无线供电的无线传感器网络的研究

1、 无 线 供 电 的 无 线 传 感 器网 络 的 研 究 无 线 供 电 的 无 线 传 感 器网 络 的 研 究师 ： 徐 军 ： ： 哈 尔 滨 理 工 大 学 硕士 学 位 论 文 原 创 性 声 明本 人郑 重 声 明 ： 此处 所 提交 的 硕士 学 位 论 文 无 线 供 电 的 无 线 传 感 器网络 的 研 究 ，是本 人在导 师 指 导 下 ，在哈 尔 滨 理 工 大 学 攻读 硕士 学 位 期间 独立进 行研 究 工 作所 取得 的 成 果 。 据 本 人所 知 ，论 文 中 除 己 注 明 部 分 外不 包含他 人己 发 表或 撰 写 过 的 研 究 成 果 。 对 本

2、 文 研 究 工 作做出 贡 献 的 个 人和 集 体，均在文 中 以 明 确方式注 明 。 本 声 明 的 法 律结 果 将由 本 人承 担。日 期： 扣 牛 年 聀 目哈 尔 滨 理 工 大 学 硕士 学 位 论 文 使 用 授 权 书 无 线 供 电 的 无 线 传 感 器网 络 的 研 究 系 本 人在哈 尔 滨 理 工 大 学 攻读 硕士 学 位 期间 在导 师 指 导 下 完成 的 硕士 学 位 论 文 。 本 论 文 的 研 究 成 果 归 哈 尔 滨理 工 大 学 所 有 ，本 论 文 的 研 究 内 容 不 得 以 其 它单位 的 名 义发 表。 本 人完全 了解哈 尔 滨

3、理 工 大 学 关于 保 存 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ，同 意 学 校 保 留并向有 关部 门 提交 论 文 和 电 子版本 ，允 许 论 文 被 查阅 和 借 阅 。 本 人授 权 哈 尔 滨 理 工 大学 可 以 采 用 影印 、 缩印 或 其 他 复 制手 段 保 存 论 文 ，可 以 公 布 论 文 的 全 部 或 部分 内 容 。本 学 位 论 文 属 于 哈 尔 滨 理 工 火 学 工 学 硕士 学 位 论 文无 线 供 电 的 无 线 传 感 器网 络 的 研 究摘要阻 分 为作为温 度和 光 强 传 感 器完成 对 温 度和 光 强 信息 的 采 集 。 哈 尔

4、 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 俯论 文 瓸 琣 甌 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文 无 线 传 感 器拓 扑 结 构的 介绍 哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文 课题 的 背 景 及 意 义随 着 社 会的 发 展，科 学 技 术的 不 断 进 步 ，人们 的 生活 及 工 作发 生着 翻 天 覆地 的 变化 ，在这 个 过 程中 无 线 通信技 术也 逐 渐 的 成 熟 起 来。 在工 作及 生活 中 无线 通信技 术得 到了 越来越多的 应用 。 可 以 说 采 用 无 线 通信技

5、 术完成 数 据 的 传 递已经成 为历 史 趋 势 。虽 然 无 线 传 感 器网 络 有 很 大 的 商业 和 工 业 潜力 ，但是传 感 器节 点电 源 的 问题 阻 碍 了 其 发 展。 使 用 电 池 作为电 源 的 无 线 传 感 器网 络 提供 了 有 限 的 能 源 来执行要 求很 高的 任 务。 低电 池 容 量 会导 致传 感 器节 点故 障或 使 整 个 网 络 中 断 ，应用 电 池 作为电 源 需 要 定 期的 维护 和 更 换 电 池 ，这 降低了 整 个 网 络 的 可 靠 性 并增加 了 成 本 ，此外，更 换 电 池 还 会造 成 环 境 的 污 染 【，】

6、。 哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文无 接 触式的 电 能 传 输 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文发 表无 线 充电 联 盟 低功 率规 范， 瓺 间 传 播 容 易 ，从 而 降低了 天 线 尺寸 ，使 得 供 电 的 距 离 增加 唧 。本 文 针对 目 前电 池 供 电 的 无 线 传 感 器网 络 节 点能 量 受 限 和 使 用 寿命不 长 的问题 ，基 于 电 磁耦 合 谐振理 论 ，设计 了 一 种 双天 线 结 构的 无 线 传 感 器网 络 节 点。针对 无 线 传 感 器

7、网 络 节 点工 作的 稳定 性 ，数 据 精度以 及 是否 能 够 形成 无 线 传 感器网 络 等 问题 ，搭 建了 相 应的 测 试 系 统 ，并对 系 统 进 行测 试 和 分 析 ，本 文 的 主要 内 容 如 下 ： 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文作的 稳定 性 及 其 数 据 的 精度进 行测 试 和 分 析 。 稳定 性 测 试 中 以 响应时间 为标 准 ，精度测 试 中 使 用 标 准 的 实验 设备 进 行对 比 得 出 其 测 量 误 差 。 最 后 对 于 无 线 传 感器节 点能 否 构成 的 传 感 器网 络 进 行测 试 分 析 ，主 要

8、 对 构成 的 星 状网 拓 扑 结 构和混 合 网 拓 扑 结 构的 无 线 传 感 器网 络 的 工 作状态 进 行测 试 和 分 析 。 详 细 介绍在本论文 的 第 五 章 。 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文 哈 尔 滨 理 工 火 学 工 学 硕士 学 位 论 文在无 线 电 能 传 输的 几 种 方式中 ，磁场 和 电 场 耦 合 式原 理 是利用 近 场 进 行电能 的 传 输。 后 者 的 电 能 传 输原 理 是利用 电 容 的 电 场 实现 能 量 的 传 输。 其 中 电 容是由 负 载一 侧 的 金属 平 板 与电 源 一 侧 的 金属 平 板

9、构成 。 与磁场 耦 合 式相 比 较 其对 人体的 危 害 比 较 大 ，基 于 这 方面的 考 虑 很 少 对 电 场 耦 合 式无 线 电 能 的 传 输这项技 术进 行研 究 。 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文 接 收 线 圈 哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文电 其 中 ： 乙是电 源内 阻 ，尺，是电 感 线 圈，三，损 耗 的 等 效 电 阻 ，磊 为负 载的 内 阻 ， 蜪 为 ，和 幕 小 湎 呷 芈 分 懈鞲 霾 问 涤上 卤 来表示 ， 哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文乏 痩 ，糟磊 丢意么 玛 尺，

10、哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文 电 磁波 发 射 源 的 选 择以 下 。 在这 种 频率下 电 磁波 的 波 长 比 较 大 ，在传 播 的 过 程其 受 到的 阻 碍 也 就 越大 ，因 此目 前我 们 所 见 商品 的 无 线 供 电 距 离 都非常 的 短，在几 毫 米 到几 厘 米 不 技 术。 ，即 射 频识别 ，它是一 种 无 线 通信技 术， 阅 读 器会发 射 出 处 于 超 高频带 的 电 磁波 ，其 表 与无 线 传 感 器网 络 主 要 区 别 环 境 及 参 数随 机或 者 固 定导 致了 第 一 个 问题 的 出 现 ，传 感 器网 络 节

11、 点在任 务执行中 会断 电 。 第 二 个 问题是 技 术在通信过 程中 数 据 的 读 和 写 是高度不 对 称 的 ，并且 系 统 在工作中 访问的 是静 态 的 数 据 ，比 如 从 一 个 固 定 的 标 签中 获取识别 码 ，而 无 线 传 感器网 络 节 点必 须返 回 从 传 感 器获得 的 动态 数 据 。 技 术与传 感 器节 点的 这 种不 同的 通讯协 议 的 特性 ，使 得 他 们 结 合 为一 种 通讯协 议 变得 十 分 困 难 。 哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文两项基 本 要 求： 电 源 的 稳定 、 传 感 器数 据 的 精确。块

12、。 针对 不 同的 传 感 器可 以 在处 理 器中 对 其 进 行相 应的 编 程操 作，这 使 得 传 感器节 点更 加 的 灵活 ，每 一 个 传 感 器网 络 节 点可 以 接 入不 同的 传 感 器来完成 对 不同环 境 信息 的 监 测 。 使 用 一 个 独立的 通讯天 线 可 以 帮 助避 免 阅 读 发 射 的电 磁波 与传 感 器数 据 的 无 线 通讯相 互干扰 。 传 感 器节 点应该准 确地 发 回 传 感 器数 据 来满 足 第 二 个 性 能 要 求： 准 确地 从 传 感 器读 取数 据 。 采 用 这 种 双天 线 架 构的 传 感 器节 点具 有 以 下 优

13、 点： 线 信号 的 干扰 ，使 得 标 签无 法 传 送 回 准 确的 位 置 信息 ，因 此整 个 系 统 的 数 据 的准 确性 得 不 到保 证 ，系 统 的 稳定 性 差 ，而 且其 传 输距 离 很 短，无 法 完成 长 距 离数 据 传 输。 而 将无 线 传 感 器与 集 成 后 ，利用 无 线 传 感 网 络 节 点准 确的 数 据传 输、 实时传 送 信息 ，可 以 很 好 地 解决 的 传 输范围 小 以 及 数 据 不 准 确所 带来的 系 统 不 稳定 的 缺 点。 哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文括 介电 系 数 ： ； 损 耗 因 子 ；

14、金属 膜的 厚 度 ； 基 板 厚 度 ；电 导 率 痬。 基 于 这 些 参 数 ，有 效 介电 系 数 可 以 通过 式 进 行力。 哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文 阤 如 前所 述 ，它由 整 流器，滤波 器所 构成 ，该射 频前端电 路 的 特点是一 个 倍 压整 流电 路 ，由 个 二 极管串联 ， 只 电 容 并联 在其 上 ，利用 电 荷 泵 的 原 理 ，实 微处 理 器的 选 择 及 其 设计 丁靔埽甀緅，】寻，否芝筻叶一董夏觯甀丁口芡隆妗甀她壶 釜 宁 需引 ； 的 复 位 电 路 淮 庸 牡 慕 嵌壤 纯矗 琻 隒 哈 尔 滨 理 工 大 学 工

15、 学 硕士 学 位 论 文 模 块 的 主 要 参 数参 数如 图 为其 芯 片 引 脚 及 其 实物 图。图 引 脚 及 实物 图 硬 件 电 路 设计 模 块 电 路 原 理 图 哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文 传 感 器模 块 的 设计 参 数测试 范围精度温 度分 辨 率工 作电 压功 耗 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文递 给 无 线 模 块 。 在人工 照 明 的 环 境 下 精度达 到 勒克 斯 。 表 给 出 了 模 块 ： 电 压 转 换 模 块 的 设计 哈 尔 滨 理 工 夫 学 工 学 硕士 学 位 论 文 串口通讯电 路

16、 的 设计毛 主 叠 蹴 哈 尔 滨 理 工 火 学 工 学 硕士 学 位 论 文 无 线 传 感 器拓 扑 结 构的 介绍星 状网 是无 线 传 感 器网 络 的 基 础 ，其 拓 扑 结 构如 图 所 示 。 在星 状网 中所 有 节 点只 能 与数 据 终端的 机或 者 是专用 的 接 收 设备 进 行双向通信，而 节点相 互之 间 不 能 进 行通信，所 以 说 星 状网 是一 种 单跳 结 构。 这 种 单跳 结 构使 其具 有 组 网 非常 的 简 单，成 本 低等 优 点。 随 之 带 来的 问题 是，相 比 较 于 其 它两种拓 扑 结 构，星 状网 的 覆 盖范围 小 。 哈

17、 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文 如 图 所 示 ，为无 线 传 感 器网 络 中 传 感 器节 点的 程序 流程图。 首 先，节 点 哈 尔 滨 理 工 火 学 工 学 硕士 学 位 论 文 本 研 究 为了 测 试 系 统 在时间 域 工 作的 稳定 性 而 开发 了 一 款 监 控 软 件 ，本 软 哈 尔 滨 理 工 大 学 工 学 硕士 学 位 论 文数 据 包遵 循 协议 定 义。 一 个 数 据 包括 皇 萜鹗 嘉 弧 位 传 感 器地 址位 、 淮 衅 鞴 芪 弧 位 传 感 器数 据 ， 恍 楹 位

18、 停止位 。 通过 校验 码 判 断 收 到的 数 据 是否 正确，本 系 统 中 使 用 和 校 验 作为数 据 监 测 方法 。 使 用校 验 码 会产 生较 长 的 响应时间 ，这 是因 为无 线 供 电 的 无 线 传 感 器节 点能 量 获取的 不 稳定 性 ，会使 发 送 端端工 作在一 个 低功 率条件 下 ，如 果 连 接 强 度不 足 ，那么硬 件 将限 制数 据 包的 传 递 ，从 而 增加 了 响应时间 。 实际 上 ，传 感 器性 能 也 会影响传 感 器节 点的 响应时间 。 对 于 快 速 变化 的 环 境 ，响应时间 应该为秒级，这样 才 能 够 对 周 围 的

19、环 境 实现 更 好 的 监 测 。 图 显 示 了 数 据 包监 控 软 件 ，它可以 显 示 自 动收 到的 数 据 包的 传 感 数 据 并能 计 算 响应时间 。 ， 哈 尔 滨 理 工 火 学 工 学 硕士 学 位 论 文 读 写 器可 以 支持 四 个 天 线 。 图 显 示 了 圆 极化 天 线 ，其 尺寸 是图 配 置 的 标 准 的 圆 极化 天 线 哈 尔 滨 理 工 火 学 工 学 硕士 学 位 论 文自 酾静 瓣 一 警 翻 。 赫 黼翻 赫赣 黼 墨翻 黪 妊 鞴感 器在温 度范围 为零 下 到 ，分 辨 率是 畂 到 的 范围 时误 差 为士 。 所 有 的 这 些

20、 设备 比 本 研 究 中 使 用 芯 片 式传 感 器性 能 更 好 ，因此可 以 作为一 个 参 考 对 比 实验 。 无 线 供 电 的 无 线 传 感 器网 络 的 性 能 检 测 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文阅 读 器夭 纬，超 高频 阅 读 器分 析 仪 控 制接 收 电 磁波图 测 试 传 感 器节 点稳定 性 和 精度的 实验 步 骤垂 垡 堡壁霉 垫塑 二 孝丝 垡 堡垫塑 实验 仪 器数 据基 于 无 线 供 电 技 术的 无 线 传 感 器网 络 的 另 一 个 关键性 能 指 标 是其 是否 能 够形成 拓 扑 结 构，并且在所 形成 的 拓

21、扑 结 构中 能 否 稳定 的 工 作。 本 实验 中 使 用 监测 软 件 来实现 对 其 所 构成 的 传 感 器网 络 进 行测 试 ，主 要 测 试 传 感 器网 络 在星 状网 和 混 合 网 拓 扑 结 构中 数 据 返 回 的 响应时间 来判 断 当 前传 感 器节 点所 构成 的 传感 器网 络 的 工 作状态 。 从 节 点将数 据 发 送 给 主 节 点，主 节 点再 将数 据 发 送 给 数 据 终端，借 助检 测 软 件 图 温 度传 感 器节 点测 量 误 差 哈 尔 滨 理 工 人学 工 学 硕士 学 位 论 文器数 据 是否 精确，是否 可 以 在合 理 的 响应时间 内 返 回 所 监 测 的 环 境 数 据 信息 这几 个 方面进 行了 测 试 。 我 们 可 以 知 道 配 有 温 度传 感 器的 传 感 器节 点和 配 有 光 敏电 阻 的 传 感 器节 点其 功 耗 分 别 为 和 。 在本 实验 中 电 磁波 的发 射 功 率为 ，频率为 。 由 所 带 有 的 负 载不