关键词： 智慧农业   无线传感器网络   无线电能传输   OPNET仿真  

摘要： 智慧农业以传感器网络技术为依托,实现生产过程中环境信息的实时采集与监测,并通过云计算和大数据等多种技术手段,实现信息分析与生产的智能控制。与传统的有线传感器网络相比,无线传感器网络在复杂性与成本等方面都有着较大的优势,所以本文基于实际应用提出了无线传感器网络完整的软硬件设计方案与实现方法。不同类型的无线传感器络有不同的应用场景,所以在设计合适的无线传感器网络时,首先要确定应用背景。在通信距离、功耗与速率之间找到一个平衡点,在满足系统要求的前提下降低成本。因此,本文在确定应用背景为500平方米的农业大棚之后,对目前主流的几种无线通信方式做了简要介绍,并从传输速率、传输范围、发送功耗、网络模块数量等多个方面做了较为详细的对比,结合设计需要和要求确定了所要使用的无线通信方式。在选定无线传感器网络的通信方式之后,将系统功能划分为协调器、路由器、数据采集、数据处理、数据指示和电源,共6个功能模块。在此之后,依次阐述了各个模块需要实现的子功能,并给出了各个模块的完整硬件设计方案。然后,依据给定的系统整体设计方案和硬件设计方案,以各个模块的功能为出发点,以减少无线数据的传输量为目的,设计了无线传感器网络中传输的数据格式,并参照数据和指令等信息的流向和各个模块子功能间的关系依次给出了各个模块软件程序的运行流程。最后,依次对不同模块做了单元测试与集成测试,验证了各个模块设计方案的可行性,并通过OPNET软件仿真对比了无线通信网络中各个功能模块不同分布方式对数据传输端对端延时以及每秒传输的数据包的数量的影响。

关键词： Computer science  

摘要： With the emergence of the Internet of Things, autonomous vehicles and the Industry 4.0, the need for dependable yet adaptive network protocols is arising. Many of these applications build their operations on distributed consensus. For example, UAVs agree on maneuvers to execute, and industrial systems agree on set-points for ***, such scenarios imply a dynamic network topology due to mobility and interference, for example. Many applications are mission- and safety-critical, *** could cost lives or precipitate economic *** this thesis, we design, implement and evaluate network protocols as a step towards enabling a low-power, adaptive and dependable ubiquitous networking that enables consensus in the Internet of Things. We make four main contributions:- We introduce Orchestra that addresses the challenge of bringing TSCH (Time Slotted Channel Hopping) to dynamic networks as envisioned in the Internet of Things. In Orchestra, nodes autonomously compute their local schedules and update automatically as the topology evolves without signaling overhead. Besides, it does not require a central or distributed scheduler. Instead, it relies on the existing network stack information to maintain the schedules.- We present A2 : Agreement in the Air, a system that brings distributed consensus to low-power multihop networks. A2 introduces Synchrotron, a synchronous transmissions kernel that builds a robust mesh by exploiting the capture effect, frequency hopping with parallel channels, and link-layer security. A2 builds on top of this layer and enables the two- and three-phase commit protocols, and services such as group membership, hopping sequence distribution, and re-keying.- We present Wireless Paxos, a fault-tolerant, network-wide consensus primitive for low-power wireless networks. It is a new variant of Paxos, a widely used consensus protocol, and is specifically designed to tackle the challenges of low-power wireless networks. By utilizing conc

关键词： Computer science  

摘要： For hard real-time systems, schedulability of a task set is paramount. If a task set is not deemed schedulable under all conditions, the system may fail during operation and cannot be deployed in a high risk environment. Schedulability testing has typically been separated from worst-case execution time (WCET) analysis. Each task’s WCET value is calculated independently and provided as input to a schedulability test. However, a task’s WCET value is influenced by scheduling decisions and the impact of cache memory. Thus, schedulability tests have been augmented to include cache-related preemption delay (CRPD). From this classical perspective, the effect of cache memory on WCET and schedulability is always negative; increasing execution times and demand. In this work we propose a new positive perspective, where cache memory benefits multi-threaded tasks by scheduling threads in a manner that shares values predictably. This positive perspective is reached by integrating, rather than separating the disciplines of schedulability analysis and worst-case execution time. These integrated techniques are referred to as the BUNDLE family of worst-case execution time and cache overhead (WCETO) analysis and scheduling algorithm. WCETO calculation divides the task’s structure into conflict free regions and calculates a bound utilizing explicit understanding of the thread-level scheduling algorithm. Conflict free regions are utilized by the scheduling algorithm, which associates with each region a thread container called a bundle. At any time only one bundle may be active, and only threads of the active bundle may execute on the processor. The BUNDLE family of scheduling algorithms developed in this work increase in scope from BUNDLE through ITCB-DAG. As the fundamental contribution, BUNDLE and BUNDLEP apply to a single multi-threaded task running on a uniprocessor architecture with a single level direct mapped instruction cache. NPM-BUNDLE expands the positive perspective to multi

关键词： 压电能量收集   同步开关技术   收集功率   低功耗   阻抗匹配  

摘要： 近几年来无线传感网络的应用受到越来越多的关注,无线传感网络节点的大量增加使人们开始关注其供电方式。在许多系统中,干电池仍作为主要的供电方式。但是,使用干电池供电存在需要定期更换的问题。随着无线传感网络节点的数量的增加,使用干电池供电还会带来环境污染以及成本增加等问题。为了解决无线传感网络节点的供电问题,人们开始研究收集周围环境中的能量来代替干电池供电。环境中可以收集的能量主要有风能、热能以及振动能等,其中振动能分布最为广泛,人的行走、机器的运转,都能产生振动能。压电材料能把振动能转化为电能,前人研究表明压电材料的功率密度达到毫瓦每立方厘米级别,能产生足够多的能量给无线传感网络节点供电,并且压电能量收集系统结构简单,容易集成,相对于电磁式、静电式振动能量收集技术具有一定的优势。压电元件在交变载荷下产生交流电压,不可直接为电子设备供电。整流桥是最常用的压电接口电路,但是收集功率较低。许多研究人员对压电俘能装置的接口电路进行研究,但是所采用的接口控制电路往往功耗较大,消耗了实际收集到的能量。本文的研究重点是低功耗的压电接口电路。本文采用同步开关技术对压电元件的交变输出电压进行整流。实验结果表明设计的并联同步开关电感接口电路收集到的功率是标准接口电路的2.87倍,接口控制电路自身的能量消耗低至10.6μW。本文还提出阻抗匹配型并联同步开关电感接口电路,在并联同步开关电感接口电路后面连接负载匹配电路,使得接口电路能输出不同的电压并能为不同负载供电。实验结果表明阻抗匹配型并联同步开关电感接口电路收集到的功率是阻抗匹配型标准接口电路的1.47倍。所设计的接口电路能产生2.5V的电压为无线传感网络节点供电。

关键词： 分布式数据采集   龙芯   FPGA   国产化  

摘要： 分布式数据采集系统在我国的电力系统、工业控制、国防建设、海洋勘探、地震监测等诸多领域被广泛应用,该系统主要由CPU、FPGA、PHY芯片、ADC芯片等元器件构成,目前大多采用进口元器件设计实现。而近年来,美国发起的“贸易战”、禁运禁售等事件,使元器件进口受到很大制约,从而严重影响了分布式数据采集系统在一些国家重要领域的应用,暴露了采用进口元器件设计的系统存在受制于他国的风险。因此,研发具有自主知识产权的国产化分布式数据采集系统具有迫切需求。为此,本文研究开发了基于龙芯处理器的分布式数据采集系统验证平台。系统以龙芯1B处理器为核心,完成对多路模拟信号的采样和增益控制,对采样数据进行封包并基于以太网传输。系统采用100%国产元器件实现,所选元器件成熟度高,市场应用广泛。其中,龙芯1B处理器作为业务核心处理器,完成对接收命令的解析、处理,对采集数据的封包与传输;深圳国微FPGA基于双端口以太网交换功能实现各节点的级联,并对传感器信号阵列进行同步数据采集和增益控制;中电32所的PHY芯片完成网络包的编解码,使系统基于快速以太网完成数据传输。此外,本文完成了对验证平台的板级调试和功能性能测试。首先测试了各节点电源和时钟信号的质量,然后对数据采集结果进行分析,最后进行传输带宽和网络交换功能测试,验证了系统的各项技术指标及功能。

关键词： 气体超声波流量计   阻抗匹配   频率动态跟踪   低功耗   换能器激发  

摘要： 气体超声波流量计作为一种新型流量计,具备高精度、宽量程、易维护等优势,在天然气计量市场中居领先地位。超声波换能器作为激发和接收超声波信号、实现电-声信号转换的部件,在天然气流量计量过程中起着至关重要的作用。由于超声波换能器具有不同于超声信号源的负载特性,在流量计的实际应用中,阻抗的失谐会带来冗余功率损耗、激发效率低、接收波形不稳定等一系列问题,影响流量计的计量精度。在超声应用领域中,换能器的阻抗匹配一直是研究的重点。然而,超声波换能器的材料特殊性使其在外界环境因素如温度等变化时出现谐振频率漂移现象,导致传统的静态阻抗匹配方法失效。在此基础上,本文提出了动态阻抗匹配方案,并设计出低功耗的超声波换能器激发接收电路,以实现流量计量精度的提高。本论文主要完成了以下工作:(1)分析超声波换能器的阻抗特性,研究不同环境温度下等效参数出现波动的现状。在传统的静态阻抗匹配理论基础上,研究不同温度下串联匹配和并联匹配的效果。针对静态匹配存在的问题,提出动态匹配方案并进行研究,最终确定采用频率动态跟踪方法应对谐振频率漂移问题。在此基础上,设计出低功耗的超声波激发接收电路总体框架。(2)对超声波激发接收电路的各个模块完成设计。其中有对升压电路的研究和高频变压器的设计、压电换能器匹配电路以及频率动态跟踪电路的实现。在频率动态跟踪电路中,基于过零法设计检测电压电流相位差的硬件电路。采用双阈值的计时原理,完成接收电路各信号处理模块设计,基于MSP430和TDC-GP2芯片设计低功耗控制和高精度计时电路。(3)在超声波激发接收硬件设计基础上,对实现频率自动调节的测量主程序、频率动态跟踪程序以及流量测量程序等进行设计调试。在频率动态跟踪算法中,提出变步长的频率调节方法来应对谐振频率变化情况,快速而有效地实现频率跟踪。(4)基于Pspice仿真平台搭建系统电路,完成仿真实验证明动态匹配方案的必要性与可行性。利用课题组自主开发的气体超声波流量计,在搭建的实流标定和高低温实验系统中完成验证工作。

关键词： Engineering   Electrical engineering  

摘要： Predictions of the proliferation of hundreds of billions of connected wireless devices have yet to come true. The economics of such deployments becoming feasible require that current wireless modules become smaller, cheaper, and use less power. A typical wireless device combines a RF System-on-Chip with multiple frequency references, passive components, an antenna, and a battery on a printed circuit board. The Single Chip Mote project aims to reduce the size, weight, power, and cost of these devices by eliminating the off-chip frequency references and passives. The ultimate goal being to form a 2.4 GHz wireless node by attaching only an antenna and energy source to a single CMOS die. Of particular interest is the range of applications this could enable where the size and weight of current wireless devices has prohibited their use. This work implements a crystal-free IEEE 802.15.4 receiver that covers the data path from RF to bits. The receiver utilizes a passive front-end to reduce power and quadrature down-conversion followed by on-chip filtering and digitization. Integrated digital baseband is included for demodulation and clock recovery as well as built-in estimation of the errors in the RF channel frequency and data rate. Initial frequency calibration is performed simultaneously with bootloading using contact-less optical programming. Operation across the 0–70 C commercial temperature range has been demonstrated while inter-operating with commercial off the shelf IEEE 802.15.4 devices. The analog portion of the receiver, including the free-running LO, consumes 1.03 mW from a 1.5 V battery while achieving a sensitivity of −83 dBm.

关键词： 钙钛矿   光电探测器   欧姆机制   离子导电机制   迟滞  

摘要： 近年来,有机-无机复合钙钛矿材料由于光吸收能力强、电子空穴对结合能低、载流子扩散长度长等优秀的光电特性,以及制备工艺简单、制备成本低等经济优势,在太阳能电池领域受到越来越多的关注。从2009年Miyasaka等人第一次将钙钛矿作为光吸收剂应用在太阳能电池中,到2018年电池转换效率已经从3.8%提高到了23.2%。有机-无机复合钙钛矿材料在太阳能电池领域的突飞猛进也催生了其在其他光电器件领域的应用,如发光二极管(LED)、激光器以及光电探测器等,尤其在光电探测器领域受到了广泛的关注。到目前为止,基于有机-无机复合钙钛矿材料制备的光电探测器主要有三种结构:光电导结构、光电二极管结构以及光电晶体管结构。上述三种结构的探测器暗态电流较大,不符合当今半导体产业低功耗的发展趋势。基于此,本文制备了金属-氧化物-半导体(MOS)结构的钙钛矿光电探测器,利用MOS载流子的漏电输运电流作为光电转换的输出电流,大大降低了探测器的暗态功耗。并且深入研究了钙钛矿中碘离子、氧化层厚度以及不同氧化层材料对MOS结构钙钛矿光电探测器特性的影响。本文主要包括:1.采用热氧化工艺在硅(Si)衬底表面制备300 nm厚度的二氧化硅(SiO),采用一步溶液法在SiO表面制备300 nm厚度的钙钛矿,采用磁控溅射工艺在钙钛矿表面和Si衬底下表面制备150 nm厚度的电极金(Au)和电极铝(Al),最终形成Al/Si-SiO-钙钛矿-Au结构的光电探测器。并使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射谱(XRD)、光致发光谱(PL)、紫外可见吸收光谱(UV)、射线光电子能谱(XPS)等方法对制备好的多晶钙钛矿薄膜进行了材料表征。2.对上述制备好的钙钛矿MOS结构探测器进行了电容-电压(C-V)、电流-电压(I-V)以及电流-时间(I-t)测试。根据测试结果计算出探测器在1 V偏置电压和10 mW/cm光照强度下,具有0.2×10 W的暗态功耗、1×10 A/W的响应度、325的开光比以及3.16×10 Jones的探测灵敏度。C-V测试表明本文制备的钙钛矿为N型半导体,并且光照强度和测试频率对电容有较大的影响。C-V曲线在暗态下出现了正向扫描和反向扫描不重合的迟滞现象,光照后迟滞消失。根据C-V曲线计算出了钙钛矿中载流子浓度暗态下为1.91×10 cm,10 mW/cm光照强度下增加大到2.87×10 cm。I-V测试表明,探测器的输运机制以欧姆机制和离子导电机制为主,同时I-V曲线在暗态下也出现了迟滞现象,光照后迟滞消失。I-t测试表明,探测器的响应时间较长。3.研究了钙钛矿中碘离子对探测器的影响。实验测得掺碘后,探测器在1 V偏置电压和10 mW/cm光照强度下,具有1×10 W的暗态功耗、1.6×10 A/W的响应度、1000的开光比以及1.1×10 Jones的探测率。同时实验测得掺碘后,C-V和I-V迟滞现象增强,本文在实验基础上提出了迟滞产生的理论模型。4.研究了不同SiO厚度对探测器的影响。实验测得当SiO厚度为200 nm时,MOS探测器在1 V偏置电压和10 mW/cm光照强度下,具有1×10 W的暗态功耗、4.7×10 A/W的响应度、300的开光比以及3.3×10 Jones的探测率。同时I-V测试表明,SiO厚度为200 nm时,探测器的输运机制不止欧姆机制和离子导电机制,还包括Frenkel-Poole发射机制。I-t测试表明,SiO厚度为200 nm时,探测器的响应时间明显减少。而当SiO厚度为500 nm时,探测器光照电流小于暗态电流。5.研究了不同氧化层材料对探测器的影响。实验测得当氧化铝(AlO)取代SiO后,探测器在1 V偏置电压和10 mW/cm光照强度下,具有5×10 W的暗态功耗、2.4×10 A/W的响应度、300的开光比以及1.5×10 Jones的探测率。同时I-V测试表明AlO氧化层探测器的输运机制以欧姆机制和离子导电机制以及肖特基发射机制为主。I-t测试表明,较薄的AlO厚度可以有效降低探测器的响应时间。而当氧化铪(HfO)取代SiO后,探测器光照电流和暗态电流无明显变化。

关键词： SSD   控制器   PCIe Gen4 NVMe SSD   Marvell   极低功耗  

摘要： Marvell推出业界功耗最低的PCIe Gen4NVMe固态硬盘(SSD)控制器产品系列。随着人工智能和5G技术快速发展,Marvell推出新一代的SSD控制器,专为满足下一代数据中心和边缘设备对更低功耗和更高性能的需求而设计。凭借Marvell专业的复杂系统单晶片(SoC)设计

关键词： 开放通道固态盘   数据去重   闪存   闪存转换层   多线程  

摘要： 基于NAND闪存的固态盘由于其性能优于机械磁盘而被广泛部署在存储系统中,但由于写放大以及闪存介质磨损等原因,减少写操作可提高固态盘的性能与可靠性。此外,统计表明常见的数据集中普遍存在重复数据,利用数据去重技术可以有效减少写入固态盘的数据量,改善其性能与可靠性。但是传统的基于固态盘的数据去重开销较大,会成为固态盘的性能瓶颈。针对上述问题,设计了基于开放通道固态盘的数据去重系统D-pblk,它可利用主机端高性能处理器快速计算指纹,减少指纹计算开销。D-pblk采用了双指纹哈希校验策略,首先采用CRC32计算弱指纹过滤大部分非重复数据,并当数据可能重复时,再采用SHA-1计算强指纹准确识别数据是否重复,从而减小指纹计算开销,并且D-pblk能充分利用主机端的计算资源,加速指纹的计算,降低数据去重在数据写请求关键路径上带来的延迟。此外,D-pblk还实现了双环形缓冲区策略,有效解决了去重后的数据大小可能无法匹配写一个闪存页大小的问题。经实验测试表明,基于开放通道固态盘的数据去重系统D-pblk对常见的6种工作负载,去重率在4.61%到31.63%之间。相较于未进行数据去重的系统,在基本不影响读性能的情况下,D-pblk系统可减少开放通道固态盘的实际写流量最高达41%,写性能最高提升29%。