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多参数自供电水质监测无线传感器网络节点的关键技术研究

作　者: 孙清文
导　师: 吴明赞
学　校: 南京理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 大面积水质监测弱信号检测无线传感器网络节点光伏电源风光互补电源
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

论文针对大面积湖泊养殖水域的水质监测,应用无线传感器网络监测系统实时,可大面积布置的监测特点,研究并完成了多参数和可持续实时自供电无线传感器网络节点的主要关键技术。无线传感器网络监测系统节点分为传感器监测节点和网关节点,论文对两个节点进行硬件设计以及接口驱动设计,并对接口驱动进行仿真测试,结果表明接口驱动芯片可以正常工作,数据可以实时接收与转换；采用混沌检测强噪声下微弱信号的算法,研究提出用新的双混沌振子之间相互约束来检测噪声中的弱信号,并对新的检测方法进行了仿真验证与分析,新的算法抗噪声性能更加好,而且能够估计信号频率,提高了节点在恶劣环境下监测微弱水质信号的性能；研究新的光伏电源代替干电池成为无线传感器网络监测系统传感器监测节点的电源,并对所设计的电源进行了仿真分析以及PCB板的制作。新的光伏电源能够输出稳定的节点所需电压,可以使传感器节点在大面积水域中长时间稳定工作,增强了节点的实用性；研究用新的风光互补电源代替大的干电池或蓄电池用于相对较大能耗的网关节点,对新电源进行了设计与仿真分析。风光互补电源使网关节点在大面积的外部环境中自行供电,提高了自动化检测的效率与节点作用的范围,减少了人为作用成本。综上所述：应用以上关键技术,能够实现水质监测无线传感器网络节点的多参数弱信号监测和自供电工作,实时性好,可以长期稳定工作,适合应用于大面积水域监测。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 选题的科学意义和应用前景  8
  1.2 国内外研究与发展现状  8-11
    1.2.1 节点硬件部分的国内外研究现状  9-10
    1.2.2 微弱信号处理算法的国内外研究现状  10
    1.2.3 节点供电电源的国内外研究现状  10-11
  1.3 论文主要工作  11-12
2 节点总体设计  12-30
  2.1 总体方案研究  12
  2.2 无线传感网络传感器监测节点的设计  12-17
    2.2.1 传感器监测节点总体结构  13
    2.2.2 硬件选型  13-14
    2.2.3 传感器监测节点硬件电路设计  14-15
    2.2.4 传感器监测节点接口驱动程序的设计与仿真  15-17
  2.3 无线传感网络网关节点的设计  17-29
    2.3.1 网关节点总体结构  17
    2.3.2 器件的选型  17-19
    2.2.3 网关节点硬件电路设计  19-25
    2.3.4 网关节点接口驱动程序的设计与仿真  25-29
  2.4 小结  29-30
3 基于混沌理论检测微弱信号的算法研究  30-48
  3.1 基于混沌理论检测微弱正弦信号  30-34
    3.1.1 无噪声情况下微弱信号检测  30-32
    3.1.2 噪声环境下微弱信号检测  32-33
    3.1.3 弱信号幅值的提取  33
    3.1.4 Melnikov判据  33-34
  3.2 双耦合改进duffing振子系统检测微弱正弦信号  34-37
    3.2.1 耦合改进型duffing振子系统  34
    3.2.2 强噪声下弱信号检测的仿真比较  34-37
  3.3 基于双耦合混沌同步系统的弱信号检测  37-42
    3.3.1 双耦合混沌同步系统  37-41
    3.3.2 基于双耦合混沌同步系统的微弱信号检测  41-42
  3.4 仿真比较分析  42-46
    3.4.1 混沌振子的同步抗噪性仿真  42-43
    3.4.2 基于混沌同步的微弱信号频率估计  43-44
    3.4.3 噪声环境下两种系统弱信号检测性能比较  44-46
  3.5 混沌检测微弱信号的软件实现  46-47
  3.6 小结  47-48
4 传感器监测节点光伏电源的设计与仿真  48-74
  4.1 传感器监测节点光伏电源的总体结构  48-49
  4.2 太阳能电池板与稳压电容  49
  4.3 电源控制器的设计  49-58
    4.3.1 传感器节点光伏供电电源对于控制器的要求  49-50
    4.3.2 电源控制器的总体结构框图  50-51
    4.3.3 电源检测电路的设计  51-54
    4.3.4 电源切换电路设计  54-58
  4.4 DC/DC电路的设计  58-59
    4.4.1 元器件的选型  58
    4.4.2 DC/DC电路设计  58-59
  4.5 储能单元电路设计  59-62
    4.5.1 充电芯片的选择  59
    4.5.2 蓄电池充电电路的设计  59-62
  4.6 大面积水域光伏电源防雷系统设计  62-65
    4.6.1 避雷系统选择  63
    4.6.2 接地装置设计  63-65
  4.7 光伏电源的仿真分析  65-70
    4.7.1 仿真软件介绍  65-66
    4.7.2 仿真模型的建立  66-68
    4.7.3 光伏电源系统总体仿真分析  68-70
  4.8 光伏电源PCB的制作  70-72
  4.9 小结  72-74
5 大面积水域水质监测网关节点风光互补电源的设计与仿真  74-94
  5.1 网关节点风光互补电源系统的总体设计  74-75
  5.2 整流稳压电路的设计  75-76
    5.2.1 风力整流设计  75-76
    5.2.2 太阳能发电稳压电路设计  76
  5.3 电源切换电路的设计  76-82
    5.3.1 电源切换电路的总体设计  76-77
    5.3.2 电源检测电路与光电耦合电路的设计  77-78
    5.3.3 电源选择开关电路的设计  78-79
    5.3.4 单片机电路设计  79-82
  5.4 DC/DC电压转换电路的设计  82-84
    5.4.1 DC/DC电压转换电路总体设计  82
    5.4.2 器件选择  82
    5.4.3 DC/DC电路的设计  82-84
  5.5 锂电池充电电路的设计  84-87
    5.5.1 锂电池充电电路的总体结构  84
    5.5.2 器件的选择  84-85
    5.5.3 锂电池充电电路的设计  85-87
  5.6 风光互补电源的仿真分析  87-91
    5.6.1 仿真模型的建立  87-88
    5.6.2 风光互补电源总体仿真分析  88-91
  5.7 风光互补电源PCB的制作  91-93
  5.8 小结  93-94
6 总结与展望  94-96
  6.1 总结  94-95
  6.2 展望  95-96
致谢  96-98
参考文献  98-103
附录  103

多参数自供电水质监测无线传感器网络节点的关键技术研究

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