52090字硕士毕业论文基于无线电源的无线传感器网络探讨
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：52090字
论点：传感器,节点,供电
论文概述：
本文是无线电论文，主要论述了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。
论文正文：
第一章引言
1.1课题的背景和意义
虽然无线传感器网络具有巨大的商业和工业潜力，但传感器节点供电问题阻碍了其发展。使用电池作为电源的无线传感器网络为执行高要求的任务提供有限的能量。电池容量低将导致传感器节点故障或整个网络中断。使用电池作为电源需要定期维护和更换电池，这降低了整个网络的可靠性并增加了成本。此外，更换电池也会造成环境污染……。无线供电技术意味着负载和电源之间没有电连接来完成能量传输。目前，常用的方法是在电源端将电能转换成电磁能，在负载端将电磁能转换成电能。通过这种能量转换，完成了能量的无线传输。如果无线传感器网络采用无线供电方式，在减少电池使用的同时简化了安装过程，可以同时实现多个传感器节点的供电，提高了整个系统的稳定性参考文献(省略)。
1.2国内外的发展状况
可追溯到20世纪70年代。传感器网络技术已经初步发展起来，但当时传感器技术仍然非常单一，只能实现点对点传输，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发展，功能越来越多。通过相关控制器，可以监控、传输和处理各种信息。这是第二代传感器网络。随着时间的推移，各种技术逐渐开始与传感器技术融合。在此期间，总线技术的应用使得无线传感器网络在[发展迅速。利用这种技术，将各种不同功能的传感器连接起来，形成一个智能传感器网络。随着工业和生活的需要，无线通信技术与传感器网络相结合，无线传感器网络作为一种新技术逐渐发展起来。
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第二章系统方案的总体设计
2.1无线供电方案的选择
随着科学技术的发展，电子设备的广泛应用也带来了许多问题。电线的存在使得设备的安装更加困难，并且阻碍了设备的灵活性，使得设备在某些特定的场合不可用。此外，超过使用寿命的电线的长期使用会带来安全隐患。为了解决上述问题，无线供电技术成为人们关注的焦点。由于无线功率传输原理不同，无线电能量的传输可分为以下几种类型，如图2-1所示。
2.2电磁波发射器
自2008年以来，无线供电技术发展迅速，许多公司也推出了无线供电的商业产品。2008年12月，全球无线电力联盟第一次会议在香港举行，会上介绍了Qi低功率规范。商业生产技术的快速发展可以有效地缩短天线的尺寸，并将其集成到移动电话或较小的手持设备中。这是无线供电技术的突破，但商业上使用的技术是电磁耦合感应式，电磁波频率低于100千赫兹。在这个频率下，电磁波的波长相对较大，在传播过程中会遇到越多的障碍，所以我们目前看到的商品无线供电距离非常短，从几毫米到几厘米不等。对于无线传感器网络，电源距离应足够长，至少1米甚至几十米。这使得目前拥有的商用无线供电设备无法向传感器网络中的传感器节点提供无线电力。
射频识别阅读器发射超高频带超高频(UHF)的电磁波，频率范围为860-960兆赫，从而驱动标签几米远。超高频电磁波的波长非常短，这不仅可以缩短接收天线的尺寸，还可以提高远程电源[37]的能力。无线传感器网络节点被用来代替原始标签，从而成为由射频识别阅读器供电的无线传感器网络。由于射频识别技术的优势，本文研究的系统将射频识别技术用于无线供电，并利用射频识别阅读器发射超高频电磁波。
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第三章传感器节点的硬件设计..............................17
3.1无线受电模块的设计.............................17
第4章系统软件设计.........................................29
4.1无线传感器拓扑介绍..............................29
第5章系统测试和结果分析.............................................38
5.1实验仪器选择...............................................38
第5章系统测试和结果分析
5.1实验仪器选择
圆极化天线ALR9611-CR作为阅读器发射电磁波的天线。这是一款与Aline ALR9900匹配的标准天线，提供高达5.73分贝的天线增益，初步测试显示阻抗约为50，传感器节点中的偶极天线阻抗约为70+j40.5，天线增益为1.75分贝，包括阅读器和传感器节点在内的总天线增益为7.48分贝，图5-1显示了一款尺寸为20.32厘米(升)×21.08厘米(瓦)×4.58厘米(高)的射频识别阅读器一个阅读器可以支持四个螺旋。图5-2显示了圆极化天际线，大小为28.4厘米(左)×19.5厘米(西)×4.3厘米(高)。分光计用于监控通过传感器节点的天线接收的电磁波的功率。在性能测试中，传感器节点连接到频谱分析仪。使用快速傅立叶变换工具以915兆赫连续记录最大分贝值。
5.2无线电源供电的无线传感器网络性能测试
星形网络是传感器网络中最简单的拓扑结构。它采用单跳通信模式，每个节点直接与数据终端通信。这项研究首先测试由无线电源供电的无线传感器节点是否能够形成最简单的星型拓扑。星形拓扑测试的示意图如图5-5所示。从图中可以看出，该测试使用7个传感器节点，分布在0 ~ 180度范围内，并与数据终端通信。实验中，传感器节点与射频识别阅读器之间的距离为2~2.8m，在不同的距离上分别记录当前传感器节点的工作状态:是否有数据返回以及返回数据的响应时间。示意图如图5-5所示。
……
结论
本文分析并解释了由无线电源供电的无线传感器节点是否可以构成无线传感器网络。设计了双天线结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，射频识别阅读器作为电磁波发射源，发射915兆赫电磁波。偶极天线作为无线传感器节点的能量接收天线，测试分析了无线供电条件下传感器节点的稳定性和数据精度。最后，研究了无线供电的无线传感器节点能否形成无线传感器网络，并对传感器节点形成的星型网络和混合网络拓扑结构的无线传感器网络进行了测试、分析和解释。本文的主要成果如下:1 .考虑到目前无线电力传输中常见的方案，选择磁耦合谐振无线电力传输技术作为理论基础，结合射频识别和无线传感器网络的优势，设计了一种双天线架构的传感器节点，数据传输和能量采集天线相互独立。射频识别中常用的偶极天线作为传感器节点的能量收集天线，通过理论分析和计算得到适合该系统的天线长度和宽度。2.构建无线传感器节点的硬件电路。确定了以MSP430F419低功耗芯片为传感器节点，以nRF24L01低功耗模块为无线通信模块，以光敏电阻和DS180B20为传感器节点的微处理器。它还解释了每个部分的功耗，并完成了每个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差异，得出适合本系统的两种拓扑结构，即星型网络和混合网络拓扑结构。完成了实验中两种拓扑无线传感器网络节点程序的设计和代码编写，设计了监控传感器节点工作状态的上位机软件。
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