关键词： 鸟声采集   低功耗   实时传输   麦克风阵列   鸟声事件检测  

摘要： 鸟类作为生态环境的重要指示物种,其监测对揭示生物多样性及生态状况提供了关键依据。被动声学监测是一种新兴的鸟类监测技术,具有对鸟类干扰小、监测范围大、适合长期监测等优点,通过采集和分析鸟类鸣声可以获取鸟类生态行为、种群状态,其中,鸟声采集是被动声学监测的基础。然而常用鸟声采集设备都是国外产品,且均为离线设备,存在成本高、设备无法满足不同应用场景需求等问题,影响被动声学监测技术在我国鸟类科学研究与监测中的应用。基于此,本文对鸟声采集系统进行了研究,包括两种采集设备与一个数据分析展示的软件平台。主要工作总结如下: 对于需要长期录音、大容量存储的鸟声采集场景,设计并实现了低功耗单通道鸟声采集设备。该设备基于开源项目Audio Moth进行改进设计,采用低功耗芯片EFM32WG980F256作为主控芯片,实现了低功耗采集(32k Hz采样率下设备功耗为90m W),存储容量最大为2TB,设计了可靠的户外防水结构。为了验证设备的性能和可靠性,在广州市北至花都区南至南沙区共选取了25个公园部署该设备进行鸟声采集,连续采集7个月合计500多个小时,共采集了125万条1分钟时长的录音文件。 对于需要声音的空间信息、声音数据实时传输的鸟声采集场景,设计并实现了基于声音事件检测的多通道鸟声采集设备。该设备采用全志T113-S3处理器作为主控平台,支持太阳能、市电、以太网供电,4G网络传输,8通道麦克风阵列,可调增益前置放大等功能,并使用NCNN嵌入式边缘计算框架实现了基于改进Densenet框架的边缘鸟声事件检测,检测到的有鸟声文件通过网络传输至云服务器,并使用SRP-PHAT算法进行鸟声方位计算。设备运行功耗约800m W,休眠功耗约450m W,录制10秒的八通道音频、并进行鸟声事件检测、数据压缩上传等步骤仅需约13秒。 对于声音数据进行分析处理时,面临数据量过大、数据分析过程困难等挑战,设计并实现了一个包含设备状态监控、鸟声数据识别、鸟声方位计算的鸟声采集设备数据分析监控平台。通过该平台,可以将上述两种设备进行统一管理形成完整的鸟声采集系统。

关键词： 大规模无源物联网   低功耗无晶振多址标签   多子载波多址背散射通信   子载波频率校准   全双工通信   无晶振接收   载波锁定本振时钟生成  

摘要： 全球的物联网节点连接数迎来爆炸性增长,在未来几十年内将到达万亿量级,发展大规模无源物联网越来越引起重视,从网络层面其具备大容量、频谱和能源效率要求较高、异构性明显等特点。与此同时,其中的节点要求使用环境能自供电,具备无电池特性,功耗限制十分严格;要求具备低成本,小体积特点,减少片外元件例如晶振的使用;要求兼容发展新一代多址技术。 基于这一研究背景需求,本文提出设计低功耗无晶振多址通信标签芯片,并划分了两条研究路线,其一是多子载波多址背散射通信标签的研发,目的在于继承背散射通信标签低成本低功耗无晶振无电池的特点,提升其多址通信潜力;其二是无晶振短距主动通信标签,目的在于拓展目前短距物联网协议针对大规模无源物联网场景的应用潜力,发展其低功耗无晶振通信的可能性,在达到环境能自供电功耗要求的同时降低节点成本和体积。因此,本文的主要研究贡献总结如下: (1)针对多子载波多址背散射通信标签研究,提出了在多子载波多址背散射并发数据传感时的全双工通信策略,使得并发数据传感可控,为同时进行连续时钟校准提供支撑。提出的全双工通信技术是首次在多子载波多址背散射通信的上行并发数据流中实现ASK调制系数10%～30%的下行链路命令全双工解调,实现了多子载波多址背散射通信与EPC Gen2通信的无缝切换。 针对多子载波多址背散射通信的子载波时钟生成问题,提出了两步上行子载波时钟校准策略,在Gen2模式时构造无线片上振荡器频率校准环路实现上行子载波信道分配,支撑多子载波多址背散射通信启动,在并发数据传感时提出上行子载波频率连续跟踪技术,提升子载波频率对于环境的鲁棒性。所提出的上行子载波时钟校准策略能够在Gen2模式通信时校准单个标签以及在多子载波多址背散射通信时同时校准多个标签的片上时钟,产生精度±1k Hz以内的子载波频率,并免受温度环境的影响。 基于以上技术,本文在130nm CMOS工艺上设计流片了多子载波多址背散射通信标签,并搭建了多点加速度传感原型系统,实现了4个节点同步并发的三轴加速度数据流传输,同时提供一个传感平台可拓展至其余物理量检测以及实现接近10～2量级多点并发传感。 (2)针对无晶振短距主动通信标签研究,首先研究了无晶振通信的可行性和实现基础,之后综述分类无晶振接收系统架构,并提出了Class-AB中频反馈无晶振接收机的概念,同时比较证实其低功耗低复杂度低成本的设计优势。所提出的架构分类有助于将频率综合领域的技术应用到无晶振接收机设计,形成新的研究方向和应用架构。 基于提出的Class-AB中频反馈无晶振接收机分类,阐述了其应用在BLE协议中的设计考虑,并提出了一个无晶振接收系统设计实例,提出了近低中频工作的无晶振接收策略,之后建模验证了整个无晶振短距主动通信标签接收系统和其中的载波锁定本振时钟生成技术。这些技术可应用到低功耗不定中频和唤醒接收机设计领域,并且有助于在低功耗无晶振时恢复出优异频率稳定度的中频时钟,作为无晶振发射的参考基准,实现无晶振有源发送。 基于以上技术,本文在55nm CMOS工艺设计流片了无晶振短距主动通信标签原型接收系统芯片,测试结果表明关键模块指标达到设计要求,整个接收系统能够在0.3mW以内的功耗下达到-75dBm的接收灵敏度。接收链路功耗202.4uW,链路噪声系数14dB;本振功耗70uW,在1MHz频偏处相位噪声-110dBc/Hz。

关键词： 室内定位   蓝牙5.1   到达角寻向   多传感器融合   空间谱估计  

摘要： 现如今,室内定位服务广泛应用于生活中的各种场景,人们有70%～90%的时间是在室内度过的,因而极度依赖室内位置服务。目前主流的室内定位技术仍存在着定位精度低、功耗高、抗干扰能力差、成本高昂等问题,并没有标准的室内定位解决方案。2019年1月,蓝牙技术联盟发布了蓝牙5.1标准规范,其中更新了到达角(Angle of Arrival,Ao A)寻向功能,为室内精确定位提供了标准方案。蓝牙Ao A定位技术兼顾高精度、低功耗、低成本、高安全性等优势,应用前景十分广泛。本文基于蓝牙5.1协议,对蓝牙Ao A室内定位展开系统设计与精度提升等工作,主要内容如下: 首先,基于一维天线阵列推导了4×4均匀面阵的接收信号模型。探究了蓝牙5.1通过恒定频率扩展(Const Tone Extension,CTE)实现来波测向的原理与机制,针对蓝牙接收机分时采样引起的相位偏移问题,本文对均匀面阵的16个阵元进行了相位补偿。 其次,对经典空间谱估计算法及相干信源到达角估计算法进行了仿真分析,针对低功耗蓝牙信号在室内多径信号干扰下,来波角度估计困难的问题,本文提出了一种基于均匀面阵的二维角度估计算法。通过对阵列接收信号协方差矩阵进行补偿和修正,削弱了多径信号干扰,提高了来波角度估计精度;针对多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法在整个二维空间谱上搜索极大值,导致算法实时性差的问题,本文通过引入ESPRIT算法对角度进行粗估计,以初步估计的结果为基础实现了空间谱的局部搜索,大大降低了算法运行的时间,提升了系统实时性。 然后,针对蓝牙AoA技术只能实现来波测向,无法完成三维空间中的目标定位及姿态获取,本文提出了多传感器融合方案。将蓝牙Ao A估计的来波角度数据与气压计和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)采集的数据进行融合,通过单基站即可实现三维空间中的目标定位及姿态检测。 最后,本文设计并搭建了由定位标签、定位基站以及PC上位机组成的——基于蓝牙5.1的低功耗室内定位系统,并进行了来波角度估计试验和三维定位试验,对试验数据的均方根误差、圆概率误差及成功分辨率等精度评价指标进行了分析。本文到达角度估计改进算法相较于传统MUSIC算法,角度估计成功分辨率提高32.65%,角度估计精度提升40.62%,角度搜索速度提升60%以上。系统通过单基站即可实现对标签的三维定位及姿态解算,室内定位精度在0.1米左右,姿态检测的精度为(3轴:0.05°、(4轴:0.05°、(5轴:0.1°,低功耗模式下定位标签的待机电流仅40μA。