有毒有害气体无线监测网络节点的低功耗研究

摘要

传统的有毒有害气体检测装置一般是通过有线的方式进行通信，当线缆铺设距离很远时，就会造成硬件投入成本、运行成本和维护成本很高。因此，将无线传感器网络技术应用于气体检测装置是一种趋势。但是，有限的电源能量是影响无线传感器网络(WSN)节点生命周期的关键因素，其前提是必须满足性能要求。从系统层面来进一步减小节点功耗、实现低功耗，从而有效延长WSN节点生命周期是节点技术研究的主要内容。因此，研究无线传感器网络节点的低功耗技术，在工业应用中具有重要的现实意义。
　　论文首先详细论述了功耗的产生机理，降低传统CMOS电路功耗的基本途径以及不同设计阶段的各种低功耗技术，并且分析了无线传感器网络节点各个组成模块的功耗特点，根据现有低功耗技术和无线传感器网络节点的特点，提出了一种针对有毒有害气体无线网络节点的具有实用性的低功耗设计方案。该方案首先是对节点硬件各单元模块进行低功耗设计，其次在软件方面通过合理设置MCU的工作模式，通过实验方法确定了最优采样时间，进一步降低节点的功耗，再结合软硬件系统协同设计实现分区分时的电源管理模式，达到节点的低功耗设计目标。通过比较两种方案节点的平均电流功耗理论值，估算节点的生命周期，选择合理且满足预期目标的最优方案。
　　通过实验验证有毒有害气体无线监测网络节点的各项性能达到要求，主要对三种方案的电流功耗进行测试比较，论证了论文中采用的低功耗设计方案有效，在很大程度上降低了功耗，并具有一定的应用价值和推广价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景和意义

1．2 国内外相关研究现状分析

1．2．1 无线传感器网络的国内外研究现状

1．2．2 低功耗技术的国内外研究现状

1．2．3 国内外气体检测仪表的研究现状

1．3 论文的工作目标和主要内容

2 系统低功耗技术相关分析

2．1 功耗产生的机理

2．1．1 动态开关功耗

2．1．2 短路电流功耗

2．1．3 静态功耗

2．2 低功耗设计的基本方法

2．2．1 降低电源电压

2．2．2 降低负载电容

2．2．3 降低开关活动率

2．2．4 降低工作频率

2．3 系统硬件电路低功耗技术

2．3．1 合理选用低功耗器件和芯片

2．3．2 选择低功耗的工作方式

2．3．3 电源管理技术

2．4 系统软件设计的低功耗算法

2．4．1 动态功耗管理(DPM)算法

2．4．2 动态电压／频率调节(DVS)算法

2．5 本章小结

3 节点的组成及功耗分析

3．1 市场需求和产品性能指标

3．1．1 市场需求

3．1．2 产品性能指标

3．2 无线传感器网络节点的结构

3．2．1 无线传感器网络节点结构概述

3．2．2 WSN节点的特点

3．3 节点的硬件组成

3．3．1 传感器模块

3．3．2 处理器模块

3．3．3 数据采集模块

3．3．4 无线通信模块

3．3．5 电源管理模块

3．4 本章小结

4 节点的低功耗硬件设计

4．1 整体方案设计

4．2 微处理器单元的低功耗设计

4．3 前置放大单元的低功耗设计

4．4 AD转换单元的低功耗设计

4．5 电源管理单元的低功耗设计

4．6 本章小结

5 节点的软件低功耗设计

5．1 软件系统设计方案

5．2 采样任务

5．2．1 采样基本原理

5．2．2 采样持续时间的确定

5．2．3 A／D转换

5．3 数字滤波任务

5．3．1 常用的数字滤波算法

5．3．2 改进的数字滤波算法

5．3．3 滤波效果分析

5．4 按键操作任务

5．5 通信任务

5．6 本章小结

6 节点低功耗性能分析

6．1 系统整体性能测试

6．2 功耗测试

6．3 本章小结

7 总结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表论文