关键词： 无线传感网络   蓝牙   时间同步   低功耗  

摘要： 无线传感网络技术对于实现高速飞行器外表面环境温度场参数的无缆化测量具有重要研究价值。但受制于传输时延和功耗等问题,无线数据传输方式尚未在高速飞行器外表面温度监测试验中得到大范围使用。针对上述问题,提出了基于新一代蓝牙的同步、低功耗无线传感网络方案,并开展提高传输速率的研究。论文主要内容如下:首先,在分析了高速飞行器无线传感网络设计需求和性能指标的基础上,本文确定了无线传感网络的总体方案,并对无线传感网络两个关键技术进行论证。为了降低时间延时对无线传感网络多节点通信的影响,本文采用了基于多段补偿双向时钟算法的时间同步技术,通过对下一周期时钟偏移量进行预测,提前校准从而达到主从节点时钟同步的目的。在此基础上,改进传统轮询方法,提出了基于时间同步的轮询访问方式,通过发送一次同步帧,进行多次从节点轮询。通过减少传感器从节点唤醒时长,在软件方面实现了系统的低功耗设计;通过降低同步帧信号冗余量,使平均轮询周期变短,提高了有效数据的传输速率。其次,设计了无线传感网络实验系统,并对关键电路进行论述。设计了K型热电偶的调理电路,以达到冷端补偿、降低电磁干扰和提高信号增益的效果;以双晶振的模式为n RF5340芯片设计两种工况进行能量管理,正常工作时选用32MHz高速晶振,休眠时选用32.768KHz低速晶振,以实现功耗的降低;在蓝牙主节点一侧对接收的数据进行编帧,舍弃掉访问地址、校验位等,添加帧头和数据容量信息,方便读取后进行数据分析;采用文件管理的方式对存储记录模块进行设计,实现了快速提取有效数据。为验证上述内容的合理性和可行性,搭建由温度传感器、调理电路、蓝牙主从节点以及存储记录模块构成的实验测试平台,进行了节点同步性、功耗、传输速率、传输距离以及丢包率的性能指标测试。实验结果表明节点同步采样时间差小于10μs;在传输数据状态时,传感器从节点平均工作功耗为7.4036m W,使用纽扣电池(550m Ah)供电,可用246h以上,可以满足实际工作时长需求;数据传输速率可达1.375Mbps,有效传输距离可达13m,平均丢包率仅为0.0851%,实现了数据速率优于1Mbps的设计指标,满足了高速飞行器表面温度场测量对高精度与多传感器从节点同步采集的传输速率需求。

关键词： 光控突触器件   神经行为模拟   低功耗   高识别精度  

摘要： 随着信息技术的快速发展,需要处理海量数据。然而,采用冯·诺依曼架构的计算机,其存储和运算单元的物理分隔设计使数据在运算过程中反复被搬运,极大地消耗了能量并限制了运算速度的提高,难以满足未来对算力的巨大需求。与之形成对比的是,人脑通过大量神经元和突触并行地完成存储和运算任务,能够快速和低功耗地处理数据。受人脑启发的神经形态计算有望打破冯·诺依曼瓶颈。人工突触器件作为神经形态计算系统的基本组成元件,主要分为电控突触器件和光控突触器件。相比于电信号,光信号具有高带宽、低串扰、低功耗等优点,因此,光控突触器件在构建神经形态计算系统方面更具优势。近年来,光控突触器件领域发展迅速。然而,已报道的光控突触器件受限于结构设计和材料选择,存在透光率不足、集成成本昂贵、高功耗等缺点。在上述背景下,本论文围绕新型低功耗平面两端光控突触器件的研发,开展了如下工作:（1）基于TiO的平面两端光控突触器件研发设计并制备了基于TiO的平面两端光控突触器件,成功模拟了时间依赖可塑性、强度依赖可塑性、学习经历、双脉冲易化等神经行为,并在两种不同的光脉冲模式下成功模拟了累次学习行为和记忆巩固过程。该突触器件的单个脉冲事件能耗低至1 n J。针对分类和识别任务,分别实现了小数据集92.99%和大数据集84.78%的实验识别精度。但是,基于TiO的光控突触器件只对紫外光响应,限制了其应用场景。（2）基于CsPbIBr的平面两端光控突触器件研发为了制备出能在可见光波段工作的突触器件,选用CsPbIBr作为光响应层,将器件光响应的范围拓展至650 nm,并在可见光调制下,成功模拟了瞬时记忆、短期记忆、长期记忆、双脉冲易化等神经行为。由于独特的器件结构设计,该突触器件的运行电流降低至皮安培量级,与生物的突触后电流接近。得益于超低的运行电流,实现了低至4.25 p J的单个脉冲事件能耗。针对分类和识别任务,分别实现了95.99%（小数据集）和95.34%（大数据集）的实验识别精度。

关键词： Delta-Sigma调制器   低功耗   多位量化   DWA  

摘要： 数字信号处理(Digital signal processing,DSP)技术飞速发展,作为模拟信号与数字信号的桥梁,模数转化器越来越被学术界与工业界所关注。Delta-Sigma ADC通过牺牲工作速度来换取很高的精度,对工艺要求较低同时降低了电路设计难度,符合大规模集成电路的发展趋势,Delta-Sigma调制器是Delta-Sigma ADC的关键部分,如何降低Delta-Sigma调制器的功耗同时获得较高的精度是本文所要研究的。本文设计了一款低功耗Delta-Sigma调制器,根据所需性能选择了3阶3bit离散时间全前馈的结构,运用MATLAB/SIMULINK仿真软件完成调制器的建模与仿真,考虑非理想因素,仿真得到101d B的SNR,从而获得实际电路设计所需参数,使用Cadence平台,采用180nm CMOS工艺和3.3V电压,完成调制器整体电路设计并对每个模块的性能进行仿真,通过仿真确保每个模块实现所需的功能,设计自调零开关电容积分器从而消除失调电压和降低1/f噪声,采用基于反相器的运算放大器和开关电容共模负反馈得到低功耗的运放,用于开关电容积分器中。虽然一位量化具有固有线性,但很容易导致积分器过载从而严重劣化调制器性能,本设计采用三位量化,运用DWA(Data Weighted Averaging)技术消除反馈DAC的非线性影响,采用无源求和网路代替常规求和运放电路、使用动态功耗低的Strong-Arm比较器作为SAR ADC的比较器,从而实现了3位低功耗量化器的设计。对调制器整体电路进行瞬态仿真,信号带宽为2k Hz,过采样率为64,输入频率为593.75Hz,幅度为-2d BFS的正弦波信号,得到有效位数ENOB为15位,SNR达到92d B,无杂散动态范围达到105.9d B,在3.3V的电压下,功耗为0.732m W,实现了低功耗的需求。

关键词： 地震勘探   LoRa技术   组网   测距   定位   低功耗  

摘要： 石油和天然气等资源需要从自然界开采获取,采用勘探方法探测资源分布是开采前必不可少的过程。在重、磁、电、震、放射性五大类地球物理勘探方法中,地震勘探法应用最广泛,该方法利用人工震源产生地震波信号,经不同地层结构反射或折射后,利用地震数据反演出地层结构,确定资源分布状况。地震勘探系统大致分为有线和无线两类,早期以有线系统为主,但随着无线通信技术不断发展,无线系统正逐步取缔有线系统。无线地震勘探系统是集地震波数据采集、传输、存储、处理、节点定位和状态监测等技术为一体的大型装备,设备研发的关键是无线通信系统的设计,国外在相关设备研发方面,厂商多且更新快,而国内相关技术仍处于研发阶段,设备自主化程度不高且更新慢,我国的无线地震勘探设备亟待不断改进创新,以适应日新月异的需求变化。因此,本文设计了地震勘探监测的无线通信系统,并对系统的数据传输和节点定位等关键技术做出改进,工作内容及创新主要包括:(1)地震勘探作业区覆盖面积较大,要求无线网络通信范围广且通信质量和效率高。LoRa是一种远距离无线通信技术,虽然有较成熟的LoRaWAN协议,但不满足海量节点的路由通信需求,本文在LoRaWAN基础上对系统组网通信协议进行优化。组网时,不同距离段节点适配不同通信速率,提升组网速度;数据通信时,将不同信道划分为CSMA和TDMA两类,节点间采用CSMA和TDMA混合接入方式,解决了周期性和突发性业务并行传输冲突问题。同时设计了专用通讯协议和组网通信流程,组建LoRa通信网络,实现可靠数据传输。(2)通过组建的LoRa网络实现节点定位,可以降低作业人员巡检难度,提高工作效率。传统基于RSSI测距的三边测量定位法,易受环境影响定位误差大。为适应多变的环境、提高定位精度,设计一种基于融合测距的三角形质心定位法,RSSI测距模型具有近端误差小的优点,而TOA测距模型远端测距误差小,利用Dixon检波和EKF算法对二者测距参数先剔除异常值再进行测距融合,获得最优距离估计值。实际情况下测距误差是不可避免的,传统三边测量定位结果会位于三角形范围内,通过解算三角形质心坐标实现节点定位。(3)监测中心距离作业区较为遥远,网关需要具备超远距离通信的能力,实现远程监测和管理勘探作业现场。因此,基于以上改进的技术方法,结合LoRa技术和4G蜂窝技术实现无线数据传输方案,设计实现地震勘探监测无线通信系统的软硬件平台并对系统进行测试。测试结果表明:本文提出的组网通信方法能显著降低组网耗时,提高通信质量,且在2km以内,通信成功率大于90%;基于EKF融合测距的三角形质心定位法,在1km内,平均定位误差约4.2m,定位误差减小了25.5%;监测节点平均功耗仅4.83m W,达到预期要求。

关键词： 晶体振荡器   实时时钟   快速起振   超低功耗  

摘要： 由于物联网的快速发展,电子类产品需求越来越大,实时时钟(Real-time Clock,RTC)电路在电子类产品中得到广泛应用。由于大多数电子产品使用电池供电,为了设备可以长时间工作,处理器通常会控制系统进入睡眠状态,只有RTC电路需要维持工作状态,因此低功耗的RTC电路对于降低系统功耗、延长电池寿命具有重要意义。本文首先从应用需求出发详细分析了晶体振荡器的工作原理,阐述了RTC电路的整体架构,在此基础上设计了一种超低功耗RTC电路,其主要包括超低功耗晶体振荡器和数字模块电路两部分。根据晶体振荡器起振和停振情况下输出电压信号平均值的特性,提出了一种能够获得振荡器维持振荡状态所需的最小电流的方法,同时提出了两种不同的数字控制电路结构为晶体振荡器提供电流控制信号,大大降低了晶体振荡器电路的功耗。采用电阻对基准电流源进行温度补偿,降低了基准电流源的温度系数。通过减小MOS管尺寸,降低了施密特触发器的动态功耗。数字模块电路主要包括电平转换、寄存器、计数器和wakeup等模块,采用标准单元库的低功耗设计,其中计数器采用异步计数的方式,有效降低了系统的功耗。本文基于28 nm CMOS工艺设计了一种超低功耗RTC电路,版图面积为643μm×540μm。仿真实验结果表明,在1.8 V电源电压下,振荡器电路能够在200 ms内快速起振,振荡频率为32.768 k Hz,在-40～85℃下的最大频率偏差为78.3 ppm,输出时钟信号稳定后振荡器的工作电流仅为248.9 nA,最终超低功耗RTC电路的整体待机电流约为290.6 nA。

关键词： 厚壳贻贝   养殖监测   STM32   NB-IoT   低功耗  

摘要： 长期以来厚壳贻贝的养殖模式较为粗犷,主要依靠老渔民的经验进行养殖周期管理,随着东海渔业资源持续衰退和国家倡导产业转型,贻贝养殖的规模不断扩张,通过物联网技术进行科学合理的厚壳贻贝养殖周期管理已经迫在眉睫。因其养殖区域处于离岸200-500米,海面10-20米以下的开放性海域,无法进行稳定的电源接入,所以通常使用锂电池进行供电。因此电池使用寿命是数据采集与传输系统维持长时间稳定工作的关键因素。除了选择大容量电池以外,尽可能降低系统电路的功耗是延长电池使用寿命的主要技术路线。本文针对舟山厚壳贻贝养殖环境这种长期无人值守、无稳定电源供应的场合,设计了一种基于STM32微处理器和NB-IoT通信技术的低功耗数据采集和传输系统,通过水温、溶解氧、光照强度、流速传感器采集和处理养殖环境数据,并上传至云平台进行汇总分析。主要通过以下几个方面的研究并实现了系统的低功耗运行:(1)硬件方案设计。充分考虑系统功能完整和易部署性的前提下,选用合理的低功耗硬件模块并进行针对性电路设计;设计SOC剩余电量检测电路,完成锂电池状态的监测;结合数据采集传输的特点,选用响应速度快功耗低的外设接口。(2)软件方案设计。进行精细化的功能模块动态功耗管理,合理切换各模块的工作模式和省电模式;完成预设工作后,及时关闭相关通信和外设接口;结合贻贝养殖周期特点,定制针对性的功耗优化方案。(3)应急优化设计。通过上位机程序设置,判断锂电池电量耗尽时间,提前进行系统工作频率转换,避免养殖周期关键节点系统停止工作的情况。在系统样机实现养殖环境数据采集和传输的基础上,对各模块进行不同状态下的功耗测试。通过汇总各模块功耗数据,完成了系统的整体功耗分析,本系统满足长期稳定监测舟山厚壳贻贝养殖环境数据的需求。

关键词： 混合型信道接入协议   流量预测   马尔可夫   高吞吐量   时隙分配  

摘要： 无线传感器网络已经被广泛用于环境监测、智能家居、智慧电网等多个领域,并且随着物联网应用的不断发展,传感器网络的规模呈现持续增长的趋势。由于传感器网络有中心的特点,虽然传感器网络的整体负载较低,但是靠近数据汇聚中心的节点的负载较高。竞争型MAC(Medium Access Control)协议虽然可以保证低负载节点的可靠传输,却无法满足高负载网络场景下的业务传输要求。分配型MAC协议,如TDMA(Time division multiple access)协议,虽然可以避免信道冲突、提升吞吐量,但在低负载场景下具有较大的接入时延,而且还有付出时帧同步、资源预约过程的开销。显然,混合型MAC协议可以结合两种协议的优点,提高网络在不同负载下的性能。然而,现有的混合型协议存在着协议切换过程复杂,切换开销较大,高负载下信道没有得到充分利用的问题。 针对上述问题,本文结合传感器网络业务特性以及负载分布不均匀的特点,设计了一种基于负载感知的混合多址接入协议(LA-H-MAC,Load-Aware Hybrid Medium Access Control)。首先,使用双天线实现了信道接入机制的分布式控制,在该控制模式下,节点无需与其他节点协商就可自主决策信道的接入方式,避免了协议报文交互导致的高切换时延。其次,根据网络的局部拓扑与局部负载,通过马尔可夫模型计算时隙CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid)协议可以稳定提供服务的网络负载,并以此负载值作为接入协议切换的阈值。然后,根据节点采集过去的负载情况与子节点的队列信息,应用流量预测模型对网络流量进行预测,并根据预测负载与切换阈值的大小关系动态调整信道接入方式。最后,为协议设计了基于加权轮询的集中式调度算法为节点分配时隙,动态调整使用时隙CSMA/CA接入的时长,实现了协议的平滑切换,并且在调度时能够尽可能的传输节点队列中的数据,提高高负载节点的吞吐量,防止队列过长而丢包,并且在节点存在剩余时隙时可以调度其余节点,最大化的利用了调度的优势。 为验证本文设计的LA-H-MAC协议的性能,本文对所设计协议在流量分布不均且传输较为集中的网络中进行仿真,仿真结果表明,本文设计的LA-H-MAC协议在低负载时性能没有下降,开销无明显增加,在高负载时有效缓解了信道冲突导致的资源浪费,相比多信道Z-MAC(Zebra-MAC)协议的吞吐量性能提升了15%。