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基于无源传感网的应用开发平台设计与实现

基于无源传感网的应用开发平台设计与实现

作者：文豪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

人们在建设世界过程中,需要不断深入探索未知空间,因此各种各样的信息被用来支持这个过程,如何获取这些信息变得更加困难重重。仅仅依靠人类对物理世界的本能感知已远远不能满足信息时代的发展要求。因此信息系统向真实世界延伸进而诞... 详细信息

人们在建设世界过程中,需要不断深入探索未知空间,因此各种各样的信息被用来支持这个过程,如何获取这些信息变得更加困难重重。仅仅依靠人类对物理世界的本能感知已远远不能满足信息时代的发展要求。因此信息系统向真实世界延伸进而诞生了物联网,它提升了人类控制和感知世界的能力,在诸多方面具有广泛应用。作为物联网感知层的无线传感网的长期泛在受到能源的制约,于是无源传感网应运而生。无源传感网节点不配备电池等电源设备,而是从周围的环境中捕获太阳能、射频能量、机械能等能量作为节点工作的能源。环境中的能量有限,并且具有不稳定的特点,这给无源传感网的应用带来新的要求与挑战。网络中的协议、通信、计算等都要以能量为中心。能量受限以及不稳定会导致节点不断重启,计算过程也变得碎片化。针对无源传感网的上述特点,自研的无源节点IEA具有多源能量捕获以及融合的能力,建立了无源传感网研究的硬件基础。为了让无源节点IEA上的研究者无需关心硬件细节,提供传统操作系统的多任务、任务间通信、内存管理、硬件驱动等以及无源节点特有的能量管理、间断计算等功能,我们设计并实现了无源应用开发平台。传统的传感网操作系统设计之初并没有考虑到能量的问题,许多设计并考虑针对无源传感网的特点。同时这些操作系统具有的跨处理器通用性会降低节点的能量使用效率,因此并不适合无源传感网。无源应用开发平台包括操作系统抽象层,硬件抽象层以及板级支持包三个部分,解决软件和硬件之间的鸿沟。此分层设计使得硬件相关性较弱的操作系统抽象层具有可移植性。另外它针对节点做了深度优化,以便提高硬件效率和能量利用率。例如调度是平台经常需要执行的功能,针对节点微控制器体系结构特点,考虑中断机制、寻址方式、生成指令长度、执行所需要的时钟周期等因素,我们设计并实现了一种高效的任务上下文保存及任务切换机制。针对操作系统抽象层的实验表明这种设计能够支持节点工作在间断重启的状态下,具有高效性以及低能耗的特点。最后我们基于该平台设计了无源节点单跳组网应用,从无源传感网中收集多个节点的感知数据,结果表明该网络运行得很好。

关键词：应用开发平台嵌入式操作系统能量捕获无源节点无源传感网

基于WISP的生鲜食品冷链物流追溯系统设计与实现

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基于WISP的生鲜食品冷链物流追溯系统设计与实现

作者：刘高浙江工业大学

学位级别：硕士

随着我国国民消费水平的提高,对生鲜食品的需求量越来越大,品质要求越来越高。但是,目前我国冷链物流建设还不能满足日益增长的需求。冷链配送比例低、运输环节不可控和信息分散等因素对引发食品质量安全问题留下了巨大隐患。要想保障... 详细信息

随着我国国民消费水平的提高,对生鲜食品的需求量越来越大,品质要求越来越高。但是,目前我国冷链物流建设还不能满足日益增长的需求。冷链配送比例低、运输环节不可控和信息分散等因素对引发食品质量安全问题留下了巨大隐患。要想保障人们吃上放心菜,需要在冷链运输的各个环节建立有效的监控机制。RFID技术在冷链物流领域中越来越受到重视。本文研究了当前国内外将RFID技术运用于冷链物流领域的发展现状,总结了其优势和存在的不足。在此基础上提出了基于WISP(Wireless Identification and Sensing Platform,无线感知识别平台)无源标签的冷链物流管理系统设计方案,并进行了开发实现。该系统利用WISP无源标签可以进行能量捕获的特点,弥补了使用传统无源标签在感知能力方面的不足和有源标签繁重的电池维护缺点,为RFID技术在冷链物流领域的应用提供了一些新的思路。本文还针对WISP标签因能量不足可能导致冷链运输过程中敏感数据丢失的问题,提出了一种复合事件捕捉策略。该策略先从能量使用效率角度出发,将提高事件捕捉率问题等价成提高能效的问题。再从整体出发,将复杂的多节点协作问题等效成任务分配问题,简化了问题的复杂度。最后通过理论分析和仿真实验数据表明,该策略是可行的和有效的。

关键词：无线感知识别平台能量捕获射频识别冷链物流事件捕捉

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纳米网络中差错控制机制研究

纳米网络中差错控制机制研究

作者：马得宝浙江工业大学

学位级别：硕士

纳米网络(Nanonetworks)是指由大量的、尺寸在纳米级或微米级的通信设备相互连接而组成的网络。由于单个纳米组件的尺寸只有约几立方纳米,因而其拥有了纳米尺度上的新特性,在生物医学、环境检测、国防军事以及工业和消费品等领域均有着... 详细信息

纳米网络(Nanonetworks)是指由大量的、尺寸在纳米级或微米级的通信设备相互连接而组成的网络。由于单个纳米组件的尺寸只有约几立方纳米,因而其拥有了纳米尺度上的新特性,在生物医学、环境检测、国防军事以及工业和消费品等领域均有着十分广泛的应用前景。近年来,随着碳纳米管、石墨烯等新型纳米材料的出现,为高工作频率的电磁波通信提供了新的解决方案,使得纳米天线可以有效地辐射太赫兹(Terahertz,THz)频段电磁波,因而THz频段也被推荐作为纳米设备的通信频段。另外,由于纳米节点的尺寸很小,其能够携带的能量十分有限,而能量捕获技术可以使节点通过从外部环境中捕获能量来维持自身工作的能量消耗,但这也使得节点能量状态存在不确定性,可能导致数据传输错误。同时,由于纳米设备的低功率通信限制以及太赫兹频段严重的路径损失和分子吸收特性,导致数据在通信过程中极易产生传输差错。因此,亟需一种差错控制方法解决上述问题,保证数据传输的准确性。本文主要针对纳米网络中基于能量捕获的差错控制机制这一核心问题展开深入的研究,主要的研究工作和成果概括如下:1.为了提高纳米节点对捕获能量的利用效率,延长节点的生存周期,同时减少数据的传输错误,提出一种基于能量捕获的纳米网络中的差错控制(Error Control with Probing,ECP)机制,该机制引入能量捕获技术来保证节点的能量供应。然后,通过联合考虑纳米节点的能量捕获和消耗过程,采用马尔可夫链方法建立针对纳米节点能量变化的能量状态系统模型,该模型通过对总体网络流量和多用户干扰的概率分析来捕获网络的动态行为。接着,通过定义的数学模型来获取纳米节点能量状态的概率分布。最后,通过仿真实验对比了在不同数据包大小下,ECP机制与其他四种差错控制策略的传输成功率、时延、吞吐量和能量消耗四个性能指标,其他四种差错控制策略包括自动重传请求策略(Automatic Repeat reQuest,ARQ)、前向纠错编码策略(Forward Error Correction,FEC)、错误预防编码策略(Error Prevention Code,EPC)和混合错误预防编码(Hybrid Error Prevention Code,HEPC)。实验结果表明,ECP机制在时延、吞吐量和能量消耗方面的性能不及HEPC策略,但与ARQ和EPC策略相比,ECP机制在最大化成功传输概率的同时,有效的提高了系统吞吐量。此外,它在能量消耗方面的性能优于ARQ和FEC策略。2.为了适应实际网络环境的变化、提高数据传输的可靠性,同时考虑到纳米节点的能量供给问题,通过分析ARQ、FEC和ECP三种差错控制策略分别适合的应用场景,结合纳米网络和太赫兹频段的特性,提出一种基于能量捕获和信道预测的自适应差错控制(Adaptive Error Control,AEC)策略,该策略根据纳米节点的能量捕获速率和信道瞬时信噪比两个重要影响因素的变化,动态调整数据传输时使用的差错控制策略,以适应网络环境的变化。然后,利用马尔可夫链方法分别构建关于纳米节点的能量状态系统模型和传输信道的信道状态预测系统模型。根据建立的这两个模型,对AEC差错控制策略的成功传输概率、时延、吞吐量和能量消耗四个性能指标进行了实验评估,并与其他同类型的差错控制策略(ARQ、FEC和ECP)进行了对比分析。实验结果表明AEC策略在上述四个性能指标方面,均比其他三种差错控制策略表现出了更好的性能。

关键词：纳米网络差错控制能量捕获信道预测马尔可夫链

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超宽带通信中的混合分集合并技术研究

超宽带通信中的混合分集合并技术研究

作者：王维浩山东大学

学位级别：硕士

超宽带(UWB)技术作为一种新兴的短距离高速无线通信方式,在高速无线个域网、智能交通系统、无线以太接口链路、探测传感以及精确定位等诸多领域有着广泛的应用前景。超宽带无线信道是一种复杂的时变信道,信号在传输过程中会出现多径衰... 详细信息

超宽带(UWB)技术作为一种新兴的短距离高速无线通信方式,在高速无线个域网、智能交通系统、无线以太接口链路、探测传感以及精确定位等诸多领域有着广泛的应用前景。超宽带无线信道是一种复杂的时变信道,信号在传输过程中会出现多径衰落效应,导致到达接收机的信号能量严重弥散。为了提高通信系统的性能,必须解决抗多径衰落问题,提高接收端捕获的信号能量。其中,基于分集合并理论的瑞克(Rake)接收机技术是抗多径衰落的最有效方式之一,得到了广泛的研究和应用。本文研究混合分集超宽带瑞克接收机的能量捕获模型,在此基础上分析系统误码率和中断概率。论文的主要工作包括以下几方面： (1)对采用不同分集合并策略的超宽带瑞克接收机进行了分析和对比。通过典型信道环境中的仿真结果,明确了全部瑞克、选择性瑞克、部分瑞克之间的性能和复杂度关系,指出混合最大比合并(HS/MRC)和混合等增益合并(HS/EGC)能够较好地权衡接收机的性能与复杂度。 (2)研究了混合最大比合并超宽带PRake接收机的能量捕获模型,在此基础上探讨了误码率和中断概率的解析计算方法。首先,针对存在脉冲间干扰(IPI)的传播环境,建立了混合最大比合并PRake接收机连续时间与离散时间能量捕获模型;然后采用最小二乘算法利用Coxian分布和对数正态分布对两种能量捕获模型的概率分布函数进行拟合,获得分布参数的精确估计;最后利用Coxian分布和对数正态分布对系统误码率和中断概率进行解析计算和分析。数值结果显示：建立的两种能量捕获模型可以准确反映混合最大比合并超宽带PRake接收机的性能;Coxian分布和对数正态分布可以精确地拟合超宽带信道环境中混合最大比合并超宽带瑞克接收机的能量捕获,从而可以用简单的解析计算准确地分析误码率和中断概率。 (3)研究了混合等增益合并超宽带PRake接收机的能量捕获模型,在此基础上分析了误码率和中断概率。针对存在脉冲间干扰(IPI)的传播环境,分别建立混合等增益合并PRake接收机连续时间与离散时间能量捕获模型：利用建立的能量捕获模型对误码率和中断概率进行了仿真,并与混合最大比合并超宽带PRake接收机进行了对比分析。仿真结果显示：连续时间能量捕获模型的误码率和中断概率低于离散时间能量捕获模型：与混合最大比瑞克接收机相比,混合等增益瑞克接收机在误码率和中断概率上有一定的损失。

关键词：超宽带瑞克接收机脉冲间干扰能量捕获最小二乘拟合

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低流速潮流能捕获机构导流装置性能研究

低流速潮流能捕获机构导流装置性能研究

作者：吴霞太原科技大学

学位级别：硕士

潮流能是一种不竭的清洁可再生资源,研发潮流能发电技术与装置具有重要的战略意义和显著的社会经济效益。潮流能捕获机构是潮流能发电系统的核心,叶轮是潮流能捕获机构的关键部件,在叶轮外部设置导流罩以增加潮流流速是提高叶轮获能效... 详细信息

潮流能是一种不竭的清洁可再生资源,研发潮流能发电技术与装置具有重要的战略意义和显著的社会经济效益。潮流能捕获机构是潮流能发电系统的核心,叶轮是潮流能捕获机构的关键部件,在叶轮外部设置导流罩以增加潮流流速是提高叶轮获能效率的一种有效方法。在对国内外潮流能捕获机构中叶轮的各种型式进行分析的基础上,主要对导流装置的型式进行了研究,在现有内导流方法的基础上提出了外导流概念和方法。运用CFD方法及相关软件工具对三种流线型导流曲线进行了流体动力学分析,并选取圆弧形为优化导流线型,对内导流和外导流两种导流流场进行了流体动力学仿真分析。分析结果表明,内导流聚流效果明显;外导流的最大潮流增速效果为内导流的65%左右,且经过外导流后,沿垂直并在离开导流罩壁面方向的潮流速度分布呈现先递增后递减趋势,存在负获能区的叶轮可以充分利用这一特点来提高获能效率。为了验证内、外导流分析结果的正确性,基于实验室水池条件和相对运动原理,设计制造了潮流能捕获叶轮导流装置及其水动力学性能试验系统,并对水平轴和垂直轴叶轮及其导流罩的性能进行了实验测试,为进一步开展海上试验提供初步依据及技术参考。根据内、外导流原理及其性能特点,提出了一种将内、外导流集成于一体的双体船式新型导流结构,设计建造了漂浮双体船式潮流能捕获与发电、制淡综合实验平台,并基于该实验平台进行了海上试验,对船体导流效果进行了实验测试。实验测试结果表明,该双体船式导流结构的聚流效果明显,其内导流使潮流流速提高了38%,其外导流使潮流流速提高了23%,且实测导流效果与仿真导流数据吻合得较好。

关键词：潮流能能量捕获内导流外导流流体动力学导流双体船

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无线携能通信中继网络最大化总传输速率

浙江工业大学学报 2021年第2期49卷 210-214,224页

作者：田贤忠赵晨姚超丁军浙江工业大学计算机科学与技术学院浙江杭州310023

能量捕获无线传感器网络是解决传统无线传感器网络能量问题的有效途径之一,无线携能通信网络SWIPT(Simultaneous wireless information and power transfer)是其中的一个重要研究方向。研究了一种SWIPT场景,在源节点总功率的约束条件下... 详细信息

能量捕获无线传感器网络是解决传统无线传感器网络能量问题的有效途径之一,无线携能通信网络SWIPT(Simultaneous wireless information and power transfer)是其中的一个重要研究方向。研究了一种SWIPT场景,在源节点总功率的约束条件下,最大化总传输速率。源节点通过在不同的频谱上分配不同的功率发送携能信号给多个中继节点,中继节点对于接收到的携能信号通过功率分配将一部分信号转化为能量,一部分信号解码为信息;中继节点利用捕获的能量将信息转发给目的节点。建立数学模型求解最优的功率分配因子,运用拉格朗日乘数法求得源节点在每个频谱上分配功率的表达式,按照注水算法求得最终分配的功率和最大化的总传输速率,最后通过数值模拟进行了有效性验证。

关键词：能量捕获无线传感器网络无线携能通信中继总传输速率

维普期刊数据库

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一种基于NB-IOT的低功耗传感器设计

一种基于NB-IOT的低功耗传感器设计

作者：陈荣山东大学

学位级别：硕士

随着社会的进步和科学技术的发展,人类社会进入了信息技术快速发展的新世纪和新时代。在这一重要时刻,传感器发挥了不可替代的作用。传感器正朝着智能化,移动化,小型化和集成化方向发展,以适应不同的应用场景。传感器节点通常采用电池... 详细信息

随着社会的进步和科学技术的发展,人类社会进入了信息技术快速发展的新世纪和新时代。在这一重要时刻,传感器发挥了不可替代的作用。传感器正朝着智能化,移动化,小型化和集成化方向发展,以适应不同的应用场景。传感器节点通常采用电池供电。传感器的数量越来越多,应用场景越来越复杂,尤其在一些不方便更换电池或者不能充电的场景,传感器的供能成为不可避免的难点问题,本次论文选取了环境捕获能量供电与锂电池供电双供能传感器节点,很大程度上延长了传感器节点的使用时间,解决了节点的能量供应问题。NB-IOT是新兴的可以在全国范围内应用的无线通信技术,具有覆盖范围广、连接数量多、节点成本低、能量消耗低、架构优等特点。NB-IOT支持具有高网络连接要求的设备的低能耗和高效率连接,是低功耗,远距离无线通信的优选技术。基于以上分析,本文设计了一个基于NB-IOT的无线传感器节点,并将数据传输到云端,实现云存储。论文先介绍了课题设计的背景与意义,介绍了传感器技术的基础知识;分析了几种能量捕获方式的特点与应用,根据本次课题设计的应用场景特性,选择了太阳能捕获作为能量获取方式为传感器供能;论文还分析了几种无线通信方式,选取专门针对低功耗,长距离传输,大数量连接而产生的NB-IOT作为本次课题设计的通信方式。在论文中,分别从硬件和软件两方面介绍了传感器节点的设计过程。硬件方面,基于低功耗的原则对元器件进行选型,节点设计整体框架分为能量捕获模块、电源模块、MCU控制模块、数据采集模块和NB-IOT通信模块共五个模块。MCU选取了意法半导体公司的stm32系列中的低功耗产品stm321L系列,通信模块选取了上海移远通信有限公司的NB-IOT模块BC95芯片;能量捕获模块选取了凌特公司的LT3652芯片。软件方面放弃了部分高速率,低时延特性,针对于传输速率低,时延不敏感特性进行设计。软件设计整体框架共分为主函数模块、NB-IOT模块和数据采集模块三个模块。最后对传感器节点的通信功能进行测试,并对节点的功耗进行分析,测试选取AM2320温湿度传感器作为测试传感器,云平台选用中国电信物联网开放平台,注册并登陆云账号,激活NB-IOT节点,成功将测试数据传输到云端,实现云存储。

关键词：传感器 NB-IOT 低功耗能量捕获

大型风电机组偏航运行机制数值仿真与现场数据分析

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大型风电机组偏航运行机制数值仿真与现场数据分析

作者：杨鑫湖南科技大学

学位级别：硕士

由于风向的时变性,风电机组偏航运行成为常态。当风向与风轮轴线不平行时,风电机组处于偏航状态,偏航影响风电机组能量捕获,因此大型风电机组都配置了偏航对风装置。然而,偏航机构的启动需要偏航角大于设定的临界值,因为频繁的偏航动作... 详细信息

由于风向的时变性,风电机组偏航运行成为常态。当风向与风轮轴线不平行时,风电机组处于偏航状态,偏航影响风电机组能量捕获,因此大型风电机组都配置了偏航对风装置。然而,偏航机构的启动需要偏航角大于设定的临界值,因为频繁的偏航动作不仅会加重偏航执行机构的负担（影响寿命）,偏航过程中也会出现较大的风电机组振动幅度（影响稳定性）。因此,针对风电机组偏航的研究也就尤为重要。虽然国内外针对风电机组偏航已经从不同角度开展了大量的研究工作,但由于偏航运行状态下风电机组运行机制的复杂性,一些问题现有研究还没有厘清,仍需要进一步深入研究。为此,本文对大型风电机组偏航运行机制展开了数值仿真与现场数据分析。本文的主要研究工作和创新如下:（1）本文的数值仿真采用CFD（Computational fluid dynamic）方法,并借助ANSYS WORKBENCH软件进行计算。首先对风电机组CFD仿真的流场进行了优化,确定了合适的流场入口直径和出口直径,分析了流场入口直径与出口直径之间的比例关系对模拟结果的影响。分析了不同工况下偏航对风电机组叶片气动载荷的影响。在考虑风速,转速,桨距角的影响的情况下,设计了多因素正交试验,并进行了多元线性回归分析,建立了偏航角与叶片摆振、挥舞方向力矩的关系模型。（2）对偏航状态下风电机组能量捕获进行了分析。将风轮能量捕获损失因子（风能利用系数）细分为气动损失因子和惯性损失因子,即同时考虑了风轮气动特性和机械惯性对风能捕获的影响,扩展了对现有风能利用系数的机理认识。基于CFD仿真,分析了风切变状态下偏航对风电机组能量捕获的影响。其次,从叶片在有限元中发生变形和在三维建模阶段对叶片进行弯曲变形两个角度分析了叶片变形状态下偏航对风电机组能量捕获的影响。（3）基于现场数据（SCADA,Supervisory Control and Data Acquisition）,分析了风电机组偏航运行特性。从系统分析的角度,将外部风速视为（风电机组）系统输入,转速、转矩视为中间变量,发电机功率输出视为系统输出,以此为基础对风—功率关系、偏航系数—功率关系、偏航状态下风能利用系数和转矩特性等进行了分析。获得了偏航系数对风电机组功率、风能利用系数以及机械转矩的影响规律,讨论了风力机内部影响机制与外部输出之间的关系。

关键词：风电机组偏航气动载荷能量捕获数值仿真现场数据

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人体动能捕获的原理及关键技术研究

人体动能捕获的原理及关键技术研究

作者：蔡明京华南理工大学

学位级别：硕士

可穿戴电子设备正在迅速走进人们的日常生活,但是它的高速发展也带来了永续供电的问题。为了解决这个问题,先前的研究者提出了捕获人体热能、光能、环境中的振动能来为电子设备提供可持续的电压,然而其效果并不佳。除了上述的几种方法,... 详细信息

可穿戴电子设备正在迅速走进人们的日常生活,但是它的高速发展也带来了永续供电的问题。为了解决这个问题,先前的研究者提出了捕获人体热能、光能、环境中的振动能来为电子设备提供可持续的电压,然而其效果并不佳。除了上述的几种方法,捕获人体运动并将其转换为电能的方法,能够为可穿戴电子设备提供相对稳定可靠、功率较高的电源,更加适合用于解决可穿戴电子设备永续供电的问题。本文提出了几种基于人体足部、躯干和膝关节的能量捕获器,利用这些能量捕获器来捕获人体不同部位的运动并转换为电能,为电子设备供电。在设计能量捕获器之前,我们首先研究了正常步行时人体足部、躯干和膝关节的运动模式,然后根据它的运动模式建立了三个不同部位运动的数学模型。基于人体运动模型,我们分别设计了两种位于足部的嵌入式能量捕获器、三种位于躯干的背包式能量捕获器和一种可穿戴式的膝关节能量捕获器。为了提高能量捕获器的功率输出,还采用放大器、齿轮组等机构。与此同时,能量捕获器和人体之间的耦合也是设计的重点,因此还采用了可穿戴式的设计。此外,为了便于为电子设备供电,还针对能量捕获器设计了特定的电路。基于人体运动的数学模型,建立了各个能量捕获器的动力学模型,用于预测它的性能。通过动力学模型可以得到能量捕获器的理论功率输出和效率。为了验证理论模型,加工制造了各个能量捕获器的原型样机,并测试了它们的性能。实验结果表明,足部能量捕获器、躯干式能量捕获器和膝关节能量捕获器的最大输出功率为1W、7W和5.8W,可以为可穿戴式电子设备提供具有实用水平的电源。

关键词：能量捕获人体运动可穿戴电子设备