对加工出的器件进行性能测试。测试结果表明,谐振频率为290Hz下,器件输出电压峰峰值随振动加速度的增加呈线性增加,1 m/s2和6 m/s2激励下有效输出电压分别为61mV和324mV,有望为无线网络传感节点提供性能高、寿命长、自供给的供电电源。     

无线传感器网络新型能量管理系统

研制了一种新型的能量管理电路,该电路采用4块太阳能光伏电池获取能量,其中的一块太阳能光伏电池安装在封装好的无线传感器节点的正上方,其余3块安装在3个侧面(有一个侧面安装有天线,不能安装太阳能光伏电池).在标准光强下进行实验,实验结果证实了能量管理系统对能量管理的可行性.     

An innovative piezoelectric energy harvester using clamped–clamped beam with proof mass for WSN applications

In this paper a miniature piezoelectric energy harvester (PEH) with clamped–clamped beam and mass loading at the center is introduced which has more consistency against off-axis accelerations and more efficiency in comparison to other cantilever PEH’s. The beams consist of different layers of Si, piezoelectric, and insulators based on MEMS technology that vibrates by applying an external force to the fixed frame. Due to beam vibration, variable stress is applied to the AlN piezoelectric and a potential difference is created at the output terminals. AlN is deposited on clamped–clamped beams in such a way that produce more stress points which cause more power to be generated in comparison to other cantilever beam PEH’s with about same dimensions. A partial differential equations (PDE) describing the flexural wave propagating in the multi-morph clamped–clamped beam are solved as theoretical calculations for inherent frequency estimation and is confirmed by simulation results. The obtained inherent frequency is 42 Hz which with 1 g (g = 9.81 m/s²) acceleration produces 4 V and 80 µW maximum electrical peak power that can be used in the node of low-power consumption wireless sensor node for wireless sensor network (WSN) applications.

     

压电式双振子微型发电机功率调节电路设计

为克服压电式单振子微型发电机通过一般整流、滤波和储能控制电路不能连续为瞬时发射功率较大的无线传感器网络发射模块供电的问题,提出了一种双振子振动发电的结构思想,介绍了双振子振动发电原理;提出了一种双振子微型发电机输出功率调节控制电路技术方案,它由主一辅整流电路、主储能器、滤波器、辅助补充能量控制电路、稳压电路、滞回比较器、开关控制电路和电子开关等组成.经实验证明:封装了该功率调节电路的压电式双振子微型发电机平均输出功率为250～950 μw,瞬时输出功率可以达到680 mw,而自身的功耗只有40微瓦以下,能满足连续振动环境中微功耗电子器件、传感器或间歇式较大功耗遥测电路供电的要求.     

从环境中获取能量的无线传感器节点

研制了一种可从环境中获取能量的无线传感器节点,该节点用太阳能光伏电池和温差电池作为生能器件,用超级电容器和锂离子电池作为储存器件,并采用低功耗的能量管理策略,实现了能量的充分利用。研究了在夏季和冬季时超级电容器和锂离子电池的充电特性,并给出了无线传感器节点的功率曲线。实验表明,在夏季,太阳能光伏电池和温差电池在四天内可将锂离子电池充满,充满后的锂离子电池可在无光照的情况下保证无线传感器节点连续工作七天。     

Power sensitivity of vibration energy harvester

This paper deals with a power sensitivity improvement of an electromagnetic vibration energy harvester which generates electrical energy from ambient vibrations. The harvester provides an autonomous source of energy for wireless applications, with an expected power consumption of several mW, placed in environment excited by ambient mechanical vibrations. An appropriately tuned up design of the harvester with adequate sensitivity provides sufficient generating of electrical energy for some wireless applications and maximal harvested power depends on a harvester mass, frequency and level of the vibration and sensitivity of the energy harvester. The design of our harvester is based on electromagnetic converter and it contains a unique spring-less resonance mechanism where stiffness is provided by repelled magnetic forces. The greater sensitivity of the harvester provides more generated power or decrease of the harvester size and weight.     

射频供能传感网中能量源布置和发送功率优化

射频能量捕获无线传感网（RF energy harvesting wireless sensor network,简称RFEH-WSN）是无线传感网的热点研究领域之一,专用射频能量源设备（energy transmitter,简称ET）的使用进一步增强了网络的可控制性和实用性.这类应用中一个值得研究的问题就是如何配置给定数量的ET,从而在满足节点能量需求的前提下优化布置位置和发送功率,减少能量消耗.首先对ET布置和发送功率联合优化问题建模,明确优化目标和限制条件.然后分别提出了先基于聚类算法确定ET位置再调整功率的分步优化方案,以及基于粒子群优化（particle swarm optimization,简称PSO）的布置与发送功率联合优化方案.仿真结果显示,布置和发送功率联合优化方案较分步优化方案,ET发送功率的节能效果更为明显.