适用于无线传感器网络的低功耗射频唤醒技术研究

摘要

无线传感器网络是近年来发展非常迅速的一种以传感器和无线通信方式实现信息获取和处理的技术。其一个重要的特性就是极低的功耗,然而在实际应用中,支持ZigBee节点所使用协议的射频芯片无法从睡眠模式下自动唤醒,射频芯片只能处于完全工作模式和周期性唤醒模式,虽然“侦听、休眠”模式相对于完全工作模式功耗降低了很多,但毋庸置疑的是在这两种工作模式下射频模块的功耗依然较高,无法满足实际应用中的需求。
　　本文首先介绍了无线传感器网络的发展现状,以及在功耗问题上现有的研究成果,然后以Cockcroft-Walton倍压整流电路为基础,在考虑实际条件环境,提出并分析了在高频和低功率输入下考虑二极管参数、倍压级数、负载阻抗等多项因素的电路分析模型,对该模型进行了详细的分析和简化。
　　其次,通过简化模型,设计并制作了一种适用于无线传感器网络的低功耗射频唤醒半无源化模块,对该模块进行了详细的调试和实际测试,包含阻抗匹配电路、功率放大电路的调试,模块在唤醒距离和功耗上的多点测试,以及在电路性能上的参数优化,实际测试结果表明,该模块在空旷条件且仅消耗6.2uW能耗的情况下,其唤醒距离约为13米。
　　最后,为了使设计的射频唤醒模块能够和MAC层协议相融合,论文在已有的MAC层协议研究成果上,对无线令牌协议进行了改进,改进后的协议充分利用了射频唤醒机制和无线令牌环网机制,将传输信道分为了数据信道和唤醒信道。实验表明,改进型的MAC层协议,在传输时延和功耗方面均优于S-MAC协议,使得无线传感器网络的功耗进一步降低。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究与发展现状

1.3 论文研究内容

1.4 论文结构

第二章 倍压整流电路的建模与分析

2.1 无线电波的路径损耗

2.2 C-W倍压整流电路分析与模型建立

2.3 通用模型简化后的验证与分析

2.4 本章小结

第三章 射频唤醒电路软硬件设计与实现

3.1 射频唤醒发送端电路设计与实现

3.2 射频唤醒接收端电路设计与实现

3.3 射频唤醒电路性能优化分析

3.4 本章小结

第四章 基于射频唤醒机制的MAC层协议研究

4.1 无线传感器网络能量损耗来源分析

4.2 无线传感器网络常见的MAC层协议

4.3 适用射频唤醒机制的改进型MAC层协议

4.4 改进型MAC协议和S-MAC协议结果比较

4.5 本章小结

第五章 射频唤醒模块测试与验证

5.1 硬件测试

5.2 本章小结

第六章 全文总结与未来工作展望

6.1 全文总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间研究成果