适应环境能量补给的无线传感器网络节点低功耗技术研究

论文摘要

无线传感器网络(WSN)的生命周期受电池能量制约,在满足节点性能要求的前提下,降低各个模块的功耗,从而延长节点寿命是节点级低功耗技术研究的主要内容。目前,环境能量采集技术的迅速发展,使节点从所处环境获取能量补给甚至实现自供电成为一种解决能量问题的可行途径。采集的能量具有不确定性与随机性,使得节点电源处于动态变化中,研究节点各个模块的低功耗设计策略还需要适应环境能量采集技术及特点,因此,研究普遍适用的WSN节点设计原则,对低功耗WSN节点设计具有重要意义。本文分析了WSN节点的耗能特点以及低功耗设计的一般原则,根据WSN节点的一般工作模式、现有电子器件以及节能技术,计算并验证了节点实现超低功耗的可行性。针对环境能量补给的特点以及组成节点的四大模块的耗能特点,本文提出了相应的低功耗设计策略。该设计策略选择了适合节点运行的最低工作电压,根据节点负载变化动态地切换其他器件的供电方式,使电源模块在不同负载下不仅能够保持高能效,而且能高效利用与存储采集的能量。针对传感器模块的低功耗策略包括传感器件选择及工作参数设置、分级感测及自适应采样等,这些策略降低了持续监测下传感器模块的平均功耗。提出的降低工作电压及频率、选择低能耗存储器、使用分模块工作方式以及编译优化等策略,有助于降低微控制器模块的功耗。对于无线通信模块,提出的策略有降低发射功率、短距离多跳通信方式等,而其他外围器件采用的低功耗策略是尽量使外围器件处于功耗低的工作状态。将相应策略应用于Mica2节点的各个模块中,并依据Mica2的功耗计算方式,所得计算结果表明了这些低功耗设计策略的有效性结合太阳能能量补给技术,并应用提出的低功耗设计相关策略,本文设计了一款面向需要持续监测诸如振动加速度等动态参量的低功耗WSN节点。实验结果表明,本文提出的适应环境能量补给的WSN节点低功耗设计策略有效可行,对WSN节点设计具有一定的普遍性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 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 WSN节点耗能特点与超低功耗技术分析
• 2.1 节点性能与功耗的关系
• 2.2 节点能耗分析
• 2.2.1 电源模块
• 2.2.2 传感器模块
• 2.2.3 微控制器模块
• 2.2.4 无线通信模块
• 2.3 低功耗设计原则
• 2.3.1 器件选择
• 2.3.2 工作方式、参数及时序设置
• 2.3.3 供电方式
• 2.4 超低功耗技术分析
• 2.5 小结
• 第三章 适应环境能量补给的节点电源模块节能策略
• 3.1 环境能量采集技术
• 3.2 电源模块特点
• 3.2.1 一般节点的电源管理需求
• 3.2.2 电压调整器件及其功耗特点
• 3.3 基于DPM的高能效设计策略
• 3.3.1 供电方式及输出电压设置
• 3.3.2 DC/DC调整器的管理
• 3.3.3 器件选择与DPM设计
• 3.3.4 能量采集的高效使用与存储
• 3.4 应用设计和节能效果分析
• 3.5 小结
• 第四章 节点主要功能模块与外围器件低功耗设计策略
• 4.1 传感器模块低功耗设计策略
• 4.1.1 传感器模块低功耗设计的重要性
• 4.1.2 低功耗设计策略
• 4.1.3 应用设计与节能效果分析
• 4.2 微控制器模块低功耗设计策略
• 4.2.1 工作电压和工作频率
• 4.2.2 存储器的选择
• 4.2.3 工作模式与分模块工作
• 4.2.4 编译优化
• 4.3 无线通信模块与外围器件低功耗设计策略
• 4.3.1 无线通信模块
• 4.3.2 外围器件
• 4.4 小结
• 第五章 适应环境能量补给的低功耗WSN节点设计
• 5.1 方案设计
• 5.1.1 方案设计原则
• 5.1.2 整体结构设计
• 5.2 各模块设计与实现
• 5.2.1 电源模块
• 5.2.2 传感器模块
• 5.2.3 微控制器模块
• 5.2.4 无线通信模块与外围器件
• 5.3 功耗计算与实验结果分析
• 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
• 攻读学位期间参加的主要科研项目与研究成果