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无线传感网络节点中光伏电池升压转换芯片的设计

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无线传感网络节点中光伏电池升压转换芯片的设计

作者：朱浠文哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

无线传感网络技术自从新世纪以来,从理论已经走入生活,对于无线传感网络中的微小节点,用户希望的是让它们持续的、稳定地工作,但是现实因素是许多无线传感网络节点(Wireless Sensor Network nodes,WSNs)的工作环境十分恶劣,并且节点数... 详细信息

无线传感网络技术自从新世纪以来,从理论已经走入生活,对于无线传感网络中的微小节点,用户希望的是让它们持续的、稳定地工作,但是现实因素是许多无线传感网络节点(Wireless Sensor Network nodes,WSNs)的工作环境十分恶劣,并且节点数目巨大,遍布范围甚广,在电源方面,使用普通的电池根本无法满足要求,因此,当前的研究方向是收集利用环境中能量,实现电源的自供足,而最常见的自然能源就是光能,光能收集元件就是光伏电池。本文首先调研了国内外各类与光伏电池相关的、带有最大功率追踪技术(Maximum Power Point Tracking,MPPT)功能的电压转换器芯片的研究成果,对已有的升压转换电路结构进行对比和总结。本文根据实际应用场景,建立了光伏电池的系统级数学模型,对系统级结构进行仿真,得到光伏电池的输出特性曲线,以系统级仿真结果为基础,建立了光伏电池的电路模型,为后续的升压转换电路设计提供仿真源;分析了各类MPPT算法,最后选择适合硬件实现精度较高的扰动观察法,并且建立了扰动观察法的系统级模型,仿真得到MPPT算法的运算结果,验证了MPPT算法与光伏电池输出特性的适配,并以此为理论基础进行了在系统中的算法修正。本文提出并设计了一款针对光伏电池的升压转换芯片,整个系统包括新型四相位高效率电荷泵模块、MPPT控制电路模块、反馈控制模块、纳安级电流基准等,对各个模块进行设计和仿真,以较高的功率转换效率和较大的输出电压作为追求目标,结合仿真结果进行优化。采用中芯国际SMIC0.18μm的深N阱工艺对带有MPPT的boost电压转换器芯片进行电路设计,最终电路仿真结果显示,光照强度为400W/m时,光伏电池的输入电压为0.618V,此时,若升压转换芯片后无阻性负载,输出电压为1.84V,电压转换效率为98.7%;若输出端级联电阻,输出功率最大为358.4μW时,功率转换效率最大可以达到71.3%。最终进行版图的绘制,整体版图的面积为1.45mm×0.98mm。版图通过验证后,进行后仿,光照强度400W/m且无负载时,得到最大电压输出电压为1.80V,输出纹波小于15m V,芯片满足设计功能要求。

关键词：无线传感网络节点光伏电池 boost电压转换器 MPPT

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可仿生自修复的无线传感网络节点设计

振动．测试与诊断 2011年第5期31卷 557-561,661页

作者：杨伟伟袁慎芳邱雷张英杰董晨华南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室南京210016

为保证无线传感网络的长期稳定运行,提出了一种具有仿生自修复功能的节点设计方法。该方法采用现场可编程模拟阵列(FPAA)实现传感模块内部各电路的信号链路,用信号处理模块监测传感模块内部各电路的工作状态。当传感模块发生异常时,信... 详细信息

为保证无线传感网络的长期稳定运行,提出了一种具有仿生自修复功能的节点设计方法。该方法采用现场可编程模拟阵列(FPAA)实现传感模块内部各电路的信号链路,用信号处理模块监测传感模块内部各电路的工作状态。当传感模块发生异常时,信号处理模块判别其内部异常电路位置,并驱动FPAA启动冗余备份电路,完成了传感模块的信号链路的动态重构,达到了节点自修复的目的。首先介绍了仿生自修复节点的总体设计方案;然后,以应变无线传感网络节点为具体应用对象,设计实现了传感模块可动态重构自修复无线传感网络节点;最后,通过信号异常饱和状态的自修复试验验证了节点的自修复功能。

关键词：仿生自修复无线传感网络节点现场可编程模拟阵列(FPAA) 动态重构

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基于新型电源供电的无线传感网络节点设计

压电与声光 2011年第3期33卷 498-500,508页

作者：林伟卿辉陈文周静武汉理工大学自动化学院湖北武汉430070 武汉理工大学材料科学与工程学院湖北武汉430070

基于新型集成式压电能量收集模块LTC3588-1,结合压电自发电单元特性,进行了面向环境监测的无线传感网路节点的设计。实验结果表明,与改进后的电荷捕获电路相比,系统具有能量收集效率高、传输距离较远等优点,有效地解决了无线传感网络节... 详细信息

基于新型集成式压电能量收集模块LTC3588-1,结合压电自发电单元特性,进行了面向环境监测的无线传感网路节点的设计。实验结果表明,与改进后的电荷捕获电路相比,系统具有能量收集效率高、传输距离较远等优点,有效地解决了无线传感网络节点能源供电的问题,达到了节能环保的目的。

关键词：压电自发电能量收集电源无线传感网络节点

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自供电无线传感网络节点设计

仪表技术与传感器 2012年第7期 102-104页

作者：孟庆春陈光柱中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221008 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室陕西西安710049 成都理工大学核技术与自动化工程学院四川成都610059

针对无线节点续航难题,提出一种自供电无线传感网络节点设计方案。该方案采用双晶悬臂梁式压电振子自发电结构,针对传统以电容为存储介质的能量收集电路的缺陷,采用新型压电能量收集存储芯片LTC3588-1及LTC4071搭建电路,设计无线节点模... 详细信息

针对无线节点续航难题,提出一种自供电无线传感网络节点设计方案。该方案采用双晶悬臂梁式压电振子自发电结构,针对传统以电容为存储介质的能量收集电路的缺陷,采用新型压电能量收集存储芯片LTC3588-1及LTC4071搭建电路,设计无线节点模块并进行试验分析。试验结果表明:该方案能量收集效率高,可满足占空比为1%的无线传感网络节点工作需求,且适应于各种复杂振动环境。

关键词：无线传感网络节点自供电压电振子能量收集存储电路

基于Arduino的ZigBee无线传感网络节点设计与实现

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基于Arduino的ZigBee无线传感网络节点设计与实现

作者：张雁琳北京工业大学

学位级别：硕士

无线传感网络的出现提升了人们获取自然信息的能力,它将物理信息的采集与无线网络传输结合到一起,有着非常良好的应用前景。无线传感网络节点是无线传感网络的基本组成元素,因而无线传感网络的工作效率及工作成本是整个无线传感网络性... 详细信息

无线传感网络的出现提升了人们获取自然信息的能力,它将物理信息的采集与无线网络传输结合到一起,有着非常良好的应用前景。无线传感网络节点是无线传感网络的基本组成元素,因而无线传感网络的工作效率及工作成本是整个无线传感网络性能优劣的关键因素。伴随着无线传感网络的持续发展,现有的无线传感网络节点已表现出结构灵活性差、可变度低、通用性弱等局限及不足。本文在现有研究基础之上,结合Arduino开发优势及ZigBee无线通信技术特点,对提升无线传感网络节点的通用性和灵活性及降低节点的成本和能耗进行了研究。本文所进行的研究工作主要包含以下几点:一是研究ZigBee通信协议及其组网技术,并在此基础之上设计课题所需的通信协议。二是研究设计及实现基于Arduino技术的ZigBee无线传感网络节点的硬件系统,结合ZigBee无线传感网络节点需求选择合适的Arduino开发板,并以该开发板为设计原型进行功能模块的电路设计。对于无法参考Arduino开发板进行设计的功能模块,再以XBee ZB模块及外围电路设计、DS2438芯片及外围电路设计作为补充完善节点硬件系统设计。此外,在节点电路原理图设计完成后,对节点PCB板进行了合理的设计和制作。三是在无线传感网络节点通信协议及硬件设计的基础之上研究设计及实现该无线传感网络节点的软件系统,通过设计合理的软件工作流程、编写高效的信息采集处理及无线通信程序,实现节点信息采集及信息传输的智能化。本文完成了对基于Arduino的ZigBee无线传感网络节点的设计和实现,进而从通信功能角度及传感数据采集角度以温度数据监测为例对节点的实际功能进行了测试,并对多节点组网及组网后形成的小型无线传感网络系统的功能进行了测试,此外还对节点的能耗进行了测试及分析。以上测试结果验证了本课题设计方案的可行性,并以新兴技术Arduino与无线传感网络节点开发的结合为无线传感网络节点的设计及应用提供了可参考的研究方法。

关键词：无线传感网络节点 ZigBee Arduino

基于电磁场有限元法的无线传感网络节点PCB稳定性研究

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基于电磁场有限元法的无线传感网络节点PCB稳定性研究

作者：沈敏南京理工大学

学位级别：硕士

论文为提高无线传感网络节点工作的稳定性,对其印制电路板(PCB)的信号完整性、电磁兼容性和电源完整性进行研究。以输电线路在线监测为应用背景,设计网关、监测节点的技术方案,进行各个功能模块的硬件选型。建立无线传感网络节点PCB的... 详细信息

论文为提高无线传感网络节点工作的稳定性,对其印制电路板(PCB)的信号完整性、电磁兼容性和电源完整性进行研究。以输电线路在线监测为应用背景,设计网关、监测节点的技术方案,进行各个功能模块的硬件选型。建立无线传感网络节点PCB的电磁辐射和串扰模型,介绍电源分配网络设计方法、电磁场有限元法和相关的实现软件Ansoft Siwave/Designer。在完成节点硬件电路设计的基础上,应用Ansoft Siwave/Designer软件分别对节点自动布线与布线调整后的PCB作仿真分析,完成PCB的布线。具体如下： 1.监测节点PCB仿真表明：电源完整性：通过加宽、缩短电源线,芯片的5V电源引脚电压从4.771V上升至4.997V,电源电压被控制在额定电压的5%以内;信号完整性：通过采用135。拐角、增加信号路径之间的距离,数据线的过冲幅值从298.4mV下降至186.1mV,信号线噪声控制在信号摆幅的15%以内;电磁兼容性：通过减小晶振回路面积,在3m处电场最大值从68dBμV/m下降至32dBμV/m,辐射电场达到CISPR22的限值要求。 2.网关节点核心板仿真表明：电源完整性：通过在谐振幅度最大位置处添加去耦电容,3.3V电源分配网络的输入阻抗最大值从2.48Ω下降至1.09Ω,电源电压被控制在额定电压的5%以内;信号完整性：通过使信号线具有共同的参考平面、端接,数据线的过冲幅值从897mV下降至90mV,信号线噪声控制在信号摆幅的15%以内;电磁兼容性：通过消除连续孔缝,电场最大值从26.03V/m下降至13.34V/m,磁场最大值从56.37mA/m下降至19.63mA/m,减弱对附近传输线的电磁骚扰。 3.网关节点底板仿真表明：电源完整性：通过加宽、缩短电源线,芯片的4V电源引脚电压从3.873V上升至3.941V,电源电压被控制在额定电压的5%以内;信号完整性：通过减小传输线长度、端接,信号线的过冲幅值从2.3479V下降至634mV,信号线噪声控制在信号摆幅的15%以内;电磁兼容性：通过用大的金属平面靠近走线,在3m处电场最大值从91dBμV/m下降至52dBμV/m,辐射电场达到CISPR22的限值要求。综上所述,通过对节点PCB自动布线的调整,改善其信号完整性、电磁兼容性与电源完整性,提高其工作的稳定性。

关键词：无线传感网络节点节点硬件电路与PCB 电磁辐射与串扰模型有限元法信号完整性电磁兼容性电源完整性

基于Arduino控制的ZigBee无线传感网络节点分析

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无线互联科技 2017年第15期14卷 19-20页

作者：李珊珊怀化学院湖南怀化418000

随着现代无线传感网络的飞速发展,传统无线传感网络节点的灵活性、可变度以及通用性均表现出不同程度的不足。因此,在现有无线传感网络节点的研究基础之上,可以结合新兴技术Arduino的开发优势及ZigBee无线通信技术的特点对提升无线传感... 详细信息

随着现代无线传感网络的飞速发展,传统无线传感网络节点的灵活性、可变度以及通用性均表现出不同程度的不足。因此,在现有无线传感网络节点的研究基础之上,可以结合新兴技术Arduino的开发优势及ZigBee无线通信技术的特点对提升无线传感网络节点的通用性、灵活性以及降低节点的成本和能耗开展研究。文章不仅从系统架构以及功能结构方面进行了优化设计,还尽可能降低无线传感网络节点的成本和功耗,具有一定实际的研究意义和价值。

关键词：无线传感网络节点 Arduino ZigBee

基于MEMS传感器的无线传感网络节点的硬件设计

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机电工程 2012年第3期29卷 343-346页

作者：吴艳董林玺杭州电子科技大学电子信息学院浙江杭州310018

为了解决对建筑物的结构健康安全监测进行在线监测的问题,采用微机电系统(MEMS)技术和无线传感器网络技术相结合的方法,提出了一种基于磁驱动增大检测电流的新型电容式加速度传感器结构,介绍了其工作原理,并设计了该传感器的电容检测电... 详细信息

为了解决对建筑物的结构健康安全监测进行在线监测的问题,采用微机电系统(MEMS)技术和无线传感器网络技术相结合的方法,提出了一种基于磁驱动增大检测电流的新型电容式加速度传感器结构,介绍了其工作原理,并设计了该传感器的电容检测电路,在ANSYS仿真软件上对传感器性能进行了评价,在Multisim上对检测电路进行了模拟仿真;仿真结果表明,该传感器可以检测三维加速度信号,静态灵敏度可达0.558μm/g,动态测量范围为10 g,电路实际输出与仿真结果相符,符合要求;在节点整体方案设计中以低功耗的MSP430F1611作为控制MCU,以CC2430芯片实现无线收发,配合周围接口电路实现了位移信号的监测功能;采用片内温度传感器对节点进行了测试。测试结果表明,该节点能够完成监测,满足设计要求。

关键词：电容式加速度传感器无线传感网络节点 MSP430F1611 CC2430 微机电系统

基于ZigBee的深水网箱养殖无线传感网络节点设计

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电子设计工程 2017年第6期25卷 100-104页

作者：胡昱黄小华陶启友郭根喜薛家祥中国水产科学研究院南海水产研究所农业部南海渔业资源开发利用重点实验室广东广州510300 华南理工大学广东广州510640

利用ZigBee技术提出了一种深水网箱养殖环境监测方法,对监测网络中的传感器节点进行了软硬件设计。根据无线传感器网络系统的总体结构与硬件设计方案选择合适的器件,完成了节点的硬件电路设计,包括ZigBee节点RF模块电路、ZigBee父节点... 详细信息

利用ZigBee技术提出了一种深水网箱养殖环境监测方法,对监测网络中的传感器节点进行了软硬件设计。根据无线传感器网络系统的总体结构与硬件设计方案选择合适的器件,完成了节点的硬件电路设计,包括ZigBee节点RF模块电路、ZigBee父节点通讯功能模块电路、ZigBee子节点通讯功能模块电路的设计。进行了ZigBee节点的软件设计,包括协调器设备ZigBee通讯软件、终端设备ZigBee通讯软件、终端设备控制软件。无线传感网络能可靠的采集、处理、传输深水网箱养殖环境信息数据,这为利用传感器技术和ZigBee无线网络技术进行远程实时监测与控制应用打下了坚实的技术支持。

关键词：深水网箱 ZigBee 监控无线传感网络节点