無線供電的無線傳感器網絡的研究

1、 無 線 供 電 的 無 線 傳 感 器網 絡 的 研 究 無 線 供 電 的 無 線 傳 感 器網 絡 的 研 究師 ： 徐 軍 ： ： 哈 爾 濱 理 工 大 學 碩士 學 位 論 文 原 創(chuàng) 性 聲 明本 人鄭 重 聲 明 ： 此處 所 提交 的 碩士 學 位 論 文 無 線 供 電 的 無 線 傳 感 器網絡 的 研 究 ，是本 人在導 師 指 導 下 ，在哈 爾 濱 理 工 大 學 攻讀 碩士 學 位 期間 獨立進 行研 究 工 作所 取得 的 成 果 。 據(jù) 本 人所 知 ，論 文 中 除 己 注 明 部 分 外不 包含他 人己 發(fā) 表或 撰 寫 過 的 研 究 成 果 。 對 本

2、 文 研 究 工 作做出 貢 獻 的 個 人和 集 體，均在文 中 以 明 確方式注 明 。 本 聲 明 的 法 律結 果 將由 本 人承 擔。日 期： 扣 牛 年 聀 目哈 爾 濱 理 工 大 學 碩士 學 位 論 文 使 用 授 權 書 無 線 供 電 的 無 線 傳 感 器網 絡 的 研 究 系 本 人在哈 爾 濱 理 工 大 學 攻讀 碩士 學 位 期間 在導 師 指 導 下 完成 的 碩士 學 位 論 文 。 本 論 文 的 研 究 成 果 歸 哈 爾 濱理 工 大 學 所 有 ，本 論 文 的 研 究 內 容 不 得 以 其 它單位 的 名 義發(fā) 表。 本 人完全 了解哈 爾 濱

3、理 工 大 學 關于 保 存 、 使 用 學 位 論 文 的 規(guī) 定 ，同 意 學 校 保 留并向有 關部 門 提交 論 文 和 電 子版本 ，允 許 論 文 被 查閱 和 借 閱 。 本 人授 權 哈 爾 濱 理 工 大學 可 以 采 用 影印 、 縮印 或 其 他 復 制手 段 保 存 論 文 ，可 以 公 布 論 文 的 全 部 或 部分 內 容 。本 學 位 論 文 屬 于 哈 爾 濱 理 工 火 學 工 學 碩士 學 位 論 文無 線 供 電 的 無 線 傳 感 器網 絡 的 研 究摘要阻 分 為作為溫 度和 光 強 傳 感 器完成 對 溫 度和 光 強 信息 的 采 集 。 哈 爾

4、 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 俯論 文 瓸 琣 甌 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文 無 線 傳 感 器拓 撲 結 構的 介紹 哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文 課題 的 背 景 及 意 義隨 著 社 會的 發(fā) 展，科 學 技 術的 不 斷 進 步 ，人們 的 生活 及 工 作發(fā) 生著 翻 天 覆地 的 變化 ，在這 個 過 程中 無 線 通信技 術也 逐 漸 的 成 熟 起 來。 在工 作及 生活 中 無線 通信技 術得 到了 越來越多的 應用 。 可 以 說 采 用 無 線 通信技

5、 術完成 數(shù) 據(jù) 的 傳 遞已經成 為歷 史 趨 勢 。雖 然 無 線 傳 感 器網 絡 有 很 大 的 商業(yè) 和 工 業(yè) 潛力 ，但是傳 感 器節(jié) 點電 源 的 問題 阻 礙 了 其 發(fā) 展。 使 用 電 池 作為電 源 的 無 線 傳 感 器網 絡 提供 了 有 限 的 能 源 來執(zhí)行要 求很 高的 任 務。 低電 池 容 量 會導 致傳 感 器節(jié) 點故 障或 使 整 個 網 絡 中 斷 ，應用 電 池 作為電 源 需 要 定 期的 維護 和 更 換 電 池 ，這 降低了 整 個 網 絡 的 可 靠 性 并增加 了 成 本 ，此外，更 換 電 池 還 會造 成 環(huán) 境 的 污 染 【，】

6、。 哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文無 接 觸式的 電 能 傳 輸 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文發(fā) 表無 線 充電 聯(lián) 盟 低功 率規(guī) 范， 瓺 間 傳 播 容 易 ，從 而 降低了 天 線 尺寸 ，使 得 供 電 的 距 離 增加 唧 。本 文 針對 目 前電 池 供 電 的 無 線 傳 感 器網 絡 節(jié) 點能 量 受 限 和 使 用 壽命不 長 的問題 ，基 于 電 磁耦 合 諧振理 論 ，設計 了 一 種 雙天 線 結 構的 無 線 傳 感 器網 絡 節(jié) 點。針對 無 線 傳 感 器

7、網 絡 節(jié) 點工 作的 穩(wěn)定 性 ，數(shù) 據(jù) 精度以 及 是否 能 夠 形成 無 線 傳 感器網 絡 等 問題 ，搭 建了 相 應的 測 試 系 統(tǒng) ，并對 系 統(tǒng) 進 行測 試 和 分 析 ，本 文 的 主要 內 容 如 下 ： 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文作的 穩(wěn)定 性 及 其 數(shù) 據(jù) 的 精度進 行測 試 和 分 析 。 穩(wěn)定 性 測 試 中 以 響應時間 為標 準 ，精度測 試 中 使 用 標 準 的 實驗 設備 進 行對 比 得 出 其 測 量 誤 差 。 最 后 對 于 無 線 傳 感器節(jié) 點能 否 構成 的 傳 感 器網 絡 進 行測 試 分 析 ，主 要

8、 對 構成 的 星 狀網 拓 撲 結 構和混 合 網 拓 撲 結 構的 無 線 傳 感 器網 絡 的 工 作狀態(tài) 進 行測 試 和 分 析 。 詳 細 介紹在本論文 的 第 五 章 。 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文 哈 爾 濱 理 工 火 學 工 學 碩士 學 位 論 文在無 線 電 能 傳 輸?shù)?幾 種 方式中 ，磁場 和 電 場 耦 合 式原 理 是利用 近 場 進 行電能 的 傳 輸。 后 者 的 電 能 傳 輸原 理 是利用 電 容 的 電 場 實現(xiàn) 能 量 的 傳 輸。 其 中 電 容是由 負 載一 側 的 金屬 平 板 與電 源 一 側 的 金屬 平 板

9、構成 。 與磁場 耦 合 式相 比 較 其對 人體的 危 害 比 較 大 ，基 于 這 方面的 考 慮 很 少 對 電 場 耦 合 式無 線 電 能 的 傳 輸這項技 術進 行研 究 。 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文 接 收 線 圈 哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文電 其 中 ： 乙是電 源內 阻 ，尺，是電 感 線 圈，三，損 耗 的 等 效 電 阻 ，磊 為負 載的 內 阻 ， 蜪 為 ，和 幕 小 湎 呷 羋 分 懈鞲 霾 問 滌上 鹵 來表示 ， 哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文乏 痩 ，糟磊 丟意么 瑪 尺，

10、哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文 電 磁波 發(fā) 射 源 的 選 擇以 下 。 在這 種 頻率下 電 磁波 的 波 長 比 較 大 ，在傳 播 的 過 程其 受 到的 阻 礙 也 就 越大 ，因 此目 前我 們 所 見 商品 的 無 線 供 電 距 離 都非常 的 短，在幾 毫 米 到幾 厘 米 不 技 術。 ，即 射 頻識別 ，它是一 種 無 線 通信技 術， 閱 讀 器會發(fā) 射 出 處 于 超 高頻帶 的 電 磁波 ，其 表 與無 線 傳 感 器網 絡 主 要 區(qū) 別 環(huán) 境 及 參 數(shù)隨 機或 者 固 定導 致了 第 一 個 問題 的 出 現(xiàn) ，傳 感 器網 絡 節(jié)

11、 點在任 務執(zhí)行中 會斷 電 。 第 二 個 問題是 技 術在通信過 程中 數(shù) 據(jù) 的 讀 和 寫 是高度不 對 稱 的 ，并且 系 統(tǒng) 在工作中 訪問的 是靜 態(tài) 的 數(shù) 據(jù) ，比 如 從 一 個 固 定 的 標 簽中 獲取識別 碼 ，而 無 線 傳 感器網 絡 節(jié) 點必 須返 回 從 傳 感 器獲得 的 動態(tài) 數(shù) 據(jù) 。 技 術與傳 感 器節(jié) 點的 這 種不 同的 通訊協(xié) 議 的 特性 ，使 得 他 們 結 合 為一 種 通訊協(xié) 議 變得 十 分 困 難 。 哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文兩項基 本 要 求： 電 源 的 穩(wěn)定 、 傳 感 器數(shù) 據(jù) 的 精確。塊

12、。 針對 不 同的 傳 感 器可 以 在處 理 器中 對 其 進 行相 應的 編 程操 作，這 使 得 傳 感器節(jié) 點更 加 的 靈活 ，每 一 個 傳 感 器網 絡 節(jié) 點可 以 接 入不 同的 傳 感 器來完成 對 不同環(huán) 境 信息 的 監(jiān) 測 。 使 用 一 個 獨立的 通訊天 線 可 以 幫 助避 免 閱 讀 發(fā) 射 的電 磁波 與傳 感 器數(shù) 據(jù) 的 無 線 通訊相 互干擾 。 傳 感 器節(jié) 點應該準 確地 發(fā) 回 傳 感 器數(shù) 據(jù) 來滿 足 第 二 個 性 能 要 求： 準 確地 從 傳 感 器讀 取數(shù) 據(jù) 。 采 用 這 種 雙天 線 架 構的 傳 感 器節(jié) 點具 有 以 下 優(yōu)

13、 點： 線 信號 的 干擾 ，使 得 標 簽無 法 傳 送 回 準 確的 位 置 信息 ，因 此整 個 系 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 的準 確性 得 不 到保 證 ，系 統(tǒng) 的 穩(wěn)定 性 差 ，而 且其 傳 輸距 離 很 短，無 法 完成 長 距 離數(shù) 據(jù) 傳 輸。 而 將無 線 傳 感 器與 集 成 后 ，利用 無 線 傳 感 網 絡 節(jié) 點準 確的 數(shù) 據(jù)傳 輸、 實時傳 送 信息 ，可 以 很 好 地 解決 的 傳 輸范圍 小 以 及 數(shù) 據(jù) 不 準 確所 帶來的 系 統(tǒng) 不 穩(wěn)定 的 缺 點。 哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文括 介電 系 數(shù) ： ； 損 耗 因 子 ；

14、金屬 膜的 厚 度 ； 基 板 厚 度 ；電 導 率 痬。 基 于 這 些 參 數(shù) ，有 效 介電 系 數(shù) 可 以 通過 式 進 行力。 哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文 阤 如 前所 述 ，它由 整 流器，濾波 器所 構成 ，該射 頻前端電 路 的 特點是一 個 倍 壓整 流電 路 ，由 個 二 極管串聯(lián) ， 只 電 容 并聯(lián) 在其 上 ，利用 電 荷 泵 的 原 理 ，實 微處 理 器的 選 擇 及 其 設計 丁靔埽甀緅，】尋，否芝筻葉一董夏觶甀丁口芡隆妗甀她壺 釜 寧 需引 ； 的 復 位 電 路 淮 庸 牡 慕 嵌壤 純矗 琻 隒 哈 爾 濱 理 工 大 學 工

15、 學 碩士 學 位 論 文 模 塊 的 主 要 參 數(shù)參 數(shù)如 圖 為其 芯 片 引 腳 及 其 實物 圖。圖 引 腳 及 實物 圖 硬 件 電 路 設計 模 塊 電 路 原 理 圖 哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文 傳 感 器模 塊 的 設計 參 數(shù)測試 范圍精度溫 度分 辨 率工 作電 壓功 耗 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文遞 給 無 線 模 塊 。 在人工 照 明 的 環(huán) 境 下 精度達 到 勒克 斯 。 表 給 出 了 模 塊 ： 電 壓 轉 換 模 塊 的 設計 哈 爾 濱 理 工 夫 學 工 學 碩士 學 位 論 文 串口通訊電 路

16、 的 設計毛 主 疊 蹴 哈 爾 濱 理 工 火 學 工 學 碩士 學 位 論 文 無 線 傳 感 器拓 撲 結 構的 介紹星 狀網 是無 線 傳 感 器網 絡 的 基 礎 ，其 拓 撲 結 構如 圖 所 示 。 在星 狀網 中所 有 節(jié) 點只 能 與數(shù) 據(jù) 終端的 機或 者 是專用 的 接 收 設備 進 行雙向通信，而 節(jié)點相 互之 間 不 能 進 行通信，所 以 說 星 狀網 是一 種 單跳 結 構。 這 種 單跳 結 構使 其具 有 組 網 非常 的 簡 單，成 本 低等 優(yōu) 點。 隨 之 帶 來的 問題 是，相 比 較 于 其 它兩種拓 撲 結 構，星 狀網 的 覆 蓋范圍 小 。 哈

17、 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文 如 圖 所 示 ，為無 線 傳 感 器網 絡 中 傳 感 器節(jié) 點的 程序 流程圖。 首 先，節(jié) 點 哈 爾 濱 理 工 火 學 工 學 碩士 學 位 論 文 本 研 究 為了 測 試 系 統(tǒng) 在時間 域 工 作的 穩(wěn)定 性 而 開發(fā) 了 一 款 監(jiān) 控 軟 件 ，本 軟 哈 爾 濱 理 工 大 學 工 學 碩士 學 位 論 文數(shù) 據(jù) 包遵 循 協(xié)議 定 義。 一 個 數(shù) 據(jù) 包括 皇 萜鶚 嘉 弧 位 傳 感 器地 址位 、 淮 釁 鞴 芪 弧 位 傳 感 器數(shù) 據(jù) ， 恍 楹 位

18、 停止位 。 通過 校驗 碼 判 斷 收 到的 數(shù) 據(jù) 是否 正確，本 系 統(tǒng) 中 使 用 和 校 驗 作為數(shù) 據(jù) 監(jiān) 測 方法 。 使 用校 驗 碼 會產 生較 長 的 響應時間 ，這 是因 為無 線 供 電 的 無 線 傳 感 器節(jié) 點能 量 獲取的 不 穩(wěn)定 性 ，會使 發(fā) 送 端端工 作在一 個 低功 率條件 下 ，如 果 連 接 強 度不 足 ，那么硬 件 將限 制數(shù) 據(jù) 包的 傳 遞 ，從 而 增加 了 響應時間 。 實際 上 ，傳 感 器性 能 也 會影響傳 感 器節(jié) 點的 響應時間 。 對 于 快 速 變化 的 環(huán) 境 ，響應時間 應該為秒級，這樣 才 能 夠 對 周 圍 的

19、環(huán) 境 實現(xiàn) 更 好 的 監(jiān) 測 。 圖 顯 示 了 數(shù) 據(jù) 包監(jiān) 控 軟 件 ，它可以 顯 示 自 動收 到的 數(shù) 據(jù) 包的 傳 感 數(shù) 據(jù) 并能 計 算 響應時間 。 ， 哈 爾 濱 理 工 火 學 工 學 碩士 學 位 論 文 讀 寫 器可 以 支持 四 個 天 線 。 圖 顯 示 了 圓 極化 天 線 ，其 尺寸 是圖 配 置 的 標 準 的 圓 極化 天 線 哈 爾 濱 理 工 火 學 工 學 碩士 學 位 論 文自 釃靜 瓣 一 警 翻 。 赫 黼翻 赫贛 黼 墨翻 黲 妊 鞴感 器在溫 度范圍 為零 下 到 ，分 辨 率是 畂 到 的 范圍 時誤 差 為士 。 所 有 的 這 些

20、 設備 比 本 研 究 中 使 用 芯 片 式傳 感 器性 能 更 好 ，因此可 以 作為一 個 參 考 對 比 實驗 。 無 線 供 電 的 無 線 傳 感 器網 絡 的 性 能 檢 測 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文閱 讀 器夭 緯，超 高頻 閱 讀 器分 析 儀 控 制接 收 電 磁波圖 測 試 傳 感 器節(jié) 點穩(wěn)定 性 和 精度的 實驗 步 驟垂 垡 堡壁霉 墊塑 二 孝絲 垡 堡墊塑 實驗 儀 器數(shù) 據(jù)基 于 無 線 供 電 技 術的 無 線 傳 感 器網 絡 的 另 一 個 關鍵性 能 指 標 是其 是否 能 夠形成 拓 撲 結 構，并且在所 形成 的 拓

21、撲 結 構中 能 否 穩(wěn)定 的 工 作。 本 實驗 中 使 用 監(jiān)測 軟 件 來實現(xiàn) 對 其 所 構成 的 傳 感 器網 絡 進 行測 試 ，主 要 測 試 傳 感 器網 絡 在星 狀網 和 混 合 網 拓 撲 結 構中 數(shù) 據(jù) 返 回 的 響應時間 來判 斷 當 前傳 感 器節(jié) 點所 構成 的 傳感 器網 絡 的 工 作狀態(tài) 。 從 節(jié) 點將數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 給 主 節(jié) 點，主 節(jié) 點再 將數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 給 數(shù) 據(jù) 終端，借 助檢 測 軟 件 圖 溫 度傳 感 器節(jié) 點測 量 誤 差 哈 爾 濱 理 工 人學 工 學 碩士 學 位 論 文器數(shù) 據(jù) 是否 精確，是否 可 以 在合 理 的 響應時間 內 返 回 所 監(jiān) 測 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 信息 這幾 個 方面進 行了 測 試 。 我 們 可 以 知 道 配 有 溫 度傳 感 器的 傳 感 器節(jié) 點和 配 有 光 敏電 阻 的 傳 感 器節(jié) 點其 功 耗 分 別 為 和 。 在本 實驗 中 電 磁波 的發(fā) 射 功 率為 ，頻率為 。 由 所 帶 有 的 負 載不