事件驱动智能感知无线监测传感系统设计与实现

来源 :杨俊杰 |
随着物联网技术蓬勃发展,无线监测传感系统在野外围栏、石油管线、桥梁等安全运营监测领域应用广泛,但能源供应受限问题一定程度上制约了其部署,利用环境振动蕴含的能量与信息构建智能无线监测传感系统是国内外重要研
随着物联网技术蓬勃发展,无线监测传感系统在野外围栏、石油管线、桥梁等安全运营监测领域应用广泛,但能源供应受限问题一定程度上制约了其部署,利用环境振动蕴含的能量与信息构建智能无线监测传感系统是国内外重要研究方向。压电振动能量采集器采集环境振动能的同时感知振动信息,开展基于压电振动能量采集器的智能感知无线监测传感系统具有重要研究意义。对于野外围栏监测等应用场景,本文在充分研究压电振动能量采集器输出特性基础上,提出利用其实现无源智能振动感知与“事件驱动”工作策略,设计实现了监测野外围栏安全状况的事件驱动智能感知无线监测传感系统。主要研究工作如下:首先,研究了“事件驱动”压电振动能量采集器的设计原理、器件结构与工作过程等,完成了能量采集器的振动测试与分析,外界振动激励达到预设强度2.6g时触发产生较大电能,验证了其具有监测激励振动强度的功能并分析其输出信号特点,进一步构建“事件驱动”工作策略。其次,基于“事件驱动”压电振动能量采集器的研究,设计并实现了事件驱动智能感知无线监测传感系统硬件平台。该系统由围栏环境振动事件驱动,当外界环境振动激励强度达到阈值时系统被唤醒工作,振动监测事件未发生时系统将长时间处于超低功耗的待机状态。将压电振动能量采集器作为监测环境振动的传感器以替代传统加速度计方案,削减传统振动传感器功耗开销,系统采集环境振动激励能量采集器产生的输出电压信号并送入MCU中进行实时智能振动感知分析。利用基于IEEE802.15.4协议的无线通信模块将传感系统获取的野外围栏的振动、温度信息状况及报警信号发送至无线接收终端,高效完成对野外围栏振动、温度信息的智能无线监测。然后,完成了事件驱动智能感知无线监测传感系统软件设计。部署了“事件驱动”工作策略。设计了野外围栏振动与温度信息采集程序,基于“事件驱动”压电振动能量采集器感知环境振动的特性与应用环境资源限制,借鉴时间序列分类领域高性能卷积神经网络设计轻量化智能振动感知模型1D-MSCNN,完成对围栏振动类型的实时分析。设计无线通信程序,实现野外围栏环境振动、温度信息的无线传输。最后,基于上述设计实现了事件驱动智能感知无线监测传感系统并搭建测试平台进行测试与分析。实验结果表明,设计无线监测传感系统在实地围栏1-5Hz、2-6g振动事件驱动下0.1s内唤醒工作,在振动破坏事件发生5s内,传输距离在100m以外的无线接收终端即可稳定接收到破坏报警信号,并报告具体事件类型,实际监测事件识别准确率约为99%,温度监测误差仅为0.1℃~0.2℃,高效完成对野外防护围栏振动、温度信息的实时智能无线监测。设计的事件驱动智能感知无线监测传感系统在野外围栏、石油管线等能源受限无线安全监测场景具有较高实际应用价值。
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