基于物联网的分布式水质实时监控系统设计

针对现有水质监控系统成本高、功耗大、传输距离短等不足,本文设计了一种分布式水质在线监控系统。该系统基于LoRa技术和NB-LoT技术搭建了一种具有三层网络拓扑的系统架构,并建立通信链路传输模型与节点功耗评估模型;以此为基础采用全新一代LoRa调制解调器和具备业界更低静态电流的电源管理芯片构建硬件平台,同时设计了一种包含定时唤醒和空中唤醒的双唤醒软件机制,解决了传统水质监控系统无法同时兼顾远距离传输和低功耗运行的两难问题。通过设计合理的容错机制,消除了无线通信固有的通信误码问题对系统的影响。实地组网试验表明,终端节点电池消耗量仅为15.95mAH/天,网关节点与终端节点最远传输距离超过10km,通信误码率小于3%,且通过超时重发机制实现所有数据100%成功传输,具有较强的网络鲁棒性。     

无线应变测量节点的精度与功耗综合分析

在无线传感器网络中,一般采用电池供电,如何取得精度和功耗的平衡十分重要。应变片功耗与其他传感器相比大得多,直接决定无线节点总功耗。系统设计时,不但要考虑电路参数和器件噪声对精度的影响,功耗分析也很必要。从无线节点整体框架出发,系统分析了模拟和数字电路中精度和功耗的影响机理,建立了完整的理论模型。精度和功耗同时受电桥电压影响,电桥电压越高,精度越高,但功耗也越大,精度与功耗相互制约。以电桥电压和器件参数为影响因素,提出了在保证测量精度的同时,减小电路功耗的方法。在设计无线应变测量节点时,该研究可以为实现系统精度和功耗的平衡提供理论指导。     

水声通信节点的低功耗值班电路设计

水声通信节点的值班电路设计能有效控制系统功耗。本文提出一种基于MSP430单片机的低功耗值班电路设计,给出了该值班电路的硬件设计和原理框图;介绍了基于频谱分析判定唤醒信号的判定方法,该方法有效提高了系统判定准确性、降低了虚警概率,同时通过软件仿真验证了方法的可行性。通过湖试实验数据测得电路唤醒成功率为99.24%,并且值班电路的工作性能满足通信系统的设计要求。     

一种新型多用无线传感器网络平台硬件设计与实现

在分析了无线传感器网络特点的基础上,基于应用广泛的新型51核心单片机设计了一种新型多用硬件节点,此节点可搭配多种无线射频模块,论述了该节点的设计思路与设计方法,根据设计要求制作硬件实物并对该平台的功耗、无线数据传输距离和丢包率参数做出评估。在搭配Si4432无线模块时,该平台最大功率仅为280mW;无线通信距离为120m,丢包率仅为0.667%。硬件测试结果表明：该平台设计灵活、功耗低,满足无线传感器网络硬件节点要求,具有一定的应用价值。     

针对DES加密算法的DPA攻击仿真平台

研究分析数据加密算法DES的特点,采用差分功耗分析(DPA)攻击方式进行密钥破解,针对DES算法实现一种差分功耗分析攻击仿真平台。该仿真平台具有精度高、模拟速度快等特点,其理论基础为集成电路中门电路在实现加密算法时的物理特性、功耗模型及数据功耗相关性。在该平台上针对DES加密系统,采用基于汉明距离的差分功耗攻击实现仿真模拟,成功破解了DES加密算法的密钥,从而给DES加密算法理论研究者提供了有益的基础和参考。     

低功耗射频唤醒无线传感器网络设计

针对无线传感器网络采用睡眠/唤醒机制来实现低功耗时,不可避免地引起网络响应时延的问题.在波束供电技术的基础上提出了无线传感器网络低功耗射频唤醒机制,给出了低功耗射频唤醒无线传感器网络节点的硬件结构和详细设计.节点通过从电磁波中获取能量来及时地唤醒自己,以达到提高实时性的目的.性能分析表明低功耗射频唤醒无线传感器网络节点比采用传统睡眠/唤醒机制的节点具有更高的实时性和更低的功耗.     

绝缘架空线交叉跨越在线监测系统设计及其性能测试

为了降低电网输电线路受到交叉跨越影响，需要对绝缘架空线路的弧垂及交叉跨越距离等参数进行精确测量。在利用倾角法监测交叉跨越距离的基础上，提出了交叉跨越监测模型。设计绝缘架空线交叉跨越在线监测系统，重点给出了倾角传感器节点，倾角传感器电路和电源电路关键部件的设计，并进行功耗分析。选择中位平均滤波法处理倾角传感器测试数据结果发现，随着倾角的减小，获得了杂散噪声更小的测量角度，滤波效果也更优，选择MPU6050作为倾角传感器可以满足本系统的运行要求。该研究对实现绝缘架空线交叉跨越监测自动化具有很好的应用价值，易于推广实现。     

低频唤醒技术在微功耗主动式RFID中的应用研究

微功耗主动式RFID系统的标签一般采用纽扣电池供电,其功耗是一个很关键的问题,目前常采用定时唤醒的工作方式,本文介绍了低频唤醒技术的实现原理,并讨论了将其应用到微功耗主动式RFID系统中解决射频标签内发射模块的功耗问题,给出了低频唤醒的关键电路和程序流程,实践证明该方案可以很好地解决主动式RFID的功耗问题.     

传感器网络中一种基于维诺图的跟踪节点选择算法

能源节省和跟踪的及时、准确是移动目标跟踪的重要研究问题.提出了一种基于维诺图的跟踪节点选择算法,利用维诺图的性质建立网络模型,选择距离目标最近的传感器节点参与目标跟踪,同时给出了睡眠节点的唤醒机制,以保证跟踪及时准确的同时最小化唤醒节点数量.最后通过实验讨论了网络中各个参数对算法性能的影响.实验结果表明,该算法在能源节省和跟踪精度方面具有很好的效果.     

一种交叉互联的高可靠锁存器

现阶段随着CMOS工艺特征尺寸的减小,电路中可能会发生单粒子翻转（Single Event Upset,SEU）的敏感节点之间的距离在不断减小,发生一颗高能粒子引起多个节点同时发生翻转的事件概率正逐渐上升。为了提高电路的可靠性,基于抗辐射加固设计方法,提出了一种能够容忍两个节点同时发生翻转的锁存器。该锁存器以双输入反相器(Double-input Inverter,DI )单元作为核心器件,并且在 DI 单元之间采用了交叉互联的连接方式,减少了器件个数的使用。与传统的具有容错能力的锁存器相比,所提出的结构不仅具有良好的抗双点翻转能力,而且在功耗、延迟以及功耗延迟积（Power Delay Product,PDP）方面都有很大的优势。该结构可靠性高、性能优良,在提高芯片的可靠性方面具有重要意义,有实用价值。     

一种新型唤醒机制的无线传感器网络节点设计

寿命过短一直困扰无线传感器网络(WSNs)与实际应用结合的难题。通过对WSNs工作效率低问题的研究,提出了一种新型射频唤醒机制的WSNs节点的设计方法,对降低节点的功耗和延长WSNs的寿命都有帮助。详细说明了节点设计的硬件结构和软件中的程序流程。可行性分析论证了节点的实用性和低功耗特性。     

基于物联网的智能车位锁感应式唤醒控制仿真

在物联网环境下,智能车位锁使用传统的唤醒控制方法存在着唤醒效率低下的问题。为了解决上述问题,提出智能车位锁的感应式唤醒控制方法。引入感应式控制器,从发送端和接收端两个方面,对低频唤醒电路进行设计;根据智能车位锁的休眠参数来监测车位锁的工作状态,结合车辆的识别结果,判断车位锁对应的车位是否存在异常情况。当检测车位存在异常时,启动车位锁设备唤醒控制,并执行异常报警程序。通过仿真发现,相比传统的唤醒控制方法,感应式控制方法每一次唤醒能够节省12.25μA的功率消耗,同时能够缩短0.27秒的延迟时间,因此证明智能车位锁感应式唤醒控制方法具有更高的控制效率。     

LoRa射频芯片的无线激光甲烷传感器设计

为解决目前煤矿无线甲烷传感器在实际应用中存在的功耗高、通信距离近、响应速度慢以及精度低等诸多问题,本文基于LoRa通信技术,以ARM主控制器STM8L151C8T6和LoRa射频芯片SX1268为核心,设计了一种无线激光甲烷传感器。重点介绍了传感器的工作原理及低功耗的实现方案,给出了硬件电路设计和软件程序流程。经实验验证该无线激光甲烷传感器具有通信距离远、功耗低、精度高等优势,解决了现存的问题,对提升安全监控系统运维的智能性和可靠性具有重要意义。     

地铁牵引供电系统直流侧短路故障研究

牵引网短路故障中线路电气参数的暂态变化是研究轨道线路保护与控制技术和短路故障定位技术的基础。基于Matlab/Simulink建立了24脉波整流电路模型,计算了集肤效应作用下等效接触网与钢轨网的电阻和电感值,建立了直流牵引供电系统牵引网短路故障仿真模型,利用该模型对空载线路下牵引变电所近端与远端的牵引网短路故障进行仿真,分析电流瞬态值随不同故障距离变化情况。仿真结果曲线充分反应整流机组等非线性器件使得近端短路瞬态电流峰值呈振荡收敛状态,证明了该模型的准确性,为牵引变电系统线路保护装置的精确配置提供参考。     

一种新的超低功耗轮胎监控数据采集系统设计

设计了一种直接式轮胎压力监视系统(TPMS)中的超低功耗数据采集器.该采集器以MSP430-F149单片机作为数据采集模块的主控MCU,以ATA5749作为采集器的无RF发送IC,并设计了采集模块的唤醒电路;最后以中断唤醒的方式设计了数据系统的软件工作过程;并且在唤醒信号处理的同时提供了对电池的微小充电,延迟采集器电池寿命.     

不同调制机制下无线传感网收发器能耗优化模型*

针对无线传感网节点能量约束问题,提出单位比特数据传输能耗最小化模型。从物理层和硬件电路角度,建立收发器能耗模型,根据不同的调制机制,并考虑数据重传机制,提出了基于单位数据传输能耗最小化的最佳负载大小模型和最优通信距离模型。分析了在不同信号干扰、通信距离、负载大小、发射功率以及不同调制机制下的最优能耗值。实验结果进一步验证：当信号干扰强度较大时,短距离通信更有利于系统节能;随着通信距离的增加,最佳负载大小值趋于常量;采用自适应发射功率能明显降低数据传输能耗;随着通信距离或者干扰强度的增大,数据传输能耗以指数形式增加。     

基于ATA5749 的超低功耗轮胎监控数据采集器设计

设计了一种直接式轮胎压力监视系统（TPMS）中的超低功耗数据采集器。该采集器以MSP430F149单片机作为数据采集模块的主控MCU,以ATA5749作为采集器的无RF发送IC,并设计了采集模块的唤醒电路：最后以中断唤醒的方式设计了数据系统的软件工作过程;并且在唤醒信号处理的同时提供了对电池的微小充电,延迟采集器电池寿命。     

Radio-Triggered Wake-Up for Wireless Sensor Networks

Power management is an important technique to prolong the lifespan of sensor networks. Many power management protocols employ wake-up/sleep schedules, which are often complicated and inefficient. We present power management schemes that eliminate such wake-up periods unless the node indeed needs to wake up. This type of wake-up capability is enabled by a new radio-triggered hardware component inspired by the observation that the wake-up radio signal contains enough energy to trigger a wake-up process. We evaluate the potential power saving in terms of the lifespan of a sensor network application, using experimental data and SPICE circuit simulations. Comparing the result with always-on and rotation-based power management schemes, we find the radio-triggered scheme saves 98% of the energy used in the always-on scheme, and saves over 70% of the energy used in the rotation-based scheme. Consequently, the lifespan increases from 3.3 days (always-on) or 49.5 days (rotation-based) to 178 days (radio-triggered). Furthermore, a store-energy technique can extend operating distance from 10 feet to 22 feet, or even longer if longer latency is acceptable. Wake-up efficiency is evaluated in NS-2 simulations, which show that radio-triggered wake-up has fewer failures, shorter latency, and consistently larger sensing laxity than rotation based wake-up. We also present amplification and radio-triggered IDs which can further enhance performance.Lin Gu is a Ph.D. student at University of Virginia. His current research area is in wireless sensor networks, focusing on OS kernel services and energy efficient hardware and architecture support. Before joining to UVa, he got M.S. degree from Peking University and B.S. in Computer Science from Fudan University.John A. Stankovic is the BP America Professor in the Computer Science Department at the University of Virginia. He recently served as Chair of the department, completing two terms. He is a Fellow of both the IEEE and the ACM. He also won the IEEE Real-Time Systems Technical Committees Award for Outstanding Technical Contributions and Leadership. Professor Stankovic also serves on the Board of Directors of the Computer Research Association. Before joining the University of Virginia, Professor Stankovic taught at the University of Massachusetts where he won an outstanding scholar award. He has also held visiting positions in the Computer Science Departmentat Carnegie-Mellon University, at INRIA in France, and Scuola Superiore S. Anna in Pisa, Italy. He was the Editor-in-Chief for the IEEE Transactions on Distributed and Parallel Systems and is a co-editor-in-chief for the Real-Time Systems Journal. His research interests are in distributed computing, real-time systems, operating systems, and wireless sensor networks. Prof. Stankovic received his Ph.D. from Brown University.     

基于LoRa的农田信息无线采集方案设计

针对传统的农业WSN存在距离近、功耗高的问题,提出一种基于LoRa技术的农田信息无线采集系统。通过分析无线网络构成,给出了网络参数的设计原则,优化网络结构、降低组网难度、提高组网效率。选择以STM32L053处理器、SX1276无线芯片和SHT11温湿度传感器组成精简的低功耗节点硬件电路。设计了低功耗、低碰撞的星型无线网络结构,该系统采用分时方法周期性地对传感器数据进行采集和发送。通过实验分析了节点的功耗,时隙长度的选择,对包接收率和接收信号强度指示(RSSI,received signal strength indication)的关系进行研究。结果表明该系统具有通用性强、功耗低、距离远、组网便捷、稳定可靠等特点,能够满足农田信息采集的应用需求。