一种基于反向散射技术的多副载波多址无源无线传感系统技术方案

本发明专利技术属于反向散射通信技术领域，具体为一种基于反向散射技术的多副载波多址无源无线传感系统，它使用一个无源无线传感器标签和一个读写器来支持来自多个传感器的并发数据流。读写器通过给传感器标签分配不同的副载波频率使每个传感器标签有一个独有的信道进行通信，从而实现同时采集多个传感器数据。该传感器标签包含标准标签、副载波产生电路、数据帧产生电路和传感器四个部分。标签通过接收阅读器的载波来生成稳定电压给标签和传感器供电，不需要外部电源。读写器配置标签的副载波时，标签会返回一段副载波，这样读写器和标签之间就形成了配置环路，多次配置可得到精准的副载波。阅读器可以给每个标签进行编组，被选中的标签接收到启动命令后就开始持续返回传感器数据。这里提到的传感器并不局限于传感器可以是任意数据源。本发明专利技术使得传感器标签得以芯片化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反向散射技术的多副载波多址无源无线传感系统
本专利技术属于反向散射通信
，具体为一种基于反向散射技术的多副载波多址无源无线传感系统。
技术介绍
结构健康监测（StructuralHealthMonitoring，SHM）一直是一个很热门的研究方向。SHM主要应用在对桥梁、建筑物、机械、航空航天器等结构的健康监测。这些应用场景与人们的生活密切相关，一旦出现结构的健康问题会直接导致许多人丧生,例如桥梁垮塌，飞机失事等。可见结构健康检测是十分必要且有重大意义的。由于结构健康监测需要长时间监测，所以也需要考虑到安装和维护的成本。传统的结构健康监测一直使用有线连接传感器的方式，有线传感的方式尽管监测信号会很稳定，但是安装和后期维护成本会很高且安装不灵活，所以安装和维护成本较低且性能逐渐提高的无线传感网络(WSN)技术逐渐受到青睐。把传感器放置在结构的不同位置，将监测到的传感器数据通过无线传输的方式传输到接收机进而传给电脑端，电脑根据接收到的各个位置的传感器数据就可以判断结构是否存在安全隐患，评估结构的健康程度。可以进行无线传感的方式有很多，比如蓝牙、反向散射、WIFI、移动通信网络，但是除了反向散射技术可以做到无电源，其余几种技术必须使用外部电源。在一些应用场景中，电池更换难度大或有的直接禁止使用，即使偶尔更换，也是出于安全考虑，特别是在航空航天领域。所以无外部电源的无线传感是发展趋势。在结构健康监测应用或其他应用中，用到的无线传感大部分都是只能传感单个传感器，在接收一个传感器信息的同时无法接收其他传感器的信息，这就大大降低了传感系统的传感效率。另外，在很多情况下，计算某些技术参数需要用到不止一个传感器的信息，例如共振频率和共振振动模式就需要结合结构上多个位置同步的加速度信息进行互相关得到。因此，实现并行接收同步的多传感器数据流是十分有必要且有重要意义的。反向散射技术中常用射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，RFID）有一个很重要的优点那就是每个标签有一个独一无二的电子产品编码（EPC），这就为并行接收多个传感器数据流的同时还能识别出每个传感器编号提供了技术支持。很多学者都在研究如何实现无源无线且能接收并行数据流的传感系统，但大都只能实现无源无线传感系统，无法实现接收并行数据流的功能。日本庆应义塾大学（Keio）的auto-ID日本实验室使用类似于频分多址（FDMA）的多载波多址（multiplesubcarriermultipleaccess,MSMA）技术，其思想就是为每个标签分配不同的副载波频率，每个副载波频率为一个通信信道。尽管他们实现了接收并行数据流的功能，仍然是仍然使用外部电源供电、无法对标签进行配置、且无法将传感器标签集成到芯片内。基于上述问题，本专利技术提出了一种基于反向散射技术的多副载波多址无源无线传感系统。该系统不仅可以实现传感系统的无源、无线、高度集成化、接收并行同步数据流的功能，同时还实现了对传感器标签的副载波频率进行精确的校准、对传感器标签进行分组、使被选中的分组标签同时并行返回数据流、接收并行数据的同时还能通过每个电子产品编码识别出每个标签。
技术实现思路
本专利技术的目的在于根据现有出现的问题，提出一种基于反向散射技术的多副载波多址无源无线传感系统，该系统不仅可以实现传感系统的无源、无线、高度集成化、接收并行同步数据流的功能，同时还实现了对传感器标签的副载波频率进行精确的校准、对传感器标签进行分组、使被选中的分组标签同时并行返回数据、接收并行数据的同时还能通过每个电子产品编码识别出每个标签。本专利技术提出的基于反向散射技术的多副载波多址无源无线传感系统，其系统示意图如图1所示，包括：阅读器110，环形器120，天线130，由标准标签电路140、存储模块150、低压差线性稳压器160、副载波产生电路170、传感器180、数字控制电路和寄存器190、数据帧产生电路200和选择器210组成的传感器标签芯片220/230/240。其中，阅读器110和标准标签电路140中包含射频和协议基带等部分用于两者间的正常通信功能。在标准射频识别通信协议框架下，使用其中一个会话条件（如S0会话），阅读器110按协议规定对传感器标签220进行盘存（Inventory）操作，这样就可以和每个传感器标签建立起通信连接并知道每个标签的电子产品编码（ElectronicProductCode，EPC）数据。知道每个标签的电子产品编码以后，就可以使用选择（Select）命令选中某一个标签，然后使用协议中建立连接的标准步骤进行通信，同时给传感器标签写入分组信息（ZoneID），如图2所示。接下来，阅读器110给每个传感器标签220分配一个互不干扰的副载波通信信道。读写器110向传感器标签220中发送副载波配置数据，该数据中包含要写入的地址和数据，标准标签电路140接收到信息后传给数字控制电路和寄存器190，该模块中的副载波控制寄存器收到信息后，会对副载波产生电路170进行频率更改。与此同时，在标准标签电路140给阅读器110返回协议规定的写入操作状态前，数字控制电路190会控制副载波产生电路170、数据帧产生电路200和选择器210，使副载波直接传给标准标签电路140，然后使传感器标签220返回约8ms的副载波，如图3所示。阅读器110收到副载波后解析出副载波频率是否和预期频率一致，如果不一致，阅读器按上面的步骤再一次进行校准配置，这样就形成了一个副载波的频率校准环路，从而使传感器标签工作在精准的副载波频率下。副载波频率配置流程及校准环路如图4所示。接下来，根据不同传感器配置要求，对传感器进行配置，如图5所示。阅读器110向传感器标签220发送传感器配置数据，该数据中包含要写入的地址和数据，标准标签电路140接收到信息后传给数字控制电路和寄存器190，该模块中的传感器控制寄存器收到信息后，会将数据传给传感器180进行传感器配置。一般传感器配置需要多条指令，所以多次操作依次将配置信息写入到传感器180中完成配置操作。接下来，按相同的方式依次对其他传感器标签一一进行配置。最后，使某一组所有的传感器标签同时并行返回传感器数据，如图6所示。使用其他会话条件如S3会话，阅读器110向传感器标签220发送含有分组数据（ZoneID）的选择命令（Select），在该会话条件下，如果存储模块150中分组数据（ZoneID）值和命令中的数据一致，则所有被选中的传感器标签脱离协议控制，执行数字控制电路和存储器190中的固定反应。该固定反应为将传感器180检测到的数据传给数据帧产生电路200，从而将传感器数据进行帧处理，数字控制电路和寄存器190会产生一个控制信号，控制选择器210只选择来自数据帧电路200的数据而忽略标准标签电路140中协议要输出的数据，选择器210将被帧处理后的传感器数据经过标准标签电路140中的射频部分持续不间断的反射出去。每个标签返回数据使用不同频率的副载波，这样返回的数据就不会相互干扰，阅读器110预存去除谐波干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于反向散射技术的多副载波多址无源无线传感系统，其特征在于，包括：阅读器（110），环形器（120），天线（130），由标准标签电路（140）、存储模块（150）、低压差线性稳压器（160）、副载波产生电路（170）、传感器（180）、数字控制电路和寄存器（190）、数据帧产生电路（200）和选择器（210）组成的传感器标签芯片（220、230、240）；其中，阅读器（110）和标准标签电路（140）中包含射频和协议基带部分用于实现两者间的正常通信功能；/n在标准射频识别通信协议框架下，使用其中一个会话条件，阅读器（110）对传感器标签（220）进行盘存操作，这样就和每个传感器标签建立起通信连接并知道每个标签的电子产品编码（EPC）数据；/n接下来，阅读器（110）给每个传感器标签（220）分配一个互不干扰的副载波通信信道；读写器（110）向传感器标签（220）中发送副载波配置数据，该数据中包含要写入的地址和数据，标准标签电路（140）接收到信息后传给数字控制电路和寄存器（190），该模块中的副载波控制寄存器收到信息后，对副载波产生电路（170）进行频率更改；与此同时，在标准标签电路（140）给阅读器（110）返回协议规定的写入操作状态前，数字控制电路（190）控制副载波产生电路（170）、数据帧产生电路（200）和选择器（210），使副载波直接传给标准标签电路（140），然后使传感器标签（220）返回约8ms的副载波；阅读器（110）收到副载波后解析出副载波频率是否和预期频率一致；如果不一致，阅读器（110）按上面的步骤再一次进行校准配置，这样形成一个副载波的频率校准环路，从而使传感器标签工作在精准的副载波频率下；/n接下来，根据不同传感器配置要求，对传感器进行配置；阅读器（110）向传感器标签（220）发送传感器配置数据，该数据中包含要写入的地址和数据，标准标签电路（140）接收到信息后传给数字控制电路和寄存器（190），该模块中的传感器控制寄存器收到信息后，将数据传给传感器（180）进行传感器配置；传感器配置需要多条指令，所以多次操作依次将配置信息写入到传感器（180）中完成配置操作；/n接下来，按相同的方式依次对其他传感器标签一一进行配置；/n最后，使某一组所有的传感器标签同时并行返回传感器数据；使用其他会话条件，阅读器（110）向传感器标签（220）发送含有分组数据的选择命令（Select），在该会话条件下，如果存储模块（150）中分组数据值和命令中的数据一致，则传感器标签脱离协议控制，执行数字控制电路和存储器（190）中的固定反应；该固定反应为将传感器（180）检测到的数据传给数据帧产生电路（200），从而将传感器数据进行帧处理，数字控制电路和寄存器（190）产生一个控制信号，控制选择器（210）只选择来自数据帧电路（200）的数据而忽略标准标签电路（140）中协议要输出的数据；选择器（210）将被帧处理后的传感器数据经过标准标签电路（140）中的射频部分持续不间断的反射出去；每个标签返回数据使用不同频率的副载波，这样返回的数据就不会相互干扰；阅读器（110）预存去除谐波干扰的算法，此时同步并行解析出所有传感器的数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于反向散射技术的多副载波多址无源无线传感系统，其特征在于，包括：阅读器（110），环形器（120），天线（130），由标准标签电路（140）、存储模块（150）、低压差线性稳压器（160）、副载波产生电路（170）、传感器（180）、数字控制电路和寄存器（190）、数据帧产生电路（200）和选择器（210）组成的传感器标签芯片（220、230、240）；其中，阅读器（110）和标准标签电路（140）中包含射频和协议基带部分用于实现两者间的正常通信功能；
在标准射频识别通信协议框架下，使用其中一个会话条件，阅读器（110）对传感器标签（220）进行盘存操作，这样就和每个传感器标签建立起通信连接并知道每个标签的电子产品编码（EPC）数据；
接下来，阅读器（110）给每个传感器标签（220）分配一个互不干扰的副载波通信信道；读写器（110）向传感器标签（220）中发送副载波配置数据，该数据中包含要写入的地址和数据，标准标签电路（140）接收到信息后传给数字控制电路和寄存器（190），该模块中的副载波控制寄存器收到信息后，对副载波产生电路（170）进行频率更改；与此同时，在标准标签电路（140）给阅读器（110）返回协议规定的写入操作状态前，数字控制电路（190）控制副载波产生电路（170）、数据帧产生电路（200）和选择器（210），使副载波直接传给标准标签电路（140），然后使传感器标签（220）返回约8ms的副载波；阅读器（110）收到副载波后解析出副载波频率是否和预期频率一致；如果不一致，阅读器（110）按上面的步骤再一次进行校准配置，这样形成一个副载波的频率校准环路，从而使传感器标签工作在精准的副载波频率下；
接下来，根据不同传感器配置要求，对传感器进行配置；阅读器（110）向传感器标签（220）发送传感器配置数据，该数据中包含要写入的地址和数据，标准标签电路（140）接收到信息后传给数字控制电路和寄存器（190），该模块中的传感器控制寄存器收到信息后，将数据传给传感器（180）进行传感器配置；传感器配置需要多条指令，所以多次操作依次将配置信息写入到传感器（180）中完成配置操作；
接下来，按相同的方式依次对其他传感器标签一一进行配置；
最后，使某一组所有的传感器标签同时并行返回传感器数据；使用其他会话条件，阅读器（110）向传感器标签（220）发送含有分组数据的选择命令（Select），在该会话条件下，如果存储模块（150）中分组数据值和命令中的数据一致，则传感器标签脱离协议控制，执行数字控制电路和存储器（190）中的固定反应；该固定反应为将传感器（180）检测到的数据传给数据帧产生电路（200），从而将传感器数据进行帧处理，数字控制电路和寄存器（190）产生一个控制信号，控制选择器（210）只选择来自数据帧电路（200）的数据而忽略标准标签电路（140）中协议要输出的数据；选择器（210）将被帧处理后的传感器数据经过标准标签电路（140）中的射频部分持续不间断的反射出去；每个标签返回数据使用不同频率的副载波，这样返回的数据就不会相互干扰；阅读器（110）预存去除谐波干扰的算...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐宽锋，王毛冬，张超，纪书江，闫娜，闵昊，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31