无线传感器网络节点超低功耗的系统级实现方法研究

摘要

有限的电源能量是影响无线传感器网络（WSN）生命周期的关键因素，减小功耗即意味着延长系统寿命。在满足系统性能要求的基础上，从系统层面来进一步减小低功耗节点功耗、实现超低功耗，从而有效延长WSN生命周期是节点技术研究的主要内容。目前，环境能量采集技术的研究和发展使得节点有了从环境补给电能的可能。因此，朝着以采集环境能量补给节点电能实现自供电的目标，研究WSN节点的超低功耗技术，对于WSN技术的研究具有重要意义。 本文首先分析了典型WSN节点的特点以及低功耗设计的一般原则和实现方法，根据现有低功耗技术和环境能量采集技术以及对低功耗的一般观点，提出了一种具有实用性的超低功耗评判依据，以此作为检验和衡量WSN节点能耗的依据。为实现WSN节点的超低功耗，提出了适合应用设计的系统级超低功耗策略。这类系统级策略首先是对节点硬件各单元模块进行超低功耗设计，其次在软件方面通过数据处理算法优化和采用适用于节点平台的数据压缩方法，进一步降低节点软件系统的功耗，再结合软硬件系统协同设计实现动态电源管理，达到节点的超低功耗目标。参考典型节点Mica2的功耗计算方式对本文所提方案作了功耗计算，表明了实现WSN节点超低功耗方法的可行性和有效。为了降低节点通信功耗并提高节点的数据存储能力，以简单有效为原则，针对有损数据压缩和无损数据压缩分别提出了一种面向WSN节点平台的简化应用方法。 实验数据表明本文针对节点设计提出的系统级超低功耗方法及应用方案有效可行，这种系统级的应用方法是对现有应用技术的深化应用和协调。本文所提出的简化压缩算法也具有一定的普遍性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2研究目的和意义

1.3国内外研究现状

1.4研究内容及组织结构

第二章典型WSN节点系统的构成与分析

2.1 WSN节点结构特点

2.1.1 WSN结构概述

2.1.2 WSN节点的特点

2.2典型WSN节点介绍

2.2.1 Mica系列节点

2.2.2 Mote系列节点

2.2.3Telos系列节点

2.2.4 Gain系列节点

2.3典型WSN节点硬件平台的组成

2.3.1处理器模块

2.3.2传感器模块

2.3.3无线通信模块

2.3.4电源模块

2.4节点性能与功耗的关系

2.5小结

第三章面向资源受限硬件平台的超低功耗技术

3.1低功耗技术的现状

3.1.1常见的降低功耗的方法

3.1.2低功耗的可实现性

3.2超低功耗的评判依据

3.2.1超低功耗系列微控制器的功耗分析

3.2.2环境能量补给技术现状

3.2.3节点的使用寿命

3.2.4通信模块功耗的特殊性

3.2.5一种超低功耗的评判准则

3.3超低功耗的策略

3.3.1硬件系统的超低功耗策略

3.3.2软件设计中的超低功耗策略

3.4小结

第四章应用超低功耗策略的WSN节点设计力案

4.1整体方案设计

4.1.1方案设计原则

4.1.2总体电路设计

4.1.3各模块的设计与实现

4.2超低功耗WSN节点功耗的分析计算

4.3协同硬件的软件系统设计

4.3.1动态电源管理

4.3.2编程优化

4.3.3存储器存取功耗最小化

4.3.4数据压缩

4.4应用实例

4.5小结

第五章可适用WSN节点系统的数据压缩算法

5.1数据压缩技术的重要性

5.1.1数据压缩的性能评价

5.1.2数据压缩技术在WSN节点系统的应用

5.2一种基于周期信号的有损数据压缩算法

5.2.1算法原理

5.2.2压缩算法的实现

5.2.3压缩算法的仿真

5.3一种适用于WSN节点的无损数据压缩算法

5.3.1典型的无损数据压缩算法

5.3.2 LZSS算法在WSN节点中的应用

5.3.3算法的压缩率

5.4小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果