关键词： NB-IoT   低功耗   远程抄表系统   远程抄表APP  

摘要： 天然气作为一种洁净环保的清洁能源,不仅燃烧时产生更低的温室效应,有助于改善空气质量,而且经济实惠,供应稳定。21世纪以来,国家大力发展天然气产业结构,现如今天然气已经走入千家万户,成为居民日常起居生活的基本需求之一。然而,随着城市的发展,用户数量剧增且分散各处,复杂且繁琐的传统人工抄表已经无法适应社会需求,远程抄表系统的开发也迫在眉睫。本论文文分析了已有的各种抄表方案,比较了各种有线传输和无线传输的技术,考虑其各方面优缺点,提出了一种高效、低成本、低功耗且高可行性的远程抄表方式,即基于NB-IoT的燃气抄表系统设计。NB-IoT(全称是Narrow Band Internet of Things,译为窄带物联网)是IoT领域刚刚兴起的一项技术,支持广域网中低功耗设备的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)。并且NB-IoT的低功耗优势可将设备的电池寿命延长至10年,并且持续提供室内的蜂窝数据的连接和覆盖。本设计基于一款气体超声波流量计,在其基础上新增一个NB-IoT模块,该模块通过UART串口与单片机C8051通信,C8051通过AT指令集来控制NB-IoT模块。NB-IoT模块每日定时向云服务器发送用户燃气使用量,云服务器将其存储到数据库进行数据分析,并将数据显示手机APP端,用户可直接登录个人账户查看自家燃气用量,抄表员则可登录账户查看住宅区用户燃气使用量,即完成远程抄表,省去人工抄表入户难、缴费难以及监控难等弊端。在该设计过程中除了需要PCB板设计、焊接及调试等硬件相关知识,还需要在云服务器端搭建数据库存储相关信息,上位机端使用了Dart语言设计抄表系统安卓应用程序,不仅具有注册与登录的功能,而且可将用户燃气流量等数据加载至客户端应用程序显示并分析,方便用户及抄表员查看。

关键词： 加密算法   性能优化   多线程  

摘要： 本文通过分析传统的IDEA-ECB加密算法,利用多线程的并发处理能力实现对IDEA-ECB加密算法的改进,获得更快的加密/解密流程,有效提高运算吞吐量和CPU的资源利用率,从而满足即时通讯中高效、及时的软件加密要求.

关键词： Computer engineering   Electrical engineering  

摘要： The recent advances in low-power wireless sensor-based technology have made it possible to design a variety of wearable devices for applications such as environment sensing, human activity monitoring and tracking, etc. These wearable devices have a variety of embedded sensors, which have the capability to collect multiple streams of data. These data can be transmitted wirelessly to a cloud server or logged locally for data-based applications. The devices are widely used in scientific research. Such data collection capabilities make wearable devices a very cheap and accessible solution that fits into people’s daily routines, so their use has expanded beyond remote-monitoring applications to tracking military personnel or animals etc., since human intervention can be very limited. In this thesis, we developed a functional wearable device capable of tracking someone’s location and activity based on Bluetooth Low Energy (BLE) wireless technology. A network of these devices can collect research data in applications such as tracking an individual’s geographic location, tracking social interactions, determining situational behavior etc. Thus, collecting data are the most important function of a wearable device. Low-power sensors embedded in this device can collect a large volume of data with a very high resolution or frequency. Since these devices are typically powered by batteries, they have a limited power budget for transmitting, receiving, and logging data, or for performing computations. In our wearable device, the data are logged locally on a micro SD card. We observed that data collection accounted for a significant proportion of the power consumed by our wearable device, especially the micro SD write operations. We implemented two different software-based data-reduction techniques: batch writes and data compression algorithm. These techniques reduced the size of the sensed data and thus, contributed to reducing the average power consumption of the micro SD write op

关键词： 逐次逼近模数转换器   上级板采样   低功耗   电压带隙基准源  

摘要： 随着MEMS惯性器件的诞生,由于其自身具备的体积小、功耗低、重量轻、耐用性好等独特优势,在很多领域中均得到了广泛的应用。而对于MEMS加速度计的研究,考虑到加速度计的信号输出会随着外围温度的改变而产生偏差,有必要对周围温度测量,并依据一定的关系进行补偿。在对信号的处理中,数字信号已成为主要的信号处理方式,为了把感知的温度模拟信号转化为数字信号,有必要设计一种应用于MEMS加速度计中用于温度补偿的模数转换器,综合考虑精度、速度性能的低要求以及SAR ADC在功耗和面积上的优势,选定逐次逼近型模数转换器作为研究对象进行研究。本文设计了一种12位逐次逼近模数转换器,其主体采用分段结构的电荷型SAR ADC,对分段结构进行改进,将冗余电容由原来所在的低位电容阵列放到高位电容阵列中,解决耦合电容非整数倍的问题,但同时对比较器的精度提高了一点点要求,同时采用电容上级板采样方案,不需要对电容进行置位,因此模数转换器的第一位量化实际上不需要电容阵列的参与,可以节省一位电容即可完成全部转换,因此设计的高位和低位电容阵列分别为6位和5位。采用基于Vcm的开关切换方案,在很大程度上降低了电路的功耗。比较器采用两级级联结构,且都由同一时钟控制,没有静态功耗,采用将输入信号与输出信号隔离的方式阻断回踢噪声,为减小采样信号的非线性采用栅压自举开关,选用具有二阶曲率补偿的电压带隙基准源,温漂为8.718ppm/℃,逐次逼近逻辑由D触发器构成,设计时序逻辑信号发生器,作为与电容相连的每一位数字逻辑的控制端,当时钟上升沿到来时依次触发每一位寄存器,完成每一位量化结果的寄存和电容下级板的电平切换,由于对电容下级板电平切换不涉及到信号的失真采用CMOS对管开关。对整体电路仿真,当采样频率为5k Hz时,得到电路的功耗为115.25u W,信噪比为63.43d B,有效位数为10.24位。

关键词： 流水线逐次逼近型模数转换器   动态放大器   高速   低功耗   增益校准技术  

摘要： 随着时代的发展及人类对自然界更深入的认识,越来越多的模拟量需要被具体化的认知。模拟到数字转换器（Analog-To-Digital Converter,ADC）将被应用在生活的方方面面。如今移动通信技术已经到来了高速时代。这既包括精度高功耗低的医疗穿戴设备,也包括高速高精度的数据传输设备。所以研究高速高精度低功耗的ADC是非常有意义和价值的。很多时候单一结构的ADC不能满足需求,流水线逐次逼近型模数转换器（Pipelined-SAR ADC）成为当今研究的热点。它即具备流水线型ADC精度高、速度快的特点也具备逐次逼近型ADC功耗低,面积小,高数字化的优势。其中的动态放大器响应速度快,功耗低,可以进一步提高其能效。本文分析研究Pipelined-SAR ADC理论、系统架构和关键技术,设计了一款12位625MS/s Pipelined-SAR ADC。主要研究其设计难点残差放大器的设计,采用了一款新型的latch型动态放大器,并基于其特点提出了一种增益校准技术。在保证速度和功耗的前提下提高了动态放大器的线性度,提升了ADC的精度和动态性能。本设计采用28nm CMOS工艺,电源电压为0.9V,输入信号频率为300MS/s,仿真性能如下ENOB为10.65bit,SFDR、SNDR为76.512dB和65.92dB。由于校正算法的优势,功耗仅为10.17mW。

关键词： 微型气体检测系统   微气体传感器阵列芯片   气敏电子胶囊   低功耗   脉冲电压加热  

摘要： 随着气体传感器技术的发展,搭载传感器阵列的电子鼻气体检测系统被广泛应用于生物医学领域。其中,气体检测系统的低功耗、微型化以及无线化是重要的研究方向。本文针对气体检测系统的低功耗微型化应用需求,设计了一款胶囊尺寸的无线低功耗微型气体检测系统。首先,设计并实现了无线低功耗微型气体检测系统的硬件部分。硬件电路包括传感器阵列、控温电路、采集电路、主控芯片以及无线模块。其中,气体传感器阵列采用集成了4个微热板的微气体传感器阵列芯片;选用微型化和低功耗的STM32F103T8U6作为主控芯片实现对传感器温度的控制以及气体数据的采集等功能;针对主控芯片带载能力较弱的问题,采用DAC7512为气体传感器阵列提供加热电压;选用PW0316蓝牙模块实现对信号的无线传输。最终实现的胶囊尺寸的微型气体检测系统的直径约10mm,长度约26.8mm,满足微型气敏电子胶囊的设计要求。然后,在硬件驱动程序方面,采用一套程序适配低功耗检测和快速高灵敏度检测两种工作模式,实现了自动采集和上传气体信息。在上位机软件方面,基于Android操作系统开发了专用APP,对气体数据进行显示并自动保存;基于腾讯云开发了网页服务器,可以通过移动终端将数据实时上传到服务器上存储,方便用户在后台查看。其次,针对微型气敏电子胶囊低功耗应用需求,基于微热板气体传感器的特性,采用了加热脉宽远大于微热板气体传感器热响应时间的脉冲电压加热方式,使气体传感器工作在加热-休眠交替的模式下。通过实验分析了加热电压脉冲周期和占空比对气体传感器气体检测性能的影响,获得了最佳工作周期和占空比。实验结果表明,采用脉冲电压加热的方式可以将气体传感器的功耗降低一个数量级且仍能获得良好的气体检测性能。最后,对所设计的微型气体检测系统进行了性能测试。结果表明,气敏电子胶囊硬件驱动程序采用低功耗策略以及微热板气体传感器采用脉冲电压加热的低功耗工作模式时,气敏电子胶囊的平均功耗低至7.269mW,为常规恒压加热模式所需功耗的9.7%。采用4节SR927SW氧化银纽扣电池,系统最长工作时间可达45h。实验证明该系统可以准确采集并传送气体信息,实现了设计目标,可以满足仿生嗅觉、智能穿戴式气体检测以及摄入式胃肠道气体检测等生物医学气体检测领域的应用需求。

关键词： 压电能量收集   多自由度   低宽频   低功耗   应用性试验  

摘要： 目前,物联网(IOT)技术已经在各行各业取得了广泛的应用,无线传感器网络技术在物联网技术的发展过程中起到了至关重要的作用,但其电池更换难的问题成为了掣肘无线传感网络、乃至物联网技术取得进一步有效发展的原因之一。国内外针对此问题相继提出多种能量收集方案,如太阳能、风能、机械能等,其中以机械能-电能转换为核心的压电能量收集技术因其结构简单且转换效率高的优点而脱颖而出,但目前以压电能量收集技术作为自供能部分的低功耗无线传感器因其覆盖频率较窄且输出能量低等问题而有待进一步研究解决。因此本文摒弃以输出频带窄而著称的传统单自由度压电振子的角度,选择从多自由度压电振子的角度出发,基于Timoshenko梁理论提出多自由度L型压电振子,并在此基础上,结合实际工程机械姿态角检测的应用需求,依次研究了多自由度压电复合振子的低宽频特性及应用性能,主要研究内容如下:(1)多自由度压电收集机理分析。介绍并阐述压电能量收集的关键理论基础,分析并建立多自由度L型压电振子的动力学模型及压电耦合模型,得出其影响压电能量转换效果的关键影响参数。(2)多自由度压电复合振子低宽频特性研究。分析验证有限元方法中材料、载荷及边界条件参数设置的合理性。研究载荷、材料及尺寸参数对多自由度压电振子能量收集效果的影响规律并确定最优参数。提出并分析6种不同布局简化结构并得到最优布局结构。提出并研究紧凑型及非紧凑型压电复合振子的低宽频特性,并与同尺寸传统压电复合振子比较,确定多自由度压电复合振子的在低宽频特性方面的优势。(3)完成压电能量收集节点及低功耗无线传感器节点软硬件设计及开发。分析现阶段自供能无线传感器的应用需求,完成压电能量收集节点、低功耗无线传感器节点软硬件设计。(4)试验验证了紧凑型压电复合振子的理论性能及应用性能。搭建振动式能量收集试验台及工程机械应用性测量试验平台。分别完成关键参数影响规律验证试验、紧凑型压电复合振子低宽频特性试验及应用性试验。结果表明,关键参数影响规律与多自由度压电复合振子试验结果较仿真分析结果大体一致,在幅值及带宽上因为实际安装时不可避免的摩擦损耗及理论仿真分析时环境较为理想等原因,存在一定差别。应用性结果在压电复合振子第一个频率范围内扫频激励信号收发的等待时间为53 s,第二个频率范围内的等待时间为76 s,第三个频率范围内的等待时间为96s。

关键词： 边缘计算   计算卸载   任务划分   主从协作  

摘要： 云计算的出现极大促进了应用的爆炸性增长,但是云计算也存在无法解决的难题。接入云计算之后,应用的所有数据都将通过集中式的云计算平台处理。随着互联网的发展,越来越多的实时应用随之出现,对于互联网延迟的要求越来越高,云计算无法解决长距离传输的限制,使延迟居高不下。应用的实时性需求遇到了一定的瓶颈。用户的需求面临了极大的挑战。为解决这一问题,边缘计算随之诞生。它在近用户端建立一些服务器,让用户的某些请求通过这些服务器处理后直接返回到用户端,以此来解决延迟问题。目前业界对于边缘计算仍存在两大瓶颈,一个是如何通过资源调度降低处理任务的延迟问题,另一个就是因为许多边缘设备装置是由智能手机等便携式终端提供的,此时就需要考虑终端的续航问题。本文针对目前边缘计算资源调度领域研究的任务划分相关工作进行分析,认为将任务划分成许多子任务并且将这些子任务分别卸载到不同服务器上,以此来解决用户设备计算功耗问题是可行的。为了解决此问题,本文设计了一种基于分支限界法的资源调度算法。在此基础上,本文还设计了一种基于贪婪的算法,该算法可以快速求解出一个可行的次优解。在后续仿真中可以看出,基于分支限界的算法充分利用了任务的容忍延迟和边缘—云节点的资源,有效降低了用户设备的功耗。基于贪婪的算法得出的次优解与最优解差距最小可以达到1.8%。对于边缘节点设备的优化方面,本文提出了一个基于休眠态的任务调度算法来降低边缘节点功耗。该算法将边缘节点的休眠模式加入到调度当中来。通过将边缘节点拆分成多台小型设备来提高进入休眠设备的占比。在此基础上通过资源调度,发挥设备休眠时功耗低的特点。除此之外,调度的过程中还保证了任务最大容忍延迟。实验表明,该算法能有效降低系统整体功耗,在任务相对空闲的测试中,最高比原始算法降低了27.9%的能耗。

关键词： 物联网   数控振荡器   低功耗   快速切换   动态电压频率调节  

摘要： 物联网节点为了降低功耗,在芯片中引入动态电压频率调节(Dynamic Voltage Frequency Scaling,DVFS)技术,在满足芯片不同状态下性能需求的同时降低功耗。在物联网芯片中实现DVFS技术面临很多挑战,传统的振荡器结构在DVFS应用中有着频率切换时间长、启动速度慢等缺点。为了提高启动与频率切换速度、减少工艺、电压、温度对频率的影响,本文设计了一种基于数字分频选相的低功耗数控振荡器。本文以物联网芯片中普遍存在的实时时钟作为参考时钟,使用32相位的高频环振时钟对参考时钟进行采样,利用除法器与时钟分频电路完成参考时钟的采样与分频操作,将采样电路得到的分频值转变成满足相位选择电路时序的控制字,最后使用两个相位选择单元对环振的输出相位进行选择,实现时钟输出。采样电路使用除法器分频、单周期分频与32周期分频三种方式,根据运行环境自动切换,频率切换时间不超过1个参考时钟周期,并采用门控时钟技术以降低功耗。本文基于TSMC40nm工艺完成数控振荡器设计和后仿真,面积开销为3900μm。后仿真结果表明:在TT、FF、SS三种工艺角下,当温度在-20～80℃范围内,电压在0.7V～1V变化时,频率误差均不超过1.3%。在TT-0.9V-25℃的条件下,振荡器最大输出频率为139MHz,功耗为199.4μW,能效为1.44p J/cycle,在TT-0.7V-25℃的条件下,最大输出频率为105MHz,功耗为113.6μW,能效为1.08 p J/cycle。仿真结果显示本设计达到了课题指标要求。

关键词： 物联网   无线传感器网络   入侵检测   信任机制   路由协议  

摘要： 近年来,物联网作为一种新兴的技术,逐渐受到人们的关注。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）作为物联网的重要组成部分,也随着物联网而飞速发展。然而,WSN相比于传统网络更为脆弱,面临的安全问题也更多。所以针对WSN节点能量有限和计算能力有限的问题设计一个适合WSN的入侵检测系统尤为重要。首先,在对WSN的结构和特点进行分析之后,总结WSN的安全问题,并根据WSN的特点,分析WSN入侵检测需求。针对WSN能量有限,动态性强的特点,设计一种分层结构的入侵检测系统,用来保证WSN的安全性。其次,为满足WSN对入侵检测系统节能性的需求,分析传统的LEACH算法的不足,并在此基础上加以改进,设计出基于遗传算法的WSN分层路由协议。采用遗传算法来进行簇头选择,使簇头的分布和能量更均衡,采用单跳和多跳结合的簇间传输策略,降低了簇头节点消耗的能量。通过Python对该算法进行仿真分析,并与LEACH算法进行对比,证明了本文协议在网络存活时间、网络能量消耗、数据传输量和能量均衡性方面均优于LEACH算法,证明了本文协议的优越性。然后,为满足WSN对入侵检测系统自身安全性的需求,在检测系统中引入信任机制,提出了基于信任机制的安全路由协议。在贝叶斯信任模型的基础上进行改进,采用直接信任和间接信任结合的方式进行信任评价。采用信任机制对基于遗传算法的分层路由协议进行改进,分别在准备阶段、簇头选择阶段和簇间传输阶段加入信任机制,提高网络自身的安全性。通过仿真对正常节点和恶意节点的信任值变化进行分析,证明改进后算法可以有效识别出恶意节点;通过对比改进前后的路由算法的性能,证明改进后算法可以在开销较小的情况下提高网络的安全性。最后,为满足WSN对入侵检测系统检测准确率的需求,在分析了神经网络的特点的基础上,提出了基于粒子群优化的极限学习机（PELM）的入侵检测算法。分析了BP神经网络的缺点,并采用泛化性能较好的ELM进行入侵检测;针对ELM算法随机选择输入层权值和隐含层阈值的问题,采用PSO算法对其初始化阶段进行优化;采用PCA算法对仿真数据进行特征选择,减小入侵检测算法压力。通过仿真对PELM算法的性能进行测试,将其与BP算法和ELM算法进行对比,证明PELM算法具有较高的检测率;统计整个入侵检测系统的运行时间,证明本文设计的入侵检测系统具有较好的实时性。