能源自给低功耗无线传感器网络关键技术研究

摘要

无线传感器网络扩展了人们获取信息的能力,它是物联网技术的基础,是实现物与物之间、物与人之间信息交互的桥梁和通道,它可以克服空间障碍,为人们提供准确、及时、有效的信息。这无论是在国防还是国民经济的各个领域,均有着广阔的应用前景。无线传感器网络的发展,将促进物联网实现社会生产生活中信息感知能力、信息互通性和智能决策能力的全面提升,为我国争夺国际科技制高点、实现“建设创新型国家”战略性目标,推动国家跨越式发展做出重大贡献。为了在国内外该领域技术竞争中抢得先机,针对无线传感器网络的实际应用,我们需要研究具有自主知识产权的关键技术,提高我国在关键技术领域的核心竞争力。
　　 本文是在天津市科技支撑计划重点项目“基于SOPC的低功耗无线传感器网络节点设计及组网应用研究”(08ZCKFGX00500)和国家高技术研究发展计划(863计划)项目“多维多参量光纤光栅无线传感器网络系统研究”(项目编号:2006AA01Z217)研究基础上撰写的。本文在对该领域中关键技术发展进行深入分析的基础上,对节点低功耗内核设计、安全机制、能源供给方式和压缩传感理论的运用等问题进行了深入的研究,提出了基于压缩传感理论数据采集技术的能源自给型低功耗无线传感器网络,为无线传感器网络的大规模应用奠定基础。
　　 本文以传输触发机制为基础,采用16位RISC架构体系,设计了基于网络安全的无线传感器网络节点专用处理器。本文将指令总线与数据总线分离,在对算术逻辑单元、指令和数据存储器、通用寄存器、程序指针及堆栈指针等处理器核设计的基础上,进行SPI、L1ART、12C等多种通用接口模块扩展,以满足与不同外设互联的需要；另外,通过扩展动态电源管理模块,利用处理器多工作模式的动态切换,完成了低功耗节点处理器的设计。针对网络安全问题,进行无线传感器网络特性分析,结合其具体的安全机制制约因素,优化节点加解密算法,以SOPC为平台,实现了基于RC5加解密算法的协处理器设计。
　　 本文从传感器节点能耗分析着手,设计了以太阳能收集器为基础的能源自给型无线传感器网络节点能量管理系统。该系统采用适合小功率的MPPT算法,以超级电容作为系统能量存储器,采用能量监控机制,根据光线条件自适应调整收集器管理系统工作状态,从而提高太阳能利用率。通过分析太阳能自给系统的能量动态平衡方程,建立传感器节点原型。实验表明,利用太阳能收集器,使传感器节点获得有效的能源补充,极大延长了网络生命周期。
　　 本文针对大规模无线传感器网络数据采集过程,创新地引入压缩传感理论,根据网络内各种数据类型,建立具有主动发起和被动激活异常检测模式的压缩传感数据周期采集模型,实现网络数据的高精度恢复,极大优化了网络整体性能,从而提高无线传感器网络的实际应用价值。本文对现有无线传感器网络数据采集融合技术进行分析,在深入研究压缩传感相关重点理论和关键技术基础上,以无线传感器网络具体特性为依据,针对不同的应用环境,构建了多种基于压缩传感的无线传感器网络数据采集模型,利用随机测量矩阵,实现网络内大量数据的随机降维采集,并达到节点负载的最优均衡,大幅度提高了网络稳定性。本文采用贝叶斯压缩传感理论对无线传感器网络的稀疏信号进行检测,运用并改进快速相关向量机算法,通过最大边缘似然估计对稀疏系数进行估计,完成测量信号准确快速的原始重构。通过MATLAB仿真验证了重构算法的准确有效性,并采用网络仿真平台对新型网络数据采集性能进行仿真验证。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 研究背景

第二节 无线传感器网络国内外研究现状

1.2.1 无线传感器网络

1.2.2 国内外研究现状分析

第三节 本文研究解决的关键技术与组织结构

1.3.1 基于网络安全的能源自给低功耗无线传感器网络关键技术

1.3.2 本文组织结构

1.3.3 本文创新点

第二章 低功耗节点专用处理器设计

第一节 无线传感器网络节点设计

2.1.1 无线传感器网络节点系统结构

2.1.2 无线传感器网络节点能耗分析

第二节 低功耗节点专用处理器设计

2.2.1 系统节点的低功耗设计

2.2.2 节点专用处理器系统架构

2.2.3 传输-触发体系结构

2.2.4 节点处理器各模块设计与仿真

2.2.5 通信模块设计与仿真

2.2.5 存储器系统设计

2.2.6 处理器功耗管理

第三节 节点安全协处理器设计

2.3.1 无线传感器网络安全机制制约因素

2.3.2 适合无线传感器网络的加密算法

2.3.3 基于SOPC平台节点安全协处理器实现

2.3.4 RC5密码算法加密/解密仿真结果

第四节 本章小结

第三章 节点太阳能能量管理系统设计

第一节 太阳能在无线传感器网络中的应用

第二节 太阳能供电无线传感器网络节点能量动态平衡方程

3.2.1 太阳能供电无线传感器网络节点结构

3.2.2 节点能量动态平衡方程

第三节 节点太阳能能量管理系统设计

3.3.1 太阳能电池模型

3.3.2 适合无线传感器网络节点MPPT算法模型

3.3.3 太阳能收集器模型分析

3.3.4 基于超级电容的能量存储

3.3.5 能量监控机制

3.3.6 基于太刚能收集器的无线传感器网络节点实现

3.3.7 实验分析

第四节 本章小结

第四章 基于压缩传感理论的数据融合技术的研究

第一节 引言

4.1.1 传统无线传感网络数据采集技术

4.1.2 基于压缩传感数据采集技术的重大研究意义

4.1.3 压缩传感理论进展

第二节 压缩传感相关理论

4.2.1 压缩传感

4.2.2 分布式压缩传感

第三节 基于压缩传感的无线传感器网络数据采集模型

4.3.1 基于异常情况监测的模型

4.3.2 每个节点感知数据为一维的数据采集模型

4.3.3 带有异常情况的一维数据采集模型

4.3.4 每个节点感知数据为n维的数据采集模型

4.3.5 基于不同网络拓扑的数据融合方式

第四节 基于压缩传感理论的无线传感器网络拓扑机制的研究

4.4.1 基于随机测量信号传输模式的周期数据采集网络结构研究

4.4.2 基于主动发现和被动激活的异常监测路由机制

4.4.3 基于压缩传感无线传感器网络性能仿真及分析

第五节 基于贝叶斯压缩传感的稀疏信号检测

4.5.1 贝叶斯压缩传感理论

4.5.2 传感器网络模型

4.5.3 基于RVM(相关向量机)的CS信号重构

4.5.4 基于最大边缘似然估计的快速RVM算法

4.5.5 网络仿真及分析

第六节 本章小结

第五章 总结与展望

第一节 全文总结

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历