关键词： LoRaWAN   油气田井口   数据传输系统   低功耗   远距离  

摘要： 随着互联网技术的飞速发展,我国油气田的数字化建设已经取得了明显的进步,但仍旧没有解决油气田中偏远井和单井的数据采集与传输问题。针对以上问题,本文设计出一套应用LoRaWAN协议的油气田井口无线仪表数据传输系统,旨在实现油气田井口无线仪表数据传输的远距离和低功耗,解决油气田偏远井和单井的数字化问题。本文首先对LoRaWAN协议进行了研究,阐述了LoRaWAN协议的网络架构和应用场景,并详细介绍了LoRaWAN协议物理层、MAC层、应用层的结构和功能;其次对油气田井口无线仪表数据传输系统的硬件设计进行了具体描述,包括硬件总体设计、无线仪表、LoRaWAN无线模块和LoRaWAN模块调试板的硬件设计。硬件设计中通过使用LoRa调制技术实现在不损耗模块性能和保证低功耗的基础上最大程度的增加信号通信距离,实现信号传输的远距离和低功耗;之后对油气田井口无线仪表数据传输系统的软件设计进行了详细说明,包括软件总体设计、驱动程序设计、协议栈移植和MSP平台配置。软件设计中基于STM32L152CCT6控制器和FreeRTOS内核对LoRaWAN协议栈进行了移植,并裁剪掉协议栈中未使用到的机制,节省了MCU的资源;最后对油气田井口无线仪表数据传输系统进行了连通性测试和性能测试,其中包括系统的通信距离、功耗和通信效率等,并对测试结果进行了分析,得出了最佳部署半径。实验结果表明该系统实现了无线仪表数据传输的远距离和低功耗,解决了油气田偏远井和单井的数据采集与传输问题,基本完成了最初的设计目标。

关键词： Backscatter Communication   Brain computer interfaces   Electrical engineering   Electrical engineering  

摘要： Neural interfacing is a promising technology for effectively treating a multitude of challenging clinical conditions. Recent research has demonstrated that some tetraplegic patients can control robotic limbs using a brain-computer interface (BCI), signifying the beginning of an era wherein many forms of paralysis may be treatable with a neuro-prosthesis. However, the current state of the art is bulky, tethered, and impractical for applications outside a clinical lab setting. Moreover, current wireless communication approaches for brain computer interfaces~(BCI) do not meet the necessary specifications for power, size, and bandwidth. In contrast, we developed fully integrated BCIs equipped with high data-rate and low power miniaturized wireless backscatter communication systems to enable the development of autonomous brain-controlled prosthetics. First, we proposed a wireless μ-Power, low-noise frequency mixing approach for extending the passband frequency response of existing neural interfaces. We demonstrated the translation of a pre-recorded mouse electrocorticogram from a frequency range of 0.5~Hz to 100~Hz up to an intermediate frequency (IF) of 407~Hz, thus enabling the use of an existing integrated circuit~(IC) for electrocorticography (ECoG), despite its low-frequency cutoff of 12~Hz. Subsequently, we presented a dual-band implantable BCI that integrates 47\%-efficient high frequency (HF) wireless power delivery into a 5~Mb/s ultra-high frequency (UHF) backscatter communication. The implant system supports ten neural channels sampled at 26.10~kHz and four electromyography (EMG) channels sampled at 1.628~kHz and can communicate with a custom software-defined-radio-based external system with a packet error ratio~(PER) that is better than 0.19~\%~at an implant depth of up to 3~cm. Finally, in order to enable neural plasticity experiments inside the home cages of freely behaving animals, we developed a 25~Mbps backscatter-based data uplink for Neurochip~3 using a

关键词： 低功耗   中继网络   功率控制   资源分配   中继选择  

摘要： 随着5G三大应用场景的提出,移动通信网络的研究面临着新的技术挑战以及需求。其中关于低功耗大连接场景的研究是5G的重要内容。低功耗大连接场景主要面向可穿戴设备以及物联网设备,由于这两种设备在带宽、功耗以及通信能力上受限,因此往往需要通过中继的方式接入网络,以达到节省带宽以及能耗的目的。D2D技术可以用于辅助这两种设备进行中继通信,然而传统的D2D技术无法满足低功耗以及窄带通信的要求,因此需要在D2D技术基础之上演进FeD2D技术。针对传统D2D技术在中继协议、单播通信以及低功耗能力上的不足,本课题在实现FeD2D中继网络中继能力增强以及Sidelink链路增强的情况下,搭建了用于研究FeD2D中继网络能量效率问题的仿真平台,并分别针对可穿戴设备以及物联网设备场景进行建模仿真,在满足窄带通信的同时,实现了中继网络能量效率的提升。在可穿戴设备场景下,设计了与传统算法不同的联合资源分配与功率控制算法,传统算法通常将资源分配以及功率控制分开考虑,本算法综合考虑资源资源分配以及功率控制,使系统整体性能更优,并通过仿真验证,使系统在能量效率上有显著提升。在物联网设备场景下,与可穿戴设备和中继设备距离较近不同,物联网设备与中继设备较远,存在中继选择问题。本文提出了基于能量节省区域确定准则,确定可中继区域,并根据地理位置以及信道状态信息共同确定最佳中继的中继选择算法。本算法在获得性能提升的同时,降低了算法复杂度,并通过仿真进行验证。

关键词： 安卓   ARM   低功耗蓝牙   Mesh网络   Java   路由策略  

摘要： 随着社会的高速发展,智能物联网已越来越多地应用在各个领域当中。物联网讨论最多的就是数据传播的载体,当前常见的方式有Wifi和Zigbee,但是Zigbee的设备支持率不高,且需要对设备进行特殊配置,而Wifi虽然常用于日常生活当中,但是却有传输功耗较大的缺陷。本文针对传统Mesh网络节点负载较大,功耗较高的缺陷,以低功耗为主要研究方向,设计一种以低功耗蓝牙为传输载体的应用于小型物联网范围的Mesh网络系统,实现局域网范围内的低功耗应用网络。主要的研究内容有:1、设计一种Mesh网络体系结构,以低功耗蓝牙为传输媒介,以“单连接、多广播”为蓝牙通信方式,实现多用户、多时段共同工作的功能,初步实现小范围物联局域网的模型。2、定义网络建立和网络维护过程,详细描述节点入网、节点退网、工作反馈和数据共享的逻辑过程,并且自定义设备端的节点状态,网络通信报文和不同情景下的网络数据包,满足网络中所有数据交互的需要。3、以洪泛路由为基础,设计一种改进的路由策略。以临近节点集作为主要路由基准,确定到每个节点的唯一路由路径,降低冗余数据包在网内传输的次数,提高数据传输速率,降低路由负载;网内设备节点根据邻近节点集设置定时器,周期性地切换开发板工作模式,降低自身的运行功耗。同时使用NS-2网络仿真器对优化路由进行仿真和分析,证明路由策略的有效性和可行性。4、分别对低功耗设备节点、手机控制端以及Mesh服务器进行设计和实现。设备节点实现BLE数据通信,临近节点信息获取,外接设备驱动控制和工作模式切换等功能;手机控制端实现低功耗蓝牙设备发现,Mesh网络建立和维护,设备节点工作控制等功能,同时针对控制端低功耗蓝牙连接对象复用性低的弊端,提出新的重连规范,并在系统测试章节对重连规范进行测试;服务器实现Mesh网络信息数据存储、备份和共享,多用户信息存储和共享的功能,是多用户、多控制端介入Mesh网络的中继。5、对最终实现的网络系统进行系统测试。以各模块成品操作和Packet Sniffer软件抓包作为主要的测试手段,结果证明网络系统功能良好,满足总体设计要求。相比于常规Mesh网络,本文设计的网络系统在设备功耗上平均降低了13.34%;数据传输成功率最低为98.46%,属于无线网络传输的合理范围,同时针对提出的重连规范进行了多次重连测试,相比普通重连的方式,在成功率上平均提升了一倍,极大地增加了连接对象的复用率。

关键词： 物理设计   低功耗   时钟网络功耗   门控时钟技术  

摘要： 随着集成电路产业的快速发展,电子产品越来越受到欢迎。特别是半导体工艺的不断发展,芯片的工作频率和集成度的不断提高,功耗已经成为集成电路（IC）设计者必须考虑的关键因素,研究高效的低功耗IC设计方法已然变得越来越重要。本文基于40nm工艺,实现了一款MCU芯片的低功耗物理设计,芯片规模（Gates）约600万门,时钟频率为180MHz。本文是基于Synopsys最新布局布线工具IC Compiler Ⅱ（ICC Ⅱ）进行的相关低功耗物理设计的研究,文章首先介绍了集成电路的发展历史和低功耗研究现状,然后介绍了 CMOS功耗的来源及理论,在此基础上,提出了40nm工艺的低功耗设计思想,并介绍了物理设计中常用的几种低功耗技术方法。最后,详细阐述了低功耗设计方法在MCU芯片物理设计中的具体实现,并通过功耗对比分析证明了本文提出的低功耗方法的显著效果。在低功耗布图规划阶段,根据不同的低功耗单元的结构,采取了不同的布局方式和电源引脚的连接方式,特别是电平转换单元,为了使此单元供电充足,本文并没有采取传统的电源轨道供电方式,而是将其电源引脚优先连接到电源条线上,从而更好的发挥其使到达该区域信号的电压摆幅与该区域电压保持一致的作用。在时钟树综合（CTS）阶段,为了更有效的降低时钟网络功耗,本文提出了新的时钟树综合方法:手动配置时钟树单元,一般的CTS方法为了确保时序往往会牺牲功耗,而本方法以时钟偏差和插入延时为目标,在确保时序快速收敛的同时又降低了功耗。通过分析时钟结构,首先将时钟网络分成三段并分别做平以获得更小的时钟偏差,然后手动配置时钟树单元来减小插入延时,从而更有效的降低功耗,结果表明该方法可以降低27.9%的时钟网络功耗。不仅如此,本文还提出了门控时钟技术的新方法,传统门控时钟方法有时会插入过多的门控时钟（ICG）单元,导致自身增加的功耗比其关断的功耗还多,本方法将ICG单元尽量靠近时钟树根节点,既减少了 ICG单元的数量又可以关断更多的时钟单元,从而进一步降低功耗,结果表明该方法可在传统门控时钟基础上进一步降低10.1%的功耗。两种方法均效果显著,大大提高了芯片的性能。

关键词： 可穿戴设备   IMU   Bosch BMI270   BMI  

摘要： 专注于引入新品推动行业创新的电子元器件分销商贸泽电子(Mouser Electronics)即日起备货Bosch的BMI270智能惯性测量单元(IMU)。此款超低功耗IMU采用Bosch的MEMS工艺技术,大大减小了加速度计的偏移并提高了灵敏度。BMI270包含直观的手势、情境和活动识别功能,并集成了即插即用计步器,特别适合可穿戴设备、可听戴设备、增强现实和虚拟现实(AR/VR)等应用。贸泽供应的Bosch BMI270 IMU有两个特定应用版

关键词： 服务器   多线程   Reactor模式   epoll线程池  

摘要： 随着互联网的高速发展,各种应用对服务器的并发要求越来越高.为了保证服务器对客户端的响应效率,提高服务器的处理能力是一个必然的选择.在不改变硬件环境的情况下,改进服务器的架构,可以让服务器的处理能力得到明显的提高.本文基于Reactor模式,使用I/O复用函数epoll和线程池设计了一种相对高效的半同步/半异步的并发模式,它的每一个线程可以同时处理多个连接,这使得服务器的处理能力得到了显著的提升,具有一定的现实意义.

关键词： 物联网   低功耗蓝牙   协议逆向   连接阻断   设备接管  

摘要： 在物联网高速发展的今天,蓝牙(Bluetooth)已经成为了应用最广泛的短距离无线通信协议。在蓝牙家族中,BLE(Bluetooth Low Energy)由于其低功耗的特性,备受各种智能设备的青睐。BLE也因此在蓝牙家族中占据了举足轻重的地位。目前针对BLE的攻防研究大多集中于破解消费级智能设备和挖掘操作系统的BLE协议栈漏洞,而针对BLE链路层本身的攻防研究则十分罕见,相关的工具仅有GitHub用户virtualabs于DEF CON 26上发布的BtleJack。首先指出BtleJack难以劫持连接参数更新频繁的BLE连接,并分析出导致该问题的原因是该工具在逆向BLE连接参数时花费的时间过长。然后,阐述了逆向已建立BLE链路层连接的方法,并相对BtleJack优化了嗅探access address、破解CRCInit和破解hop increment的效率。其中对于access address使用了快速切换信道的方法提高其嗅探效率;对于CRCInit引入了pseudo CRCInit提高其破解效率;对于hop increment使用了troikas(从下位机转移至上位机的LUT)提高其破解效率。接着基于逆向BLE链路层连接得到的连接参数,提出先阻断BLE链路层master与slave间的双向通信链路,再接管BLE设备的攻击方法。其中阻断连接的核心思想是使用恶意数据填满目标BLE连接的跳频信道。在接管BLE设备时,阐述了在匿名状态下识别目标BLE设备的方法,以及接管目标设备GATT服务器的方法。最后,设计并完成了4个用于量化效率提升程度和验证攻击方法有效性的实验。最终的实验结果表明,优化后的方案相对于BtleJack在嗅探access address的效率上提升了约80.91%;在破解CRCInit的效率上提升了约52.17%;在破解hop increment的效率上提升了约21.68%。同时,实验结果也证明了先阻断BLE链路层连接,再接管BLE设备的攻击方法是有效的。

关键词： 上位机   组网雷达   信息融合   电子地图   百度地图API   多线程  

摘要： 针对当今战场中敌方飞行目标的高机动性和复杂性,为了对目标进行高效地打击和防御,必须优化综合多部传感器提供目标的信息,进行精确地跟踪。同时,将多传感器在地理位置的布局信息和探测到的目标信息在上位机上可视化显示,对于整个战场的综合态势把握有着至关重要的作用。本文结合实际的工程项目,利用信息融合技术和电子地图技术,实现了航迹数据接收、处理和显示以及雷达信息的可视化,并进行了一系列调试验证。首先,介绍了QT的UDP组播通信技术,通过对此网络通信技术的应用实现了组网雷达内部多对一的数据传输。在数据传输过程中,自定义数据传输的格式,解决了不同雷达的航迹数据区分的问题。又将接收航迹数据的格式转换为统一个坐标系下,为后续航迹关联、融合和显示提供支持。其次,在数据融合方面,对目前广泛采用的独立序贯航迹关联算法和凸组合航迹融合算法进行了研究,用Matalb实现了这两个算法并进行仿真验证。又结合实际工程的需求,对不相关、相关和局部相关的三种航迹状态进行了实例仿真,证明了算法的实用性。然后,讲解了在线电子地图和离线电子地图的加载方式,通过获取在线地图上任意位置的经纬度坐标信息,实现了分布式组网雷达中各单站雷达信息的设置、本地化存储和可视化显示。又将航迹数据的直角坐标转换为地球的经纬度坐标,并通过加载离线电子地图并用JavaScript调用百度地图API来实现点迹、航迹在电子地图上的绘制,从而完成了航迹数据显示和消亡的功能。最后,本文分别用单线程和多线程两种程序设计架构对软件运行的时间效率进行了调试和比较,确定了多线程的软件架构在航迹显示实时性方面的重要作用。本文研究的分布式雷达上位机软件设计,经过调试验证,航迹数据接收、处理以及显示的准确性和实时性满足实际工程要求的指标,具有较高的实用性。

关键词： Computer engineering  

摘要： The last few decades have seen a tremendous amount of innovation in computer system design to the point where electronic devices have become very inexpensive. This has brought us on the verge of a new paradigm in computing where there will be hundreds of devices in a person’s environment, ranging from mobile phones to smart home devices to wearables to implantables, all interconnected. This paradigm, called the Internet of Things (IoT), brings new challenges in terms of power, cost, and security. For example, power and energy have become critical design constraints that not only affect the lifetime of an ultra-low-power (ULP) system, but also its size and weight. While many conventional techniques exist that are aimed at energy reduction or that improve energy efficiency, they do so at the cost of performance. As such, their impact is limited in circumstances where energy is very constrained or where significant degradation of performance or functionality is unacceptable. Focusing on the opposing demands to increase both energy efficiency and performance simultaneously in a world where Moore’s law scaling is decelerating, one of the underlying themes of this work has been to identify novel insights that enable new pathways to energy efficiency in computing systems while avoiding the conventional tradeoff that simply sacrifices performance and functionality for energy efficiency. To this end, this work proposes a method to analyze the behavior of an application on the gate-level netlist of a processor for all possible inputs using a novel symbolic hardware-software co-analysis methdology. Using this methodology several techniques have been proposed to optimize a given processor-application pair for power, area and security.