关键词： 低功耗蓝牙   智慧校园   安全加密与认证   蓝牙5.0  

摘要： 随着信息技术在教育行业中的不断创新和使用,智慧校园建设也从高校逐步向中小学扩展。特别是近年来人工智能技术和物联网技术发展迅速,以两者相结合的新型物联网技术为中小学的智慧校园建设提供了新的契机。而低功耗蓝牙技术以其成本低、续航能力强的特点为物联网系统所广泛采用,智慧校园系统也不例外。智慧校园系统主要由云平台、蓝牙网关和外围嵌入式设备三部分组成。蓝牙网关移植了支持蓝牙5.0的Blue Z协议栈。其设计和实现主要是为了解决智慧校园系统中嵌入式设备难于管理的问题,方便云平台对底层设备的管理和信息采集。蓝牙网关采用了三层的软件结构设计,自下而上分为系统层、数据通信层和应用层。基于此,主要工作内容包括蓝牙数据通信的实现、数据安全和设备认证、应用层的实现。首先在蓝牙数据通信方面,对蓝牙连接通信进行了缓存的设计,优化了连接通信过程。另外,为方便上层应用的使用对数据通信接口进行了封装,并针对蓝牙网关的业务需要对数据包格式进行了设计。在搭建起蓝牙通信后,着眼于通信安全层面,首先详细研究了蓝牙核心规范中的安全与认证手段,之后对智慧校园蓝牙通信的安全漏洞进行分析并根据智慧校园中蓝牙设备的特点,对低功耗蓝牙广播和连接通信分别给出了合适的加密方案,并设计了设备认证机制。最后对于蓝牙网关的应用层进行了介绍,首先确定了应用开发时跨进程通信的技术方案的选择。然后对设备考勤、设备校时、数据透传和固件升级4种经典应用结合其流程图,阐明了应用的作用和实现的详细流程。测试结果表明基于以上设计的智慧校园蓝牙网关功能正常,可以满足使用需求,具有一定的实用性价值。

关键词： 低功耗   物理实现   GPU  

摘要： 近些年,随着智能手机的普及、物联网的推广和5G网络的商用,对集成电路的功耗提出了越来越高的要求。低功耗在集成电路设计中的地位在不断提升。并且随着集成电路规模的不断增加,单个公司想要独自设计芯片中的所有模块变得几乎无法实现。大多数公司都是购买部分成熟的IP核,再集成到自己的芯片中。因此,如何在相同的网表下,降低物理实现后的功耗是每个设计者都应该考虑的问题。本论文将基于TSMC 12nm工艺对一款GPU模块进行低功耗设计与物理实现,然后针对物理实现过程中的不足进行优化,进一步降低GPU模块物理实现后的功耗。本论文的主要工作如下:(1)完成了GPU模块的低功耗设计与物理实现。使用多电压域设计、门控时钟、电源开关、多阈值器件等低功耗优化技术对GPU模块进行了低功耗设计与物理实现。并分析出物理实现过程中仍存在的不足,为进一步优化提供方向。(2)完成了宏单元布局的优化设计。宏单元布局是物理实现的基础,优秀的宏单元布局可以加速时序收敛,降低物理实现后的面积和功耗。本论文在分析前代GPU项目宏单元布局的基础上,对其提出优化建议,改善宏单元布局的结果。(3)完成了时钟树综合策略的优化设计。采用了Synopsys的CCD(Concurrent clock&data flow)技术。相对于传统时钟树综合策略,CCD技术可以改善时钟树综合与优化后的时序情况,降低时序违例的数量,进而降低后续阶段修复时序违例所使用的低阈值、短沟道器件的数量,达到降低功耗的目的。(4)完成了时序修复流程的优化设计。编写脚本优化时序修复流程,使用较小功耗代价优先修复部分特殊的时序违例,降低后续时序修复的数量。然后混合使用ICE(Integrated Circuit Explorer)和Prime Time进行时序修复,进一步提升时序修复的效果和降低时序修复后的功耗。(5)使用优化后的流程,对GPU模块重新进行物理实现,将其结果与先前结果进行对比。结果表明:1)在完成所有时序、物理签核流程后,GPU模块不同层次子模块中低阈值、短沟道器件的比例都有所降低;2)满足最大静态功耗不大于30m W,最终动态功耗不大于600m W的设计目标;3)基于优化后流程,该GPU模块实现了更好的结果。相对于优化前静态功耗降低了14.72%,动态功耗降低了4.93%,总功耗降低了5.4%,满足流程优化的目标。4)对GPU模块物理实现流程的优化具有一定通用性,对其它模块的物理实现也具有参考意义。

关键词： 低功耗   水声采集   MSP432   自适应线谱增强器   变步长  

摘要： 水声信号的分析在现代海洋科学研究中扮演着十分重要的作用,而进行分析的前提是水声信号数据的采集积累。本论文设计了一种低功耗水声数据存储系统,以CPLD和MSP432为核心扩充外围功能电路。利用CPLD控制A/D实现多通道同步采样,将原始混合数据发送到MSP432中,并且预留I/O端口以根据实际需求进行功能扩展,在MSP432中对接收到的数据进行乒乓操作并存储到外部存储媒介上。设备回收后,在PC上位机利用相关软件进行观察分析处理,进行低频线谱检测。设计提出一种双输入可变步长级联的线谱增强器算法,对主通道的噪声进行两次抑制,同时控制参考通道的噪声,从而更好地提高信噪比。在处理过程中采用可变步长对滤波器抽头系数进行迭代,加快了收敛速度,降低了稳态误差。同时要求系统满足微型化、低功耗的要求,以适应工作环境灵活的应用需求,并搭载于不同类型的海洋观测平台使用。在完成方案设计之后,对整个系统的硬件构造、电路进行设计以及硬件调试工作和软件编写。本系统经湖上外场试验测试,系统的实际工作性能与预期设定的性能指标相符。外场试验中能够对水下环境噪声和目标信号数据进行长时间采集存储,保证了系统工作的可靠性和持续稳定性,具有良好的工程应用前景。

关键词： 窄带物联网   倾角监测   性能测试   低功耗  

摘要： 随着城市的数字化管理水平越来越高,获取市政基础设施实时状态成为实现智慧城市的重要需求。井盖作为城市路面的重要基础设施,其分布范围广、数量大,且丢失或损坏后的后果严重,在日常管理与维护中消耗的人力物力巨大。为实现井盖状态监测与报警,业界提出了许多解决方案。然而,这些方法中,基于图像监控的方式,有受光线、遮挡、理论算法等因素影响严重问题;结合射频识别、机械闭锁的方案,存在识别不准确难以交互的问题等;结合Zig Bee的监测终端的方式,有难以平衡功耗和信号传输能力问题。其中,第三类方法如果能解决通信问题,将能较好的实现井盖的状态监测与报警。针对这一通信技术性能不满足要求的情况,无线通信领域提出了以Lo Ra和NB-Io T技术为代表的LPWAN(Low Power Wide Area Network,低功耗远广域网)技术。这类技术适应物联网底层许多能耗要求严苛、分布范围较广、通信环境恶劣的终端应用,可以较完美解决井盖终端数据通信的问题。NB-Io T和Lo Ra相比,NBIo T在开发、基站部署、云数据平台等方面的特点,使其在市政监测领域更具优势。本文结合NB-Io T,提出了基于NB-Io T的倾角监测技术,设计了一套井盖状态监测系统,实现了对井盖倾角异常信息的采集、传输与管理。本文的研究主要为以下三个方面的内容:1.倾角监测关键技术的研究。一方面是引入了欧拉角作为倾角描述,结合加速度传感器获得的测量数据,设计了一套从传感数据到欧拉角数据和倾角报警数据的转换方法;另一方面对NB-Io T的通信性能进行了测试,并对其在实际应用中的性能表现进行了分析,主要包括NB-Io T附着入网、连接态、空闲态、休眠态的功耗测试,特色功能e DRX、PSM、RAI等机制的测试与分析。2.在井盖监测这一应用场景中实现倾角监测系统。整个监测系统可大致分为两部分,井盖状态监测终端和用户监测平台。井盖状态监测终端包括终端的硬件设计与软件实现,包括微控制模块、NB-Io T通信模块、加速度传感器模块、实时时钟模块和终端电源模块等,通过UDP通信将数据上传至用户监测平台。用户监测平台基于Lab VIEW开发,结合My SQL数据库实现对井盖状态数据的数据接收、处理、存储和分析等。3.结合对NB-Io T的性能测试分析和在本文应用场景中的设计与实现,分析NB-Io T技术相较于其他LPWAN技术的优劣势,总结其区别于其他技术的适合应用场景,并对NB-Io T技术在物联网中的可能的应用做展望。

关键词： 无源无线传感节点   组合供电   无线能量传输   地热温差能量收集   太阳能供电  

摘要： 随着物联网技术的发展,大范围、低成本的无线传感网已经运用在城市环境监测、工业生产检测、农业生产参数检测等领域中,而在实际的应用过程中,传感节点都普遍存在着电池需要定期更换、维护成本大等问题。而环境中蕴含着丰富的能量,研究收集环境能量为无线节点进行供电具有十分重要的现实意义和工程价值。本文从现代设施农业（即温室大棚）智能监测应用场景出发,提出了太阳能、地热温差能、无线能组合为传感节点供电的方案,并就地热温差能的收集、无线能传输、多组合供电电路设计以及能量收集成效评估等方面开展了工作,主要工作如下:（1）在分析农业智能监测无线传感网的特点的基础上,详细分析了相关传感节点的功耗需求,提出了太阳能+地热温差能+无线能组合供电的思路;（2）设计了地热温差能量收集电路、评估电路和通信电路,并根据应用场景设计了实验样品,收集近半年的地热温差能数据,分析在日夜温度变换下地热温差能量的收集情况,为地热温差能给传感节点供电奠定基础;（3）设计了无线能传输系统,探讨了无线发射功率、传输距离与能量接收功率的关系,并设计了一款易于共形的无线能接收天线,实验验证了无线能传输为传感节点供电的可行性;（4）设计了智能管理组合供电电路,包括能量收集电路、电源管理电路和能量评估电路,提出了组合供电方案;（5）搭建了基于组合能量供电的低功耗无线收发节点实验平台,无线节点发射433MHz信号与中继节点进行通信。总之,本文提出了以太阳能、温差能和无线能量传输组合供电方案,探索了地热温差能收集,设计了智能电源管理电路,搭建了评测系统,解决了诸如田间无线无源传感网电池更换、维护困难等问题,为无源节点的工程应用提供了一条可供借鉴的技术路径。

关键词： 采集传输系统   铁路应答器   选择重传   多线程   最小二乘  

摘要： 铁路应答器数据采集分析是我国高速铁路联调联试及欧标应答器认证的重要环节。应答器采集分析系统的难点在于数据的采集和分析。依靠人工采集分析,很难同时做到自动化、准确性与实时性。专用软件及采集技术的提升为解决这一问题提供了新的解决方案。论文依照采集系统上位机的设计需求,对需要解决的主要问题进行归纳总结,即采集系统上位机需要解决数据的高速传输和存储、数据的实时分析、数据的可视化显示等关键问题。为了达成上述需求,本系统基于实验室铁路应答器综合检测分析科研项目,深入调研所需关键技术,针对采集数据传输过程中的丢包问题,设计并实现了基于UDP的选择重传协议,完成了采集数据的高速可靠传输;针对采集数据存储与回读需求,提出了多线程同步写文件方案,保证了数据实时采集与写入互不影响;针对采集数据实时处理,提出了利用最小二乘法拟合相位折线求拐点来解决计算精度问题以及利用线程池并行加速解决实时性问题。此外,在整个软件开发过程中,通过采用增量模型和螺旋模型对软件各部分进行模块拆分并根据需求变化不断向上迭代,保证了软件开发过程的模块低耦合性及持续交付性。在软件开发完成后,本系统根据软件测试理论对软件进行了全面测试,部分模块还采用MATLAB进行了软件层面的仿真测试,进而对比理论、仿真及实测的差异性,验证各项功能并确保其达到设计需求。目前,系统已成功应用于我国高速铁路联调联试及欧标应答器认证等工作中。综上所述,论文最终完成了应答器信号采集分析软件系统的设计与实现,且已投入使用,效果良好。

关键词： 水位监测   NB-IoT   边缘计算   低功耗   身份安全认证  

摘要： 如今,城市化建设快速发展,城市内涝问题也日益凸显,给人民的生命和财产安全造成威胁。随着IoT（Internet of Things,物联网）技术的不断发展,利用物联网技术实现对管网水位的实时监测,将看不见的地下管网水位能够实时监测,具有较高的实际应用价值。本文通过对水位监测智能装置的研究,利用物联网和边缘计算等技术,研究和设计一款用于管网水位监测的智能装置,该装置具有实时在线、心跳保持、智能化、本地存储、数据准确、通信稳定、低功耗、防水、终端漫溢实时预警、身份安全认证等特点。本装置是基于NB-IoT（Narrow Band Internet of Things,窄带物联网）通讯技术,通过投入式压力传感器测量水位高度,利用边缘计算技术,当前后采集的水位数据发生较大变化时,将变化实时上传,既大大降低了频繁发送数据产生的电力浪费,也能够保证采集的数据与实际情况保持一致,也就是说,当水位发生变化时,能够立刻反馈到云平台;当数据长期不变化的情况下,还设计了心跳数据,保证设备和平台之间的通信,也报告平台设备的工作状态,以便于检修和维护;系统采用低功耗设计,从超低功耗元器件、低功耗传感器、低功耗的通信方式等方面考虑,结合分时分区的系统时序,并结合使用边缘计算技术,真正做到低功耗。经过系统测试加理论推算,装置使用寿命长达4年以上,极大地降低了维护成本;当遇到信号差或者恶劣环境下,不能正常发送数据,还可以把数据存储在本地,避免数据的丢失;另外,还对设备做了保护处理,当设备被水漫溢以后,能够及时发送漫溢预警,当水位下降以后,能够及时发送漫溢解除信号,真正做到智能化。本装置和云平台通信,装置在注册唯一性的基础上,增加了椭圆曲线加密ECC进行安全身份认证,保证网络安全,不受非法攻击,同时也保证云平台的安全,免受不明设备的攻击。

关键词： 液晶显示   驱动电路   端口复用   升压   低功耗   高性能  

摘要： 近年来随着电子通信技术的快速兴起,人们会用到各种各样的显示设备。其中,液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)具有体积小、功耗低、显示质量高等独特优点,被广泛用于各种低功耗电子产品中,成为整个显示技术的主流,LCD驱动电路势必朝着低功耗、高性能方向发展着。本论文基于对LCD显示原理、驱动技术的研究与分析,提出一种低功耗高性能高集成的LCD驱动电路,对基准源电路、振荡器电路、电荷泵(Charge Pump,CP)电路、偏压电路、LCD驱动输出口与通用IO(General-purpose input/output,GPIO)复用电路进行设计仿真。针对液晶屏幕具有电容性的特征,对传统的偏压电路进行了改进,设计出了一种带运放的弱管偏压电路。这种偏压电路可以降低驱动输出电压受液晶屏的影响,不仅可以提高显示性能,更可以大大降低功耗。针对电源电压降低影响显示清晰度问题,在电路内部集成电荷泵升压模块,在电源电压小于LCD显示电压时,能够将驱动输出电压升压至所需的显示电压,而无需片外加大电容。在电荷泵电路中加入稳压调制系统,提高了电荷泵的工作效率,降低了电荷泵输出电压的纹波,以改善LCD的显示质量。此外,针对市面上大部分单片机GPIO输出的高电平不能超过电源电压,无法与带升压的LCD驱动输出口复用问题,本论文设计了一种LCD驱动输出口与GPIO复用电路。当复用电路选择端口作为LCD驱动输出口时,端口能够输出高于电源电压的电平;当复用电路选择端口作为GPIO时,端口能够正确输出GPIO的高电平和低电平。如此IO端口的功能更加强大,芯片的应用更广泛,并大大减小了芯片的面积。本文基于0.18μm的CMOS工艺对LCD驱动电路进行设计,使用CADENCE平台的SPECTRE对电路进行仿真,最终给出芯片版图并进行流片测试。该LCD驱动电路可驱动4行20列点阵型液晶,同时可实现24路带升压LCD驱动输出口与GPIO的复用。芯片电源电压3V时,LCD驱动电流小于10uA;电源电压2.5V时,LCD驱动输出口可升压至稳定3V左右。设计的LCD驱动芯片现已流片并进行小批量试样,取得了良好的效果。

关键词： 瑞萨电子   开发板  

摘要： 瑞萨电子株式会社推出全新低成本且功能丰富的RL78/G14快速原型开发板,以实现物联网终端设备的快速产品开发。凭借更快的原型开发与更低的成本,用户能够灵活地响应技术和市场的迅速变化,缩短新品上市时间。此外,瑞萨同时推出RL78/G1DBLE模块扩展板,用

关键词： MUSER   RFI   高速实时处理   uMUSER pipeline   多线程  

摘要： 太阳射电观测对太阳活动研究及空间天气监测有着重要意义,MUSER（Mingantu Spectral Radioheliograph）,即明安图射电频谱日像仪是基于综合孔径成像原理构建的太阳射电观测设备,在太阳射电研究领域发挥着重要作用。相关器是MUSER系统的重要组成部分,是MUSER高速相关数据输出的源头。其性能的提升会带来相应的数据量的提升,在升级完成后其数据输出速率可以达到约3GB/s。如此高的数据速率给数据的实时处理和存储都带来了不小的挑战,因而需要构建相应的高速相关数据实时处理流水线来实现对数据的简单处理和数据缩减。GPU强大的运算和并行处理的能力及多线程技术的发展,为uMUSER（Upgrade MUSER）高速相关数据实时处理流水线的设计与实现提供了理论及实现基础。在此基础上,本文基于C/C++在Linux操作系统上开发了一个高速数据处理流水线设计框架uMUSER pipeline。该框架对pipeline结构进行了抽象,对数据类型进行了弱化和封装,并将Frame作为框架中数据处理的最小单元,可以有效的对同种及异构数据进行处理。在uMUSER pipeline框架的基础上本文实现了RFI检测与带宽综合高速实时处理流水线,用于对uMUSER 8通道相关器高速相关数据的实时RFI（Radio Frequency Interference）的检测及带宽的综合,有效做到了高速实时处理及相关数据的缩减。同时,还基于uMUSER pipeline框架设计实现了离线MUSER数据解析流水线,有效提升了MUSER离线数据的解析处理效率。本课题以具体应用为主,侧重于uMUSER pipeline的工程实现,uMUSER pipeline结合了多线程技术及GPU并行运算的优点,实现了对高速相关数据的实时处理,并提供了相应的数据接口,让开发人员可以有效的对数据进行处理。同时,uMUSER pipeline框架具有良好的扩展性,开发人员可以借助框架有效实现对应的高速数据实时处理流水线。