摘要： With the increased population in the big cities, Internet of Things (IoT) devices to be used as automated monitoring systems are required in many of the Smart city's applications. Monitoring road infrastructure such as a manhole cover (MC) is one of these applications. Automating monitoring manhole cover structure has become more demanding, especially when the number of MC failure increases rapidly: it affects the safety, security and the economy of the society. Only 30% of the current MC monitoring systems are automated with short lifetime in comparison to the lifetime of the MC, without monitoring all the MC issues and without discussing the challenges of the design from IoT device design point of view. Extending the lifetime of a fully automated IoT-based MC monitoring system from circuit design point of view was studied and addressed in this research. The main circuit that consumes more power in the IoT-based MC monitoring system is the analogue to digital converter (ADC) found at the data acquisition module (DAQ). In several applications, the compressive sensing (CS) technique proved its capability to reduce the power consumption for ADC. In this research, CS has been investigated and studied deeply to reach the aim of the research. CS based ADC is named analogue to information converter (AIC). Because the heart of the AIC is the pseudorandom number generator (PRNG), several researchers have used it as a key to secure the data, which makes AIC more suitable for IoT device design. Most of these PRNG designs for AIC are hardware implemented in the digital circuit design. The presence of digital PRNG at the AIC analogue front end requires: a) isolating digital and analogue parts, and b) using two different power supplies and grounds for analogue and digital parts. On the other hand, analogue circuit design becomes more demanding for the sake of the power consumption, especially after merging the analogue circuit design with other fields such as neural networks and

关键词： 超低功耗   无线传感器   自供电   MSP430   物联网  

摘要： 在环境恶劣或者难以布线的偏远地区,无线传感器的应用越来越广泛。无线传感器一般指的是使用无线信号传输方式的传感器,有的传感器虽然采用无线方式进行信号传输,但是供电仍然采用有线方式。有的传感器采用电池供电,实现了真正意义上的无线。然而,对于有些应用场合,既无法采用有线供电,也很难定期更换电池,就必须考虑使用自供电的方式。由于自供电需要通过外部环境获得能量,因此缺点是对外部环境的依赖性较强,例如风能、太阳能等等。尤其是对于某些应用场合,对传感器的体积有严格要求,无法采用大体积的太阳能电池板或者风力发电机进行供电,传感器的体积越小,获取充足功率的外部能量就越困难。因此,在这类场合,系统的低功耗设计就极为重要。这篇论文介绍了一种超低功耗自供电无线氧含量传感器的设计。该传感器设计方案不是针对某特定工程应用而提出,因此具有一定的通用性,通过修改传感器接口电路,就可以连接其他类型的传感器,从而实现自供电无线信号传输功能,因此实用性较高。系统的核心控制器采用德州仪器公司推出的著名的MSP430单片机,无线发射部分采用了电容三点式振荡器实现了简单的无线数据发送功能。控制器与无线通信模块平时都处于休眠状态,只有在进行数据传输的时候才唤醒,因此显著降低了系统功耗。由于自然环境中诸如光能、机械能等能量往往是不连续的,为提高系统供电的稳定性,本文采用了基于光电池的光能采集与基于压电陶瓷的振动能量采集的双路能量采集方法。光电能量采集技术成熟,应用广泛,因此本文能量采集的研究重点是基于压电陶瓷的振动能量采集。最终设计的自供电系统在实验室测试环境中能够满足本设计的超低功耗传感器数据采集及无线发送的需求。

关键词： LoRa   水产养殖   低功耗   远距离   无线传感器网络  

摘要： 伴随着国内水产养殖业的快速发展,水产养殖面积逐年递增,已经成为我国农业经济增长的主要产业之一。但在水产养殖水质监测方面,大部分养殖户仍采用依赖于人工经验的传统养殖模式,无法对水质做出科学的判断而影响行业的发展。当前,随着农业现代化和无线传感器网络技术的飞速发展,为水产养殖水质监测提供了科学的解决方案。目前绝大部分工厂化养殖模式的水质监测采用Zigbee、WiFi、GPRS等无线通信技术进行通信,但对于监测面积较大的池塘养殖区域来说,存在通信距离短、抗干扰性差、功耗高等缺陷。本文根据水产养殖水质监测的发展需求,将低功耗广域网LoRa无线技术运用到其中,设计了一种基于LoRa技术的低功耗水产养殖水质监测系统。本文主要研究的内容如下:(1)根据实际应用场景的需求,对低功耗局域网和低功耗广域网的几种常用通讯技术进行对比和分析,结合LoRa技术的特性,将该技术运用到水产养殖水质监测系统的设计中,确定系统的整体架构。(2)分析系统需求,确定系统的硬件设计部分,包含传感器节点和汇聚节点的硬件方案。传感器模块、主控模块、无线通信模块、和电源模块共同构成传感器节点,传感器节点向下通过传感器采集水温和PH值,向上利用LoRa无线技术将数据发送至汇聚节点。汇聚节点不仅需要和传感器节点进行通信,还需把数据汇总后利用串口传输至上位机。(3)在嵌入式软件开发方面,利用IAR集成开发环境对传感器节点和汇聚节点设计了应用程序。根据水产养殖的需求和控制生产成本的要求,选择了对水质影响较大的水温和PH值两个参数,将传感器输出的模拟信号转化为数字信号,完成了将数据打包,并进行发送和接收的通信功能,同时实现了系统与上位机的通讯。(4)在上位机软件开发方面,利用Visual Studio 2015的开发环境,使用C#语言完成一款具有友好界面的上位机监测平台,将通过串口接收到的数据,采取图形显示的方式,对各个传感器节点采集到的水质参数信息进行实时监控,直观地显示水质参数的波动,建立了水质参数数据库,可查看以往的历史数据,并设置警戒值便于操作人员查看分析。(5)通过对影响系统功耗因素的分析,得出从硬件和软件两个角度来达到降低系统功耗的目的。硬件部分选择基于LoRa技术的SX1278射频芯片和STM8L微处理器作为主控芯片,从而保证系统拥有较低的功耗。软件部分首先使用功率控制技术,根据监测区域面积的大小选择合适的发射功率来降低系统的功率,其次,针对系统通信时因竞争信道而引发碰撞导致能量消耗的情况,设计了以TDAM协议为基础的LoRaMAC通信协议,避免了节点之间的冲突、增加了工作周期内节点的休眠时间。(6)对水产养殖水质监测系统进行模拟测试,包含系统通信距离测试、功耗理论计算、组网测试和功能测试。通信距离测试结果表明丢包率小于10%,监测范围在2km内的情况下,通信质量良好;节点在工作周期为10min,电池容量为2800mAh的供电情况下,节点的使用寿命可以达到9409个小时;系统使用星型组网方式,采用LoRaMAC通信协议搭建无线网络,通过上位机界面表明系统功能正常,满足预期的设计目标。综上所述,系统各项测试符合设计要求,系统具有功耗低、远距离传输、节点放置灵活等特点,在水产养殖水质监测领域中具有良好的发展前景。

关键词： 便携式设备   智能仪器仪表   低功耗技术  

摘要： 自改革开放几十年来我国的经济实力、军事实力、政治地位都得到了很大的提高,制造业、医疗行业、餐饮、建筑等各行各业都在这些年里取得了不同程度的发展和进步,同时为我国酝酿了良好的政治、文化、法律的环境氛围,这才使得我国各行各业兴盛发展、国家基础建设越来越完善,在这样的大环境下我国的电子技术、智能设备取得进一步的发展,然而当前便携式智能仪器仪表耗能问题仍旧是发展研究中的关键所在,在此本文就结合单片机和便携式智能仪器相关技术的发展革新,对便携式智能仪器的低功耗技术进行简单分析探讨,以期能够对便携式智能仪器朝着低功耗的方向发展做出贡献.

关键词： 便携式   智能仪器   智能仪表   低功耗技术  

摘要： 对于现阶段便携式智能仪器仪表中存在的功率损耗问题,采用降低功率损耗的技术以及应用降低功率损耗设计才是电子系统未来发展的基本需求,从选择降低功率损耗的方案、选择降低功率损耗的单片机、选择降低功率损耗的外围器件与电路、选择降低功率损耗的管理方法等方面提出切实有效的降低功率损耗技术以及方案,以此解决功率损耗问题.

关键词： 食品溯源   无线感知系统   低功耗   稳定性  

摘要： 随着中国经济水平逐步提高,人们的生活质量有了保障,但现阶段我国食品滥用添加剂,掺假使假等问题时有发生。虽然政府部门和消费者越来越重视食品安全问题,但当前大部分食品溯源监测应用中的感知系统停留在固定于仓库和工厂之中的阶段,无法提供食品实时位置信息,并且其中的硬件设备耗能较高,采集数据缺乏保护容易丢失。导致溯源链条较短,难以涵盖整个物流过程,监测信息少实用性低。因此需要设计一款高效可用的无线感知系统为食品溯源监测应用的实用性和普及提供保障。在充分调研食品溯源系统及无线传感网络中通信与低能耗技术的基础上,本文首先根据使用场景需求提出了无线感知系统的整体设计方案。并从硬件选型,软件功能划分和通信方案等方面进行了说明。之后针对该系统关于低能耗及稳定性的重点问题提出相应解决策略:在节能方面根据节点休眠模式和感知数据特点提出了低功耗工作模式调度算法、基于位置预测的定位采集优化算法和基于数据相似性的动态数据上报触发算法;从系统稳定性方面提出基于数据特征的有限缓存管理方案。最后对无线感知系统进行了软硬件实现和功能测试与算法性能分析,测试结果符合预期。工作周期为10分钟的情况下,一次充电后节点可以使用20天左右,数据到达率在80%以上。本课题设计并实现一套低能耗高稳定性的无线感知系统为食品溯源监测提供食品环境数据、实时定位、物流信息可追溯等服务。文中提出的节电算法与稳定性策略经过性能检验和分析,效果较为理想,可以保证食品监测溯源应用的实用性。目前该系统已成功应用于企业用户,为其旗下多种食品提供溯源监测服务,具备较高应用价值。

关键词： 远程水表抄表   STM32L   低功耗   GPRS/GSM   485总线  

摘要： 随着全球智能化水务系统建设的推进,我国城乡智能水表产业发展迅速,智能水表的使用量持续增加,需要工作人员现场抄读的机械式传统水表逐渐被其代替。与此同时,“远程抄表,集中监控,统一管理”的水表数据采集和管理模式正逐渐成为全国各地水表行业的管理标准。因此,设计一套功能完善的远程水表抄表系统,使得整个水务系统标准化、数字化、信息化是十分有意义的。本文首先对国内外智能水表发展趋势和远程水表抄表系统的现状做出了分析,介绍了目前走在远程水表抄表行业前列的企业和他们的优秀产品;并结合实际的市场需求,从系统功耗、数据采集精确度、系统工作效率、系统实用性和兼容性等多方面因素出发,提出了一套基于物联网的低功耗远程水表抄表系统的软硬件设计方案;随后对远程水表抄表系统的工作原理和系统架构进行了分析,针对水表抄表系统的任务指标,设计实现了超低功耗的基于STM32-ARM核心处理器的嵌入式系统硬件电路,分别为:电源电路、数据采集电路、数据存储电路、通讯电路、实时时钟电路和系统低功耗管控电路;接着根据整套水表抄表系统的工作流程,实现了多套测试和执行软件,其中包括基于ARM处理器的执行于MCU内部NorFlash的bootloader更新程序与APP主控程序,基于.NET框架下WinForm的远程程序更新工控软件,基于Eclipse和SqlServer的远程水表抄表测试平台。本文最后对抄表系统进行了全面、细致的测试。测试结果表明,系统功能基本实现,系统电池使用年限可达4年,脉冲量累计误差约为千分之一个,485直读表零误码率,模拟量采集误差小于±0.8%,配合上报文补发程序下的数据远传无数据丢失。

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： Engineering   Electrical engineering   Computer science  

摘要： Two low-power voltage reference cells for a system on-chip design are presented in this report. Both cells utilize a combination of standard transistors to produce an output voltage near 1 volt. Choosing the appropriate design procedures can aid in minimizing the temperature coefficient (TC) of the output reference voltage coming out of the cell. One circuit, covered first, is currently being fabricated on a standard 0.5 µm chip complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process, while the other is still in the designing stage. The first one has a TC of 86 ppm/°C with a reference voltage of 1.10 V while consuming 1.25 µW of power by simulation. The second voltage reference cell is aimed for a lower TC, and power consumption approximately 37 ppm/°C and 2 nW in simulation. Additionally, ideas to improve the circuits will be explored, and the layout of the first cell will be presented in this paper.

关键词： 无线电  

摘要： 深圳云里物里科技股份有限公司的新型MS88SF2多协议模块产品,是基于Nordic功能最强大的短距无线微控制器系统级芯片(SoC)器件nRF52840。这款模块可以配合无线协议蓝牙5.0、ZigBee 3.0、Thread和ANT以及专有2.4GHz堆栈运行。采用紧凑封装(23.2×17.4×2mm3)的高集成度模块MS88SF2包含从无线电到不同天线(PCB和陶瓷)的所有必需组件,以及天线匹配网络或用于外部天线连接的***/IPEX天线插头。为了防止辐射和电磁波,该模块带有金属盖。