【摘 要】
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无线环境监测系统能够实现大范围、长时间的持续环境监测,因此被广泛应用于污染物监测、灾害防治、农田环境检测等领域中。然而,无线环境监测节点常采用电池供电方式,这种供电方式往往能量有限且更换困难,制约了无线环境监测系统的工作时长和传输性能,易造成传输距离短及数据丢包等问题,亟待开展环境监测系统无线传输低功耗设计研究,以提升无线监测系统长期运行可靠性。本文提出了硬件低功耗设计、动态功耗管理设计、无线传输
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无线环境监测系统能够实现大范围、长时间的持续环境监测,因此被广泛应用于污染物监测、灾害防治、农田环境检测等领域中。然而,无线环境监测节点常采用电池供电方式,这种供电方式往往能量有限且更换困难,制约了无线环境监测系统的工作时长和传输性能,易造成传输距离短及数据丢包等问题,亟待开展环境监测系统无线传输低功耗设计研究,以提升无线监测系统长期运行可靠性。本文提出了硬件低功耗设计、动态功耗管理设计、无线传输匹配设计、路由协议改进设计等一系列低功耗设计方案,为无线环境监测系统低功耗应用提供了新的技术思路。论文主要工作如下:(1)针对环境监测系统中无线传输低功耗设计需求,详细分析了无线环境监测系统的主要功耗来源,结合无线传感网体系结构,提出了无线环境监测低功耗设计总体方案。(2)从硬件设计上降低功耗:选用低功耗主控芯片和无线传输芯片,基于唤醒机制设计了一种低功耗传输电路,实现硬件整体运行低功耗化。然后,通过动态功耗管理技术动态调节节点传输过程中不同转换状态的能耗。最后,进行了无线传输匹配设计,使节点间传输频点良好匹配,最终保证能量传输最优化。(3)从组网设计上降低功耗:针对无线传感网传输的需求,提出了改进的分层路由LEACH-AD(Low Energy Adpative Clustering Hierachy,LEACH)协议,通过与传统分层路由协议比较分析,优化了协议簇头最优比率,加入了能量因子、距离因子和密度因子等因素,更新阈值公式后,在MATLAB中对改进后的LEACH协议进行了仿真测试,结果表明改进后的LEACH协议在网络生存节点数和网络剩余能量上均有显著提升。(4)搭建了硬件测试平台,进行了无线传输匹配性能测试;同时,测试了多个节点的组网效果,并对无线监测节点工作时长进行了测试。测试结果表明,所提出的低功耗设计技术可有效提升无线环境监测节点工作时长,节点工作可靠高效。
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