基于旋转门算法的自适应变频数据采集策略

针对无线传感器网络在监测类似室内或大棚等微气候环境数据时,传统的等间隔时间数据采集方法存在数据大量冗余、浪费网络带宽的问题,以及现有自适应变频数据采集策略仍然非常复杂的问题,提出一种基于旋转门算法的自适应变频数据采集策略,该策略根据旋转门算法能否“套住”数据以及能连续“套住”数据的次数,自适应地调整数据采集的间隔时间。仿真和实验结果证明,该策略与传统的等间隔时间数据采集方法相比,可以降低数据采集量76%以上,减少数据传输量90%以上。该策略具有创新性,实现简单,不仅可行,而且高效。     

能量捕获无线传感器网络中速率自适应路由算法

能量捕获无线传感器网络是无源感知技术中非常重要的一类,它能够有效解决节点能量受限的问题,保持网络运行的持续性.现有的路由方法并未充分利用节点的能量捕获特性,也没有考虑到链路的成功收包率和节点的传输速率.为进一步提高网络的性能,提出了一种结合链路成功收包率的速率自适应路由算法.通过对节点的剩余能量和链路的成功收包率进行建模,给出了一个节点可作为路由中继节点所需要满足的两个条件;基于优化方程,为传输路径上的每一跳节点自适应配置时延最小化的传输速率;提出路由发现步骤来找出端到端传输时延最小的传输路径.实验结果表明,相比于固定传输速率的路由算法,所提算法所得到的传输路径具有较低的端到端传输时延和较高的吞吐率.     

无线传感器网络能量有效自适应频率控制算法

大多数文献都从无线传感器网络路由机制出发考虑节能问题,但是这种假设没有有考虑到在实际应用中传感器可能比无线通信元件消耗更多能量。从这种角度出发,提出了一种有效的传感器节点节能策略,这也关系到无线传感器网络生命周期的长短。利用自适应采样算法来来估计传感器在线最佳采样频率。设计了一种自适应测量系统使传感器能量消耗最小,同时数据采集维持在一个较高的精度。采用环境监控传感器作为研究案例,模拟实验表明相对于传统固定采样率方法这种自适应算法可以将数据采集量减少20%,并且无线传感器网络性能没有下降。     

集成热电阻的石英谐振露点传感器

露点温度作为最精确的湿度测量方法,被广泛应用在武器装备的生产研制中;石英晶体因其具有高品质因数和高灵敏的质量负载效应,被用于新型谐振式精密露点仪的研制中;针对传统石英谐振露点传感器由于无法直接测量其表面温度而引入的系统误差问题,提出了一种集成热电阻的石英谐振露点传感器;通过微机电系统工艺,在石英晶体表面集成了铂热电阻,实现了对石英晶体表面温度的直接测量,从而消除了系统误差;采用理论计算和有限元分析,对传感器结构参数进行了优化设计,并通过实验验证了所设计的石英谐振露点传感器的性能;实验结果表明,集成热电阻的石英谐振露点传感器的测量精度可达±0.08℃ DP,重复性小于0.11℃ DP,显著提高了传统石英谐振露点传感器的测量精度。     

基于人体能量的微传感器节点能量利用方法

计算技术、通信技术和微机电技术的快速发展为智能传感器网络的广泛使用提供了坚实的技术基础。能量供给技术是智能传感器网络的关键技术，因为只有长效、低廉的能量才能保证微传感器节点的正常运行和发挥其独特的作用。传统的电池供能技术已满足不了大规模传感器网络微节点对能量的需求。因此，需要研究新的节点能量供给方法和技术以满足微节点的特殊需求。本文讨论了基于微机电系统（MEMS）技术收集人体能量为微节点供能的方法，并给出了相应的计算模型，这些模型对传感器微节点的能源设计和智能传感器网络的广泛应用具有重要意义。     

一个新的基于能量和距离的传感器网络协议

分析了基于低能量自适应聚类层次(LEACH)协议等典型协议,提出了一个基于能量和到基站距离的分簇算法,并在簇首的数据发送中引入了改进的多跳路由算法,称为基于能量距离分簇(EDBCM)的多跳算法。仿真结果表明,新协议提高了基站接收到的数据量,延长了整个网络的寿命。     

基于自适应睡眠机制的WSN能量高效协议

由于无线传感器网络结点能量受限,高效的能量节省策略成为无线传感器研究的热点技术之一.通过分析无线传感器网络各层的能量高效解决方案,给出一种基于自适应睡眠机制的无线传感器能量高效协议.该方案根据剩余能量存储、地理位置信息以及邻近结点负载程度,采用可变睡眠持续时间机制来选择转发分组方式.与基于地理位置随机传播方案相比,提出的方案可以大幅节省网络结点能量,有效均衡网络能量消耗.因此,该方案能够显著延长整体网络寿命.     

能量自适应的无线传感器网络分簇路由协议

为有效解决无线传感器网络中的"热区"问题,提出了一种能量自适应的非均匀分簇路由协议.协议采取非均匀的分簇结构,使靠近基站的簇范围减小到合理的范围,即在靠近基站的区域内,每个簇由较少的无线传感器节点构成,这些节点的主要工作是负责转发其它簇的信息,从而有效减少其能量消耗速率.同时,协议在通信路由的过程中还综合考虑了簇头与中转节点的距离以及中转节点的能量消耗率.实验结果表明,该协议有效解决了"热区"问题,并且延长了无线传感器网络的生命周期.     

基于光纤自适应耦合和自调谐的光纤光栅传感系统设计

针对光纤光栅传感系统应用中面临的应变弱和可靠性不稳定等问题,研究并设计了一种基于自适应耦合切换和自调谐光纤光栅传感系统;主要从事首先,基于光纤光栅的波长边化特点和多耦合特性设计了自适应耦合功能器件,并依据波长交叉点特性建立了长-短周期切换算法,然后考虑了波长对工作电压和耦合周期的影响特点,设计了支持自调谐功能的光纤光栅传感器及其调谐算法,最后给出了具有自适应多耦合切换和自调谐功能的光纤光栅传感系统;主要从事实验表明,在检测精度、抗干涉能力和应变能力等方面,所提方案表现出了明显优势.     

基于振动能量收集的传感器自供能技术研究

复合式能量收集技术是一种基于压电和电磁的传感器自供电技术.对复合式能量收集系统进行分析,给出系统的数学模型,讨论系统共振频率与系统结构参数的关系;设计了一种压电和电磁复合式能量收集装置,并进行实验验证.结果表明:给出的数学模型基本反映了系统的输出特性,在共振频率为18 Hz时,与单一型电磁技术实验在共振频率处得到的3.2 mW负载功率相比,复合式能量收集技术获得的最大负载功率3.8mW,增加了19％.     

恒定低温法在低湿区露点检测中的应用

在低湿区环境下的露点检测中,电容式露点传感器测量的频率与露点值呈现非线性,且受环境温度影响很大,此外,湿度越低,测量的分辨力也越低。采用了一种恒定低温方法来检测低湿区露点,即传感器的环境温度恒定保持在0℃以下,可大大提高低湿区的测量分辨力,再根据露点值与频率值间具有的确定的非线性关系,将采集的频率经牛顿插值计算后就可得到露点值。采用该方法大大提高了电容式露点仪在低湿区露点检测的分辨力,扩展了其测量范围。     

Electromagnetic vibration energy harvesting device optimization by synchronous energy extraction

This paper investigates a new application of nonlinear techniques for vibration energy harvesting. The Synchronous Electric Charge Extraction (SECE) energy harvesting technique for piezoelectric generators is extended and adapted to electromagnetic generators. This new circuit, which is the dual of the SECE circuit, is named SMFE for Synchronous Magnetic Flux Extraction. A theoretical model is developed, and the harvested power is simulated. Comparisons with a classical energy extraction approach show that between 2.5 more power and 10% less power can be harvested, depending on the generator characteristics. It also allows the maximum power to be harvested whatever the value of the load. Finally, the SMFE circuit was embedded and tested on a simple centimeter-scale electromagnetic harvester. Measurements confirm the theoretical operating principle of the circuit.     

一种太阳能传感器网络的自适应休眠调度算法

通过从外界获取太阳能,传感器网络节点的能量限制得到缓解。提出一种太阳能传感器网络的自适应休眠调度算法。当观测场景从区域观测到目标跟踪转变时,节点自适应地转换活跃和休眠状态,同时剩余能量低于能量阈值的休眠节点从外界获取太阳能。与不考虑太阳能获取的休眠调度算法相比,提出的算法延长了网络生命周期。     

环境能量驱动的无线传感器节点数据传输优化机制

将环境能量收集模块引入无线传感器网络,可以有效改善网络的使用寿命,但是能量的随时补充也给原有的能量管理策略带来了巨大挑战.针对单个环境能量驱动节点在数据序列已经到达的情况下,研究了优化的数据传输策略,采用内罚函数法优化传输过程,使得固定时间内节点传输的数据量最大.理论分析及仿真结果表明,当各个时刻节点的传输功率比较接近时会获得最大的数据传输量;当实际节点获得最大数据传输时节点的传输功率随时间呈增大趋势.     

Wireless sensor node powered by aircraft specific thermoelectric energy harvesting

An energy autonomous wireless sensor system consisting of an energy harvesting power source, an energy management unit and a low power wireless sensor node is tested for aircraft applications. The autonomous power source combines aircraft specific outside temperature changes with a thermoelectric generator (TEG) and a heat storage unit. The temperature difference generated with the latter component artificially at the TEG is used to power the sensor node by thermoelectricity. Additionally, a high efficient low input voltage power management circuit is necessary to store the generated energy and to convert it to higher voltage levels needed to operate the sensor. The experimental data are compared with results from numerical simulation models to predict the energy conversion in the heat storage - TEG system. A new TEG prototype is tested and the energy output is improved by 14%. The power management storage capacitors are adapted to the available energy, thereby increasing storage voltage and conversion efficiency. Doing so, the efficiency of the complete system can be increased by around 50%.     

压电式能量获取装置的研究现状

微机电系统(MEMS)将是21世纪最重要的研究领域之一,而微能源器件是MEMS其中一个重要分支,其发展直接关系到MEMS在某些领域中的应用。现针对压电式能源获取装置在国际上的研究进展进行系统的阐述和介绍,以压电效应的本质特征为基础,详细描述了它的结构、原理和应用领域。     

Micromachined PZT cantilever based on SOI structure for low frequency vibration energy harvesting

A PZT piezoelectric cantilever with a micromachined Si proof mass is designed and fabricated for a low frequency vibration energy harvesting application. The SiO₂ layer in the SOI wafer promotes accurate control of the silicon thickness that is used as a supporting layer in the cantilever beam structure. The entire effective volume of the fabricated device is about 0.7690 mm³. When excited at 0.75g (g = 9.81 m/s²) acceleration amplitude at its resonant frequency of 183.8 Hz, the AC output measured across a resistive load of 16 kΩ connecting to the device in parallel has an amplitude of 101 mV. The average power and power density determined by the same measurement conditions are, respectively, 0.32 μW and 416 μW/cm³.     

依托路由规则的自适应能量优化分簇无线传感器网络路由算法

针对分簇无线传感器网络中节点能量负载不均衡导致簇头在任务较多的情况下过早死亡,以及路由能量损耗较大等问题,提出一种自适应能量优化分簇的路由算法。在簇头选举和竞争半径的计算上通过权衡系数充分考虑了竞选节点的剩余能量与距离情况,延长了簇头的生命周期。以路由规则的形式来制定簇头间转发数据是采用单跳路由还是多跳路由,在保证簇头不会过早死亡的情况下最大化减少路由的能量损耗。实验仿真结果表明,自适应能量优化分簇的路由算法可以延长网络节点的生命周期,减少能量损耗。