关键词： Zigbee   物联网   环境监测   低功耗   BP神经网络  

摘要： 我国农业果园种植面积大,随着物联网、云计算、大数据等新一代信息技术的快速发展,农业果园信息化建设也进入了一个新阶段,利用多媒体技术对果园的生态和果树生长进行实时监控,是实现农业生产的信息化和现代农业生产的关键。本文以赣南某脐橙果园的实际生产环境入手,对国内外的农业监测发展状况进行了分析,并根据当前脐橙果园的环境监测布线不灵活、人工费用较高、管理难等问题,综合利用传感器、嵌入式技术、无线通讯技术等先进的信息技术,开发了一套基于物联网的果园环境监测系统。采用4 G网络高带宽和高速传输速率,可对多点多参数的果树生态监测进行远程无线传输;本课题的研究内容如下:系统的硬件部分:主要包括:终端信息感知模块、网关模块、微处理器模块;4G通讯模块及太阳能模块。主控芯片STM32F103,辅助处理器CC2530。在完成硬件开发之后,对其进行测试分析并验证其性能。实验结果表明:该设计方案可以有效实现采集环境参数等功能。为解决当前脐橙果园环境监测中的布线难问题,以Zigbee+4 G模式进行数据传送,传感器节点采集的数据利用短距离无线的方式进行传输,并将果树的生态环境信息与远程监控中心进行远程通信。太阳能电源由太阳能板、控制器等构成,能够很好地适应野外的电力监测要求。系统软件部分:首先利用IAR软件对下位机程序进行开发,在Z-tack协议堆叠的基础上,对协调器节点、路由器节点、网关节点以及通讯节点进行了编程。进行节点数据的采集和传输。利用4 G网络将无线传感网络(WSN)的数据传输到数据处理系统,然后将其存储在SQL数据库中,利用***软件对数据库中的数据进行调用,设置并将其上传到因特网上,从而可以对监测数据进行及时存储和存取,便于管理者对系统的数据进行及时的了解。建立了BP神经网络预测模型算法对果园内的光照强度、温度和湿度进行有监督训练方法,能够有效地反映出果园中的环境因子之间的非线性关系,经过对网络迭代次数和参数的多次调整,建立的训练预测模型与实际环境拟合度程度高,其均方根误差(RMSE)为4.7%,平均绝对误差(MAE)为3.2%。温度和湿度预测值的平均相对误差3.65%(MRE)都控制在范围以内,因此,基于BP神经网络的果园环境的空气温度、空气湿度、光照强度预测模型是有效的。实验证明,本系统能够实现对果树的生态环境信息进行无线、精确的实时采集与传送。可以长期存储果园环境数据,实现数据查询与共享,用户可以实时浏览果园环境数据,进行历史查询和图形化数据分析,最后,根据脐橙果园环境因子规律,利用BP神经网络建立了预测模型。系统能够很好地适应果树生态环境的要求,与论文的设计目的相吻合,为果树生产、农业生产提供了有很好的现实参考意义。

关键词： 高频   超高频   射频识别   无源双频标签   数字基带   低功耗  

摘要： RFID技术经过多年发展,衍生出了低频、高频、超高频和微波等不同频段的系统。目前,以高频和超高频RFID应用最为广泛,高频RFID系统工作频段为13.56MHz,主要应用于近距离点对点通信,超高频RFID工作频段为900MHz,适用于远距离大容量应用,两者在技术应用上具备很强的互补性。随着RFID技术应用的不断深入,单一频率RFID技术已经无法满足复杂场景下的数据采集和自动识别需求,多种RFID技术需要集成部署,标签也需要将多种协议集成到单一芯片上,满足实际应用中多功能、高集成和低成本的融合化需求。针对以上情况,本文给出了一种无源双频标签芯片,可兼容现有高频和超高频RFID系统。不同于将两种频段的标签芯片直接封装在一起实现的双频标签芯片,本文将所有功能单元全部集成在同一片上,在提高系统集成度的同时,降低了芯片后续的封装成本。此外,通过共享存储区设计,数据可在两种空口协议下读写,避免了同一标签在不同系统下存在应用隔阂,导致数据无法流转的问题,真正实现一签多用。在系统结构上,本文采用ISO/IEC 14443-A协议和ISO/IEC 18000-6C协议分别作为高频和超高频功能标准,整合13.56MHz和900MHz射频模拟前端,给出了无源双频标签芯片整体架构。电路中设计有电源整合模块,可将两个模拟前端的输出电压整合为常开电压,为数字基带和存储单元供电。为保证两个协议功能完整性,本文对存储器进行了划分,并在数字基带内部对各区域读写权限做了限定。在功耗管理上,针对无源标签对功耗敏感的特点,本文设计了一种低功耗超高频数字基带架构,根据功能需要为不同模块提供不同频率时钟,并通过统一的时钟管理单元精确控制各模块开启与关断。设计时采用单周期脉冲时钟、行波计数器、时钟门控等低功耗设计方法,降低电路功耗。本文基于TSMC 180nm工艺设计,工作电压为1V,在典型超高频测试激励下,物理实现后电路功耗为2.4μW。本文完成了芯片的流片、天线整合、样品的功能参数测试和通信系统联合验证。芯片采用COB封装,外接13.56MHz线圈和900MHz天线形成完整标签,通过NFC读写器和商用6C阅读器进行无线功能测试,并用示波器对关键信号波形进行观测。最终测试结果表明本文设计的芯片功能满足两种协议要求,标签可与两种RFID系统正常通信。

关键词： 非易失   阻变式   存储器   低功耗  

摘要： 静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,SRAM)重新上电后,数据无法自行恢复到断电之前,即具有易失性。研究人员为使SRAM具有非易失能力,设计了同时具有非易失性和高速读写能力的非易失性静态随机存取存储器(Non-Volatile Static Random Access Memory,NVSRAM)。且随着工艺的进步,器件的阈值电压与工作电压的下降比例不一致导致SRAM的泄漏功耗增加,而NVSRAM可通过断电将泄漏功耗降低为零。从而设计具有高速备份和恢复能力的NVSRAM,对需要上电恢复SRAM中的数据和降低SRAM的泄漏功耗具有深远意义。基于阻变式随机存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)的非易失特性,设计了一种采用两个RRAM器件同向串联结构的新型非易失性存储器(Non-Volatile Memory,NVM)单元,提高了NVM单元对锁存节点恢复电位的准确性。利用单个或互补晶体管连接NVM单元的公共节点和标准SRAM单元的锁存节点,设计了7T2R、8T2R、8T4R和10T4R四种NVSRAM单元结构。设计了相应阵列全并行备份、恢复电路,解决了单个RRAM器件恢复单个锁存节点时,需要额外写操作初始化NVSRAM单元锁存节点使恢复功耗和延迟开销增加的问题。在TSMC 65nm工艺库下设计了四种单元的版图,并对其进行了后仿真验证。功能仿真验证表明设计的四种单元均实现了稳定的读写、备份和恢复功能。静态仿真分析结果表明设计的四种单元表现出接近标准SRAM单元的读写性能。在FF工艺角下四种单元进行备份操作时,保留了至少96.23%的标准SRAM单元保持静态噪声容限。通过在1V工作电压下,仿真分析标准SRAM的泄漏功耗及NVSRAM单元的备份和恢复功耗,得出设计的7T2R、8T2R、8T4R和10T4R单元分别比标准SRAM单元在保持数据1ms所产生的泄漏功耗降低了26.43X、23.86X、8.43X和7.5X。且保持数据时间越长NVSRAM单元降低泄漏功耗的表现越好。延迟分析得单元备份、恢复数据得最小延迟分别为0.535ns、4.147ns,且备份、恢复延迟与阵列容量不直接相关。仿真分析表明设计的四种单元中采用传输门同步电压的结构比单晶体管结构的备份数据‘0’延迟基本一致、备份数据‘1’延迟降低了1.83X;双边结构比单边结构单元的恢复延迟降低了1.81X。

关键词： 低能耗智能蓝牙云交互耳机   硬件系统   软件系统  

摘要： 蓝牙技术是一种短距离无线连接技术,使用灵活性及可靠性较好,可以获得较好的通信频率。低能耗智能蓝牙云交互耳机的延时较短,能耗较小,可以实现高品质音乐数据传输任务,保持音乐播放过程的保真性,使用价值较高。但传统蓝牙耳机的功能不够齐全,充电频率较高,存在着一些使用问题。低功耗智能蓝牙云交互耳机可以有效改善此类问题,通过用户语音唤醒耳机,自动切换音频数据,能够随时满足用户的使用需求。基于此,本文对低功耗蓝牙耳机进行了全方位、多角度、深层次论述,相信对业界研究会有一定的参考价值。

关键词： 关联规则挖掘   Eclat算法   多线程   局部敏感哈希   位图  

摘要： 随着信息技术的发展,数据产生的速度越来越快,数量越来越多,使得数据的筛选工作变得困难,进而影响整体数据挖掘的效率,造成不必要的损失。因此,如何从大量的数据中找出需要的数据对数据处理具有重要意义。关联规则挖掘是一种从大数据中寻找关联关系较为紧密项集的技术,主要用于快速对数据进行过滤,减轻后续数据处理的压力。本文主要研究Eclat关联规则挖掘算法,针对Eclat算法当中存在的部分问题进行改进,主要的研究内容如下:(1)针对Eclat算法在挖掘过程中候选集生成过多而导致挖掘时间长的问题,提出一种多线程并行挖掘算法Con-Eclat。该算法将数据集根据其事务集前缀进行分类,并对每一分类单独分配线程进行挖掘。该算法有利于提高Eclat算法在挖掘过程中的运行效率,减少重复事务集的生成。通过采用公开数据集进行对比实验,通过比较不同算法的挖掘效率,验证改进后的Con-Eclat算法的有效性。实验表明,改进后的Con-Eclat可以显著提高Eclat对密集型数据集挖掘效率,但是对稀疏型数据集的挖掘效率提升不明显。(2)针对Con-Eclat对稀疏型数据集的挖掘效率提升不明显的问题,采用改进事务集存储结构的方式来提高事务集存储效率以及交集运算速度,进一步提高Con-Eclat算法的挖掘效率。提出一种局部敏感位图存储结构(Locally sensitive hash Bitmap,LBM),LBM结合了局部敏感哈希和位图两种数据结构,可以根据存储数据量的变化动态调整内部数据存储结构,利用LBM能够提高数据的空间存储效率以及数据结构之间逻辑运算速度。提出一种基于LBM的Con-Eclat算法,利用LBM存储Con-Eclat算法中事务集数据,提高挖掘过程中事务集的存储效率和交集运算速度。通过对比实验证明基于LBM的Con-Eclat算法能够有效提升Con-Eclat算法对稀疏型数据集的挖掘速度提升不明显的问题,同时减少了挖掘过程中空间的消耗,提高了Con-Eclat在关联规则挖掘上的效率。

关键词： 低功耗   电源管理   LDO   电流基准   电压基准   瞬态响应  

摘要： 通过合成生物学手段构建基因细胞工程生物传感器,并与集成电路技术相结合,对代谢疾病的诊断与治疗具有重大科学意义和转化应用前景。而对于基因细胞工程生物传感器相关芯片中的电源管理系统,需具有低功耗的特点,因此其设计十分具有挑战性。本文基于中芯国际40nm CMOS工艺,设计了一款可应用于低功耗生物微弱光信号检测So C中的低功耗电源管理系统。本文的主要研究成果如下:1、通过低功耗生物微弱光信号检测So C对其电源管理系统的功能要求,制定该电源管理系统的架构及模块组成:该电源管理系统由四种不同结构的低压差线性稳压器(LDO)构成,分别输出2.5V、1.1V、1.25V、2V。一个可输出670m V和1.25V的电压基准、一个可输出10n A和100n A的电流基准、一个可输出500n A和1μA的电流基准构成。并通过低功耗So C静态功耗要求,制定每个模块的静态电流。2、针对不同LDO对静态电流和瞬态特性的需求,设计了四种不同结构的LDO:一个电源电压与输出分别为3.3V、2.5V的带片外10μF电容的主极点补偿LDO,并设计了一个电压缓冲器置于误差放大器(EA)和功率管之间,来提高误差放大器的驱动能力并且保证LDO在重载时的稳定性,其静态电流为3.97μA;一个输入电压为2.5V,输出电压为1.1V,静态电流仅为51n A的超低功耗LDO,为误差放大器设计了一个动态偏置电路,在保证超低静态电流下尽可能提高该LDO的瞬态响应速度;一个输入电压为2.5V,输出电压为1.25V,静态电流为1.92μA,最大驱动负载为10m A的LDO,为该LDO设计了一个共栅输入级、推挽输出级的EA来优化其瞬态特性,并在此基础上加入了一个通过电容耦合检测输出电压形成动态电流的动态偏置电路,从而在更低的静态电流下获得更快的瞬态响应速度;一个输入电压为2.5V,输出电压为2V,空载时静态电流为30.25μA,使用自适应偏置技术提升误差放大器重载时压摆率和带宽的LDO,设计了一个输入电压等于输出电压的自适应偏置电压缓冲器来提高LDO的带宽,并为了补偿该LDO的稳定性,为其设计了一个零点-极点追踪电路,保证其在重载时的稳定性。该LDO的输出电压时域响应恢复时间仅为5.8μs。3、四种不同结构LDO,有着不同参考电压和偏置电流需求,基于此:设计了一个静态电流仅为0.23n A～1.12 n A,基于耗尽管负阈值电压和厚氧化层管高阈值电压差而产生低温度系数输出电压的极低静态功耗电压基准,该电压基准通过设置不同PMOS管数量来实现670m V和1.25V两种不同基准电压,来分别提供给各自需要的LDO,并采用了数字控制位的方法来降低工艺角不同带来的电压基准波动;基于传统CMOS加片上高阻相结合的亚阈值区电流基准,设计了一个静态电流为57.6n A,采用工作在线性区的NMOS管代替片上高阻的电流基准,减小了版图面积,实现了全CMOS的低功耗电流基准,采用了只需要两个PMOS管组成的启动电路使其在上电后脱离简并点;设计了一个静态电流为16.6μA,基于双极性晶体管V 负温度特性和(35)V 正温度系数特性的低温度系数电流基准,去掉了运算放大器从而降低了静态功耗,并设计了一个辅助支路来消除核心电路电流镜中晶体管的V差别从而提高输出电压精度并降低输出电压的温度系数。核心电路在不同工艺角下的温度系数为7.05ppm/℃～15.63 ppm/℃。4、设计该电源管理系统各个模块的版图,并且将其嵌入到低功耗生物微弱光信号检测So C的整体版图中。首先对各个模块的版图通过Calibre做寄生抽取,对各LDO、电压基准、电流基准进行后仿真;然后通过对低功耗生物微弱光信号检测So C的整体版图进行寄生抽取,对各LDO的输出电压进行蒙特卡罗仿真,验证各LDO输出电压的精确性:四个LDO蒙特卡罗仿真输出电压均值分别为:2.51146V、1.26079V、2.04408V、1.15364V,标准差分别为:120.47m V、59.481m V、94.9069 m V、46.4177 m V;然后将各LDO、电流基准、电压基准的静态电流与系统静态电流预算进行对比,证明了本论文所设计的低功耗电源管理系统之功耗符合性能指标:四个LDO的静态电流分别为3.97μA、51.367n A、1.92μA、30.25μA,电压基准的静态电流为0.23～1.12n A,两个电流基准的静态电流分别为57.6n A和16.6μA。

关键词： NDIR   气体传感器   低功耗   自供电  

摘要： 目前国内外对非分光红外（NDIR）气体检测已经做了大量研究,如热释电、热电堆等传感器,但是常规的热释电、热电堆探测器在某些场景下并不适用,如用于单兵作战以及户外运动时,常规红外气体传感器由于自身功耗高,用电池供电会使得整个传感器体积变大,还需经常更换电池,造成不便。因此本文设计了NDIR低功耗自供电式气体传感器,该传感器经过特殊的低功耗设计,同时研制了自供电系统,解决了常规传感器功耗高,携带不便的问题,同时传感器还在不同温度环境下进行了测试。主要研究内容包括以下几个方面:1、设计了体积小,光程能够满足要求的气室,通过Tracepro的仿真,验证了其可行性,并完成镀金气室的加工。在硬件电路方面,选用STM32作为核心,设计光源驱动电路、信号调理电路以及电源电路、温湿度采集电路等,通过单片机控制调制光源,信号在经过信号调理电路后进入单片机数据采集,并完成PCB的加工、焊接。还介绍了整个软件系统的流程,并对其中重要程序如光源驱动、A/D采集、系统内部时钟配置等进行了设计。2、设计整个传感器系统配套的自供电系统,通过经典的电磁感应定律,依靠磁铁棒切割磁感线圈来产生电,分析了各种整流电路的特性,选择二极管整流桥作为整流电路,再经过Boost升压电路以达到稳定的直流电,给传感器系统供电。3、搭建了气体传感器系统的标定测试平台,完成了系统的标定测试,包括稳定性、功耗的测试。在数据处理分析方面,通过Origin进行拟合分析,最大拟合误差为0.16%,传感器的平均功耗为25.91m W,同时还完成了0-30℃的温度内的标定测试,并对结果进行了温度补偿,复测结果显示通入5%的标准气时,最大误差为2018ppm。

关键词： 关键词识别   特征提取   权重二值化网络   低电压   低功耗  

摘要： 随着计算机技术的发展,语音关键词识别（Keyword Spotting,KWS）已经普遍应用在具有人机交互的小型便携式设备中,因此低功耗是KWS系统的重要考虑因素。近似计算的引入可以有效降低KWS系统功耗,并且基于近似计算的特点,低电压设计的引入可以在无精度损失的同时降低功耗。基于上述分析,本文设计了基于低电压的低功耗KWS系统。基于典型的KWS系统,本文从近似计算和低电压设计两个方面进行细致优化,以尽可能降低KWS系统的功耗。本文的主要研究工作包括:1)根据电路中引入近似计算会使关键路径延时的裕度增大,提出了基于TSMC 22nm工艺标准单元库的双轨电压标准单元库设计,并且提出了基于双轨电压标准单元库的低电压近似加法器和低电压近似乘法器设计,在保证精度的同时有效降低功耗;2)将设计的基于低电压的近似计算单元应用到特征提取模块中的快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）单元中,极大的降低了FFT单元的功耗;3)面向权重二值化网络（Binarized Weight Network,BWN）的计算单元,设计精度可重构的4层加法树,并且采用流水线设计,提高计算效率,通过任务调度和分时复用处理卷积层和全连接层。本文基于TSMC 22nm工艺完成了基于低电压的语音KWS架构和电路设计。仿真结果表明:在典型模式（2.5MHz）下,高电源电压为0.55V,低电源电压为0.45V,KWS系统的功耗为37.9μW,延时为1.175ms;在低功耗模式（250k Hz）下,电源电压为0.45V,KWS系统的功耗为7.8μW,延时为11.75ms。版图设计面积为0.25mm,在近麦克风场景下KWS系统识别精度可达86.3%,最高能降低29.8%的功耗。

关键词： X射线偏振探测   立方星   FPGA   数据压缩   低功耗   辐照加固  

摘要： 伽马暴瞬时辐射及其晚期X射线耀发偏振观测对理解新生致密天体的性质和喷流辐射物理具有重大意义,对软X射线波段(2-10KeV)进行偏振探测是研究伽马暴事件的重要探测手段。空间X射线偏振探测合作组(CXPD)研制的立方星采用微结构气体探测器和基于硅像素芯片的电子学读出系统相结合的方式对2-10 KeV的X射线进行偏振测量。CXPD立方星的读出电子学系统,采用硅像素芯片的顶层金属电极收集微结构气体探测器经光电倍增后产生的光电子,并使用Rolling Shutter的扫描方式将像素阵列信号逐行读出,并连接FPGA进行后续的信号处理。随着像素阵列规模的增大,基于像素芯片的读出电子学系统越来越复杂,X射线偏振探测卫星面临着数据传输带宽限制、低系统功耗、抗辐照性等多方面的考验。本文针对探测卫星面临的上述挑战,基于硅像素芯片设计了一套读出电子学,能实现数据的在线实时处理,并具备低功耗和抗辐照的性能优势,本文完成的工作如下:1.设计了一套电子学读出系统,分为硬件软件两部分。硬件分为三层PCB板,包括顶层读出板,用于收集硅像素芯片采集到的X偏振信号;中间的FPGA板对整个电子学系统进行控制;以及最下层的高压板,用于给顶层的腔室提供高压电场,增加探测灵敏度,电子学系统支持的探测事件率最大可达到77.16count/s。软件部分基于CAN总线以及UDP协议提出了一套慢控与快读出相结合的上位机通信系统。其中CAN总线用于指令集的下发,UDP协议用于数据传输。当前CAN总线的指令传输速度达到0.125MB/s,UDP上位机的数据传输速度可达到2.4-3.5MB/s。2.探测卫星运行到特定轨道区域后,才能将处理后的数据下传至地面,硅像素芯片在数据无压缩情况下数据量达到了 675GB/day,而卫星下传至地面的数据量最大限制6.25GB/day。基于数据传输带宽的限制,本系统提出了两种在线数据压缩算法:本底噪声压缩法和差值压缩法。两种压缩算法都用于在线压缩数据,提取有效的事件信息。经测试,两种压缩算法压缩率分别为0.5737%和0.1219%,满足卫星每日的数据量下传要求,且两种压缩方案各具不同优势。根据卫星固定时间下传数据的需求,系统采用大容量eMMC作为数据缓存,eMMC读和写速度可达30MB/s和 17MB/s。3.在近地轨道环境下,大量高能粒子辐射会导致电子学系统发生单粒子翻转效应,本文设计了基于三模冗余的辐照加固电路,增强系统的抗辐照性能。此外,本系统采用改进的门控时钟方案完成了系统的低功耗设计,基于门控时钟的低功耗控制方案使得系统的功耗降低了 30.28%。

关键词： 国产芯片   开源PLC   龙芯2K1000   OpenPLC   电梯控制  

摘要： 可编程逻辑控制器（PLC）在控制领域内应用极其广泛,我国作为制造大国对于PLC有非常大的市场需求,但我国PLC研发仍处于起步阶段,随着美国在科学技术领域对我国的限制和制裁,迫切需要研发具有自主知识产权的国产PLC。本文以国产龙芯2K1000微处理器为核心,结合开源Open PLC,展开开源PLC的研究,全文主要工作如下:（1）在分析龙芯微处理器和Open PLC的基础上,结合PLC的一般功能,完成了开源PLC的总体方案设计。（2）设计了基于龙芯的开源PLC系统。分析龙芯1号系列和2号系列微处理器的性能和成本,选用龙芯2K1000开源主控板卡作为PLC核心,通过更新PMON系统,搭建Debian10系统,修改脚本代码解决了Open PLC移植过程中的软件依赖、库文件装载等问题,实现了Open PLC的移植。针对Open PLC平台直接驱动龙芯GPIO口的控制方式较复杂问题,应用ESP8266设计了接口扩展模块电路,灵活地实现了所设计开源PLC与被控对象之间的连接和数据交换。同时,在接口扩展模块的基础上扩展继电器解决了强电控制问题。（3）设计并实现了开源PLC的功能及性能验证实验。设计了四层电梯模型,并基于开源PLC完成电梯控制器软硬件设计,包括电梯上下楼按键、楼层显示等硬件模块,以及电梯控制程序,分别进行了单梯控制和并联控制实验,测试了开源PLC的基本输入输出功能、基本逻辑控制功能以及复杂控制功能。测试结果表明所设计开源PLC运行稳定,能够满足常见控制需求。