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时间：2020-10-11 21:39:14 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
论文范文：基于无线供电之无线传感器网络探讨
第1章 绪论
1.1 课题的背景及意义
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[3]。无线供电技术即负载和电源之间没有经过任何的电气连接而完成能量的传输。目前普遍采用的方法是在电源端电能转化成电磁能，负载端将电磁能转化成电能，通过这样的能量的转换完成对能量的无线传输。如果无线传感器网络采用无线供电的方式，减少电池使用的同时简化了安装过程，可以实现同时为多个传感器节点供电，提高了整个系统的稳定性[4]。
1.2 国内外发展现状
时间追溯到上世纪 70 年代，传感器网络技术已经得到了初步发展，但是那时的传感器技术还很单一，仅仅能实现点对点的传输，被称为第一代传感器网络[9]。随着科学技术的不断进步，传感器网络技术得到了全面的发展，功能越来越多，通过相关的控制器，可以实现多种信息的监测、传输以及处理，这便是第二代传感器网络。随着时间的推移，多种技术逐步开始与传感器技术进行融合，在这期间，总线技术的应用使无线传感器网络迅速发展起来[10]。运用此技术，将多种不同功能的传感器连接形成智能传感器网络，随着工业及生活需要，无线通信技术与传感器网络结合起来，无线传感器网络作为一种新的技术逐渐发展起来。
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第2章 系统方案的整体设计
2.1 无线供电方案的选择
随着科学技术的发展，电子设备广泛应用的同时也带来了许多的问题。电线的存在使得设备在安装时增加了难度也阻碍了设备的灵活性，使得设备在一些特定的场合中无法被使用。加上电线的长期使用超过其使用年限会带来安全隐患。为了解决以上的问题人们将目光集中在了无线供电这一技术上。由于无线电能传输原理的不同，可将无线电能的传输分成以下几种，如图2-1 所示。
2.2 电磁波发射源的选择
2008 年以来，无线供电技术迅速的发展，很多的公司也都推出了无线供电的商业产品。在 2008 年 12 月全球无线电源联盟第一次会议在香港举行并在会议推出了 Qi 低功率规范。商业生产技术的迅速发展，可以有效的缩短天线的尺寸，并可以将其集成在手机或者是较小的手持设备中。这是无线供电技术的突破，但是商业所使用的技术是电磁耦合感应式，并且电磁波频率都是在 100kHz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等。对于无线传感器网络来说，供电距离应该足够长至少应在 1 米甚至是几十米。这就使得目前所拥有的商业无线供电设备不能为传感器网络中的传感器节点进行无线供电。
RFID 阅读器会发射出处于超高频带 UHF(ultra-high frequency)的电磁波，其频率变化从 860 到 960MHz 不等，进而驱动数米以外的标签。处于超高频率的电磁波其波长很短，不仅可以缩短了接收天线的尺寸，也提高了远距离供电的能力[37]。使用无线传感器网络节点来代替原来的标签，这样就够成了一个由RFID 阅读器来进行供电的无线传感器网络。由于RFID技术的优点，本文所研究的系统使用RFID技术来进行无线供电，利用 RFID 阅读器来发射超高频的电磁波。
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第 3 章 传感器节点的硬件设计........................17
3.1 无线电源接收模块的设计............................. 17
第 4 章 系统软件设计........................................29
4.1 无线传感器拓扑结构的介绍.............................. 29
第 5 章 系统检测及结果分析......................................38
5.1 实验仪器选择............................................ 38
第5章 系统检测及结果分析
5.1 实验仪器选择
一个圆极化天线，ALR9611-CR，被选做为读写器发射电磁波的天线。这是匹配 Aline ALR9900 的标准天线，并提供一个高达 5.73dB 的天线增益。初步试验表明其阻抗约为 50 ，传感器节点中的偶极子天线有一个约 70+j40.5 的阻抗，天线增益为 1.75dB。包括读写器和传感器节点在内的总天线增益为 7.48dB。图5-1 所示为 RFID 读写器，尺寸为 20.32cm(L)×21.08cm(W)×4.58cm(H)。一个读写 器 可 以 支 持 四 个 天 线 。
图 5-2 显 示 了 圆 极 化 天 线 ， 其 尺 寸 是28.4cm(L)×19.5cm(W)×4.3cm(H)。一个光谱仪用于监控通过传感器节点的天线收到的电磁波的功率。在性能测试中，传感器节点被连接到频谱分析仪上。最大的 dB 值在 915MHz 时使用 FFT 工具连续记录。
5.2 无线供电的无线传感器网络的性能检测
星状网为传感器网络中最简单的一种拓扑结构，采用单跳的通信方式，各个节点与数据终端直接进行通讯。本研究首先来测试无线供电的无线传感器节点是否可以形成最简单的星形拓扑结构。星状拓扑结构测试示意图，如图 5-5所示。从图中可以看到测试使用了 7 个传感器节点，分布在 0~180°的范围内，与数据终端进行通信。实验中传感器节点与 RFID 阅读器的距离为 2~2.8m，不同距离时分别记录当前传感器节点的工作状态：是否有数据的返回及返回数据的响应时间。其示意图，如图 5-5 所示。
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结论
本文针对无线供电的无线传感器节点是否能构成无线传感器网络进行分析和说明。设计了双天线架构的传感器网络节点并搭建了硬件电路。结合射频识别技术以 RFID 阅读器为电磁波发射源，向外发射 915MHz 的电磁波。以偶极子天线作为无线传感器节点的能量接收天线，并对传感器节点在无线供电的情况下工作的稳定性及数据精度进行测试和分析，最后对无线供电的无线传感器节点能否构成无线传感器网络进行研究，以传感器节点所构成的星状网和混合网拓扑结构的无线传感器网络进行测试分析和说明。论文主要取得了以下成果：1．综合考虑目前无线电能传输的常用方案，选择磁耦合谐振式无线电能传输技术为理论依据，结合 RFID 与无线传感器网络的各自优点，设计出双天线架构的传感器节点，数据传输与能量收集天线相互独立。采用 RFID 中常用的偶极子天线作为传感器节点的能量收集天线，并通过理论分析及计算得出适合本系统的天线长度和宽度。2．搭建无线传感器节点硬件电路。确定了以 MSP430F419 低功耗芯片为传感器节点的微处理器，以 nRF24L01 低功耗模块作为无线通信模块，光敏电阻和 DS180B20 为传感器的传感器节点。并对各部分功耗做出说明，完成其各单元模块的硬件架构。3．分析无线传感器网络不同拓扑结构之间的区别，并得出适合本系统的两种拓扑结构，即星状网和混合网拓扑结构。完成了实验中 2 种拓扑结构的无线传感器网络中节点程序的设计及代码编写，并设计出一款用于监测传感器节点工作状态的上位机软件。
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参考文献（略）
