【摘 要】
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野生动物监测作为野生动物保护的关键组成部分,对维系自然生态系统平衡起着重要的作用。目前野生动物监测领域大多依靠人工观察的方式,存在工作效率低、数据采集不完整不准确以及获取不及时等问题。将传感器节点应用于野生动物监测能够实现完整性、准确性和实时性的要求,但由于电池供能的局限性,野外环境下能量耗尽难以进行更换补充,解决能量供给调度问题以延长节点运行寿命对监测野生动物具有重大意义。因此本文结合野外实际工
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野生动物监测作为野生动物保护的关键组成部分,对维系自然生态系统平衡起着重要的作用。目前野生动物监测领域大多依靠人工观察的方式,存在工作效率低、数据采集不完整不准确以及获取不及时等问题。将传感器节点应用于野生动物监测能够实现完整性、准确性和实时性的要求,但由于电池供能的局限性,野外环境下能量耗尽难以进行更换补充,解决能量供给调度问题以延长节点运行寿命对监测野生动物具有重大意义。因此本文结合野外实际工作环境,研发了传感器节点监测野生动物状态信息,并通过能量收集与管理策略研究实现节点长期稳定地工作。首先根据野生动物监测的需要,使用传感器节点实现对野生动物状态信息的监测,建立由储能模块、传感器模块、无线通信模块以及传感器模块组成的系统架构。针对野外应用场景对各个功能模块分析选型,设计相应电路完成传感器节点系统整体的研发,实现对野生动物生命体征和运动轨迹的监测。针对传感器节点储能有限、工作时间较短的问题,使用能量收集技术补充电源能量,为避免不同时间段与不同天气情况对能量收集造成影响,使用太阳能和机械能共同作为能量来源。在传统机械能收集器件压电片的基础上,通过建立模型分析并设计多自由度压电结构,拓宽工作频段并提高了输出电压。根据收集器件无法直接供电的输出特性分别设计能量收集电路,为节点提供稳定电能,并通过仿真验证其有效性。针对可收集能量不充足的问题,设计管理策略进行调度分配。分析传感器节点的能量收集规律和能量消耗规律,采用占空比自适应算法,基于当前能量收集水平调整节点的运行时间。根据多传感器数据优先级以及任务执行周期的不同要求,提出数据驱动优化算法划分不同的工作状态降低节点功耗,达到能耗与性能之间的平衡。最后对传感器节点系统开展数据采集、能量收集和管理策略性能测试,实验结果表明通过能量收集的供能方式可以实现野生动物状态信息稳定准确地采集传输,在系统上运行的能量管理策略能够有效延长传感器节点的工作时间,满足野生动物长期监测的需求。
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