低功耗远距离无线无源传感网理论与关键技术研究

As wireless communication applications continue to expand, wireless network used for monitoring oil pipeline is becoming a new hotspot. Security of oil pipeline is also an important part of the national strategy.For the particularity of oil pipeline construction，data can't be collected artificially. In order to achieve efficient pipeline safety monitoring, passive sensor network technology can be used. The network is powered by the kinetic energy of the external pipe vibrations.The project aims for expanded research on low-power, long-distance wireless passive sensor networks. Research mainly involves four aspects. Firstly, research on theoretical models of low / ultra-low-power RF transmitter circuit, effective ways to achieve high efficiency of the circuit, in which RF transmitters achieve low power consumption and high stability. Secondly, for the difficulty of far distance transmission, study PZT energy collector and the RF collector's power energy integrated and output voltage management. Thirdly, combining antenna technology , for the low-power and long-distance characteristics of this project, research on transmit / receive antenna for wireless and Smart Array Antenna for the base station. Fourthly, based on the characteristics of wireless network protocols, research on the efficient wireless communication network protocol used for passive, low-power and long-distance wireless monitoring sensor network. Finally, build the passive low-power long-distance wireless monitoring system.

随着无线通信应用领域的不断拓展，石油管道的无线监测网络正成为新的研究热点，对石油管道的安全保障也是国家战略的重要环节。油管建设的特殊性导致无法进行人为的数据采集。为了实现高效的管道安全监测，可采用无源传感网络技术，通过外部对油管振动产生的动能供电驱动传感网络工作。 本项目旨在对低功耗、远距离无线无源传感网络展开研究。研究内容主要涉及四个方面。第一，研究低/超低功耗射频发射电路的理论模型，系统探索实现高效率电路的有效途径，实现射频发射机的低功耗、高稳定性。第二，针对项目需求的远传输距离这一难点，研究PZT能量采集器与射频能量收集器的电源综合、输出电压管理。第三，结合天线研究技术，针对本项目低功耗远距离的特色研究无线节点发射/接收天线与基站智能阵列天线。第四，基于无线网络协议特点，研究适用于低功耗远距离无线无源监测传感网络的高效无线通信组网协议。最终搭建低功耗远距离无线无源监测系统。

能量供给有限致使诸如石油管道监测等无源无线传感网普遍存在信息传输稳定性和长期型问题，增加传感节点的能量可能供给和提高无线传感网的高能效传输是解决上述问题的有效途径，也就是需要“开源”和“节流”两个角度开展研究以确保系统的长期有效工作。本项目主要围绕高效射频发射功率放大器、无线能与温差能组合辅助供电技术、无线智能阵列天线与共形节点天线设计以及低功耗多节点无线通信协议设计四个方面开展了研究，并取得了以下成果：.（1）本项目就射频发射电路中功率放大器的低功耗设计做了相关研究，提出了基于谐波抑制低功耗放大电路设计以及智能电压偏置放大电路的设计思想，完成了相关电路的仿真、设计和实测，结果表明该设计方法有效提高了射频发射的能效。.（2）本项目开展了传感节点多能量组合供电技术研究，提出了将温差能量收集、无线传输能 、振动能量收集有机组合起来，并完成了温差能收集验证电路、振动能量收集电路、射频能量收集电路、地热温差能收集以及相关组合供电管理技术研究，为传感节点多能量组合供电奠定了基础。.（3）本项目在无线能传输方面，围绕智能发射天线、共形整流天线以及高效整流电路三个方面开展了研究，基于矢量调制移相技术实现了4*4智能发射天线阵列，开发了2款高效的共形节点天线，提出了基于相位补偿的反射回收型射频整流电路设计新方法，有效提升了无线能量传输的效率。.（4）在低功耗无线传感通信协议方面，针对周期轮询工作的无线传感网提出了基于时间准同步技术的轮询协议；针对无线节点报警信息发送时的碰撞问题设计时分策略的退避算法。仿真和实验表明，上述方案可以增加节点的休眠时间，避免数据通信时产生的一些不必要的能量消耗，从而降低节点的功耗。 . 本项目在基于谐波抑制技术的低功耗射频电路设计、高效射频整流电路设计、多能量高效组合供电、低功耗通信协议以及高增益节点共形天线设计等方面有一定的创新性，为无源无线传感网络的广泛应用奠定基础。