CN101452517A - 无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法，无线无源射频传感系统主要由单个阅读器和多个传感器节点组成，节点的应答采用地址码一位应答的方式，较二叉树及其改进方法相比，节点不用发送大量的地址码，可以有效的降低地址码的误码率；该一位应答方式采用基于断点的方法，不但在一个周期内完成所有节点的识别，而且可以在查询节点的同时读取传感器测量值，实现单条查询指令完成所有传感器节点测量值读取和地址冲突检测功能，效率很高。本发明减少了应答器应答的位数，降低了误码率，并实现单条查询指令完成所有传感器节点测量值读取和地址冲突检测功能。

Description

无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法

技术领域

本发明涉及无线无源传感技术，尤其涉及一种无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法。

背景技术

无线无源传感器的研究目前还处于起步阶段，具有相当大的潜力。虽然无线有源传感技术已经较为成熟，但是由于电池电量有限，且寿命受环境的影响较大，因此，传感器标签的无源化是无线传感器系统的一个理想的发展趋势，并且已经开始出现。

目前无线无源传感器的产品及研究主要是声表面波(SAW)传感器。无线无源SAW传感器是利用SAW在压电基底表面传播时，压电基片表面的物理特性的改变引起SAW传播特性的变化的原理工作的，被测参数体现在返回电磁波信号当中，以模拟的形式返回收发器。无线无源SAW传感器对于传感器设计的要求及依赖很高。

相对而言，RFID标签式的无线无源传感器的应用将更加灵活，传感器节点的成本也可以更低，这类产品可用于环境监测、食物或水的安全检测、容器内参数的测量等。例如将该感应器标签粘贴在牛奶纸盒上，通过外壳测量牛奶中细菌的含量，依据这些数据可以用来判定牛奶是否变质。

对RFID冲突问题的解决一般有4种方式：TDMA时分多址、SDMA空分多址、FDMA频分多址、CDMA码分多址。其中，TDMA时分多址方式由于应用简单，容易实现大量标签的读写，所以被多数防冲撞方法采用。现有的RFID系统多标签冲突解决方案主要包括ALOHA方法和二叉树方法两种。其中Aloha方法又可分为纯Aloha、时隙Aloha(Slotted Aloha)、帧隙Aloha(Frame-slottedAloha)。但是ALOHA方法的随机性较大，当大量标签并存时，帧冲突严重，引起性能急剧恶化，理论性能也不如二叉树方法。二叉树方法包括动态二进制方法、后退式二叉树搜索方法以及其他形式优化的二叉树方法等，但是二叉树方法应答时序较长，而且容易产生误码。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法，无线无源射频传感系统主要由单个阅读器和多个传感器节点组成，阅读器和传感器节点均包括控制器，控制器带有n位计数器，该方法包括以下步骤：

(1)阅读器通过电磁感应给传感器节点无线供电，初始化传感器节点，使节点出于空闲状态；

(2)阅读器发查地址号指令，空闲状态的节点收到指令后清零n位计数器，进入监听计数状态；

(3)阅读器发送逻辑位序列，同时阅读器的n位计数器从0开始累加发送的逻辑位个数。处于监听计数状态节点监听逻辑位，n位计数器从0开始累加接收到的逻辑位个数；

(4)当节点的n位计数器的值累加到和地址号相等时，该节点发送一个一位应答信号。阅读器收到应答信号后，保存当前n位计数器值，即该响应节点的地址号，并根据用户选择的命令进行相应的处理，而后继续发送逻辑位序列并计数；

(5)处于监听计数状态的节点收到暂停计数指令，进入暂停计数状态；

(6)处于暂停计数状态的节点收到读随机数指令或读数据指令，判断n位计数器值与地址号是否相等，若不相等则不动作，若相等则发送随机数或数据；

(7)处于暂停计数状态的节点收到继续计数指令，进入监听计数状态；

(8)阅读器逻辑位序列发送完毕，即n位计数器达到用户设定的最大值，发送结束查号指令。节点n位计数器满或接收到结束查号指令后结束查询，进入空闲状态。

本发明的有益效果是：

1、降低误码率，节点的应答采用地址码“一位应答”的方式，较二叉树及其改进方法相比，节点不用发送大量的地址码，可以有效的降低地址码的误码率。

2、指令效率高，该“一位应答”方式采用基于断点的方法，不但在一个周期内完成所有节点的识别，而且可以在查询节点的同时读取传感器测量值，实现单条查询指令完成所有传感器节点测量值读取和地址冲突检测功能，效率很高。

3、查询效率不受节点数目影响，本发明不存在ALOHA方法的随机性问题，节点数的增加对于查询效率几乎没有影响，节点数越多节点平均查询时间越短。

4、逻辑简单，容易实现，该查询方法的指令及节点状态少，识别过程的逻辑简单，使用资源较少，容易实现。

5、降低节点功耗，本发明将主要的数据处理及控制任务交于阅读器，减少了节点的数据处理量和数据发送量，节点的方法复杂度很低，降低了节点功耗。

附图说明

图1是本发明阅读器和传感器节点的无线供电和通信的示意图；

图2是本发明中阅读器的结构示意图；

图3是本发明中传感器节点的结构示意图；

图4是本发明防冲突数据传输方法的一次查询过程中阅读器的执行框图；

图5是图1中进行相应的处理方框针对含地址号冲突检测的地址号查询功能的具体执行框图；

图6是图1中进行相应的处理方框针对含数据读取的地址号查询功能的具体执行框图；

图7是本发明防冲突数据传输方法中传感器节点的状态转换框图；

图8是本发明防冲突数据传输方法的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

该方法具体应用于单个阅读器和多个传感器节点组成的无线无源射频传感系统中，如图1所示。阅读器通过阅读器线圈发射能量和信号，传感器节点的节点线圈与阅读器线圈耦合，以电磁感应的方式获取能量和信号，并以副载波调制的方式通过节点线圈将信号发给阅读器。

阅读器由控制器、通信接口、半桥逆变控制芯片、半桥逆变电路、直流源、阅读器线圈、选频放大电路和解调电路构成，它们的结构示意图如图2所示。其中控制器需带有一个n位计数器，具体可选用AVR系列的ATMAGE48单片机，阅读器与传感器节点通信的编码和解码也由控制器完成，可采用2Kbit/s的曼彻斯特编码。通信接口可选用RS232串行通信接口，用于和计算机通信。半桥逆变控制芯片可选用UC3825，输出频率可为1.0MHz，信号调制采用10％的ASK调制，由控制器控制半桥逆变控制芯片实现。阅读器线圈可选用LC并联谐振电路，谐振频率为逆变电路输出频率。选频放大电路和解调电路用于解调节点发出的副载波调制信号，选频放大电路的选择频率为副载波频率，如0.875MHz。

传感器节点有控制器、传感器、n位地址号，节点线圈、稳压电源、解调电路、分频器和副载波调制电路构成，它们的连接示意图如图3所示。其中控制器需带有一个n位计数器，具体可选用AVR系列的ATTINY24单片机，传感器节点与阅读器通信的编码和解码也由控制器完成。传感器可选用DALLAS公司的单线总线数字传感器，如DS18B20。n位地址号可采用拨码开关，由用户设定并更改。节点线圈可选用LC并联谐振电路。稳压电源包括整流、滤波和稳压电路，用于给传感器节点的电路供电。解调电路用于解调阅读器发出的10％的ASK调制信号。分频器和副载波调制电路用于将控制器要发送的信号进行副载波调制，分频器可选用8分频，则对于1.0MHz的接收信号，副载波调制信号的频率为0.875MHz和1.125MHz。传感器节点的状态转换框图如图7所示。

应用时首先用户应设定每个传感器节点的地址号及阅读器查询的最大值。节点地址号的设定在便于用户识别和分辨的基础上，应以最大的地址号尽量小为最佳，这样可以减少查询和读取的时间，阅读器查询的最大值必须大于节点最大的地址号，默认查询最大值为2ⁿ。

如图4所示，本发明的无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法，包括以下步骤：

步骤一，阅读器通过电磁感应给传感器节点无线供电，初始化传感器节点，使节点出于空闲状态。

步骤二，阅读器发查地址号指令，空闲状态的节点收到指令后清零n位计数器，进入监听计数状态。

步骤三，阅读器发送逻辑位序列，同时阅读器的n位计数器从0开始累加发送的逻辑位个数。处于监听计数状态节点监听逻辑位，n位计数器从0开始累加接收到的逻辑位个数。

步骤四，当节点的n位计数器的值累加到和地址号相等时，该节点发送一个“一位应答”信号。阅读器收到应答信号后，保存当前n位计数器值，即该响应节点的地址号，并根据用户选择的命令进行相应的处理，而后继续发送逻辑位序列并计数。

其中用户选择的命令包括快速地址号查询，含地址号冲突检测的地址号查询和含数据读取的地址号查询3种。

当命令为快速地址号查询时，相应的处理为不做处理。

当命令为含地址号冲突检测的地址号查询时，相应的处理步骤为：

a.阅读器发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。

b.阅读器发读随机数指令，所有节点收到指令，判断n位计数器值与地址号是否相等，若不相等则不动作，若相等则生成并发送一个m位随机数。

c.阅读器判断随机数是否有数据冲突，若没有则不动作，若有则说明工作范围内有地址码冲突的节点，阅读器记录下该地址码。

d.阅读器发送继续计数指令，所有节点进入监听计数状态。

当命令为含数据读取的地址号查询时，相应的处理步骤为：

a.阅读器发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。

b.阅读器发读数据指令，所有节点收到指令，判断n位计数器值与地址号是否相等，若不相等则不动作，若相等则发送传感检测的数据。

c.阅读器判断随机数是否有数据冲突，若没有则不动作，若有则说明工作范围内有地址码冲突的节点，阅读器记录下该地址码。

d.阅读器发送继续计数指令，所有节点进入监听计数状态。

步骤五，处于监听计数状态的节点收到暂停计数指令，进入暂停计数状态。

步骤六，处于暂停计数状态的节点收到读随机数指令或读数据指令，判断n位计数器值与地址号是否相等，若不相等则不动作，若相等则发送随机数或数据。

步骤七，处于暂停计数状态的节点收到继续计数指令，进入监听计数状态。

步骤八，阅读器逻辑位序列发送完毕，即n位计数器达到用户设定的最大值，发送结束查号指令。节点n位计数器满或接收到结束查号指令后结束查询，进入空闲状态。

实施例

如图8所示，假设传感器节点拥有一个8位地址号，4位随机数和8位计数器，传感检测数据为12位。阅读器工作范围内有4个传感器节点，它们的地址已设定，分别为一号00000011(十进制3)，二号00001100(十进制12)，三号01101000(十进制104)，四号00001100(十进制12)，其中二号和四号地址号冲突。阅读器查询的最大值为默认的2⁸即256。阅读器的逻辑位序列采用曼彻斯特编码的逻辑1序列。节点的“一位应答”信号为一位逻辑1。用户可选择快速地址号查询、含地址号冲突检测的地址号查询和含数据读取的地址号查询3种功能，选择快速地址号查询时，节点没有暂停计数状态。

当用户选择快速地址号查询功能时，步骤如下：

1.阅读器通过电磁感应给传感器节点无线供电，初始化传感器节点，使4个节点出于空闲状态。

2.阅读器发查地址号指令，4个节点收到指令后清零各自的8位计数器，进入监听计数状态。

3.阅读器发送逻辑位序列，同时阅读器的8位计数器从0开始累加发送的逻辑位个数。4个节点监听逻辑位，节点8位计数器从0开始累加接收到的逻辑位个数。

4.当阅读器发送完3个逻辑1，阅读器和各节点的8位计数器累加到3，一号节点的8位计数器值和地址号相等，发送一个“一位应答”信号，即一位逻辑1，并继续监听计数。

5.阅读器接收到“一位应答”信号，保存当前8位计数器值3为一个节点的地址号，并继续发送逻辑位序列。

6.当阅读器发送完12个逻辑1，阅读器和各节点的8位计数器累加到12，二号和四号节点的8位计数器值和地址号相等，发送一个“一位应答”信号，即一位逻辑1，并继续监听计数。

7.阅读器接收到“一位应答”信号，保存当前8位计数器值12为一个节点的地址号，并继续发送逻辑位序列。

8.当阅读器发送完104个逻辑1，阅读器和各节点的8位计数器累加到104，三号和四号节点的8位计数器值和地址号相等，发送一个“一位应答”信号，即一位逻辑1，并继续监听计数。

9.阅读器接收到“一位应答”信号，保存当前8位计数器值104为一个节点的地址号，并继续发送逻辑位序列.。

10.阅读器发完256个逻辑1，发送结束查号指令，节点的8位计数器溢出，4个节点进入空闲状态。阅读器返回查询结果，查询结束。

当用户选择含地址号冲突检测的地址号查询功能时，如图5所示，上述步骤的4到步骤的10变为：

4.当阅读器发送完3个逻辑1，阅读器和各节点的8位计数器累加到3，一号节点的8位计数器值和地址号相等，发送一个“一位应答”信号，即一位逻辑1，并继续监听。

5.阅读器接收到“一位应答”信号，保存当前8位计数器值3为一个节点的地址号，发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。阅读器发读随机数指令，所有节点判断8位计数器值与地址号是否相等，二号三号四号不相等则不动作，一号相等则生成并以曼彻斯特码发送4位随机数，假设为0100。阅读器判断随机数没有数据冲突，则不动作。阅读器发送继续计数指令，并继续发送逻辑位序列。所有节点进入监听计数状态，继续计数。

6.当阅读器发送完12个逻辑1，阅读器和各节点的8位计数器累加到12，二号和四号节点的8位计数器值和地址号相等，发送一个“一位应答”信号，即一位逻辑1，并继续监听。

7.阅读器接收到“一位应答”信号，保存当前8位计数器值12为一个节点的地址号，发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。阅读器发读随机数指令，所有节点判断8位计数器值与地址号是否相等，一号四号不相等则不动作，二号三号相等则生成并以曼彻斯特码发送4位随机数，假设分别为0011和0101。阅读器判断随机数有冲突，记录下当前8位计数器值12为冲突地址。阅读器发送继续计数指令，并继续发送逻辑位序列。所有节点进入监听计数状态，继续计数。

8.当阅读器发送完104个逻辑1，阅读器和各节点的8位计数器累加到104，三号和四号节点的8位计数器值和地址号相等，发送一个“一位应答”信号，即一位逻辑1，并继续监听。

9.阅读器接收到“一位应答”信号，保存当前8位计数器值104为一个节点的地址号，发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。阅读器发读随机数指令，所有节点判断8位计数器值与地址号是否相等，一号二号四号不相等则不动作，三号相等则生成并以曼彻斯特码发送4位随机数，假设为1100。阅读器判断随机数没有数据冲突，则不动作。阅读器发送继续计数指令，并继续发送逻辑位序列。所有节点进入监听计数状态，继续计数。

10.阅读器发完256个逻辑1，发送结束查号指令，节点的8位计数器溢出，4个节点进入空闲状态。阅读器返回查询结果，显示地址为12，即00001100的节点有地址冲突。查询结束。

当用户选择含数据读取的地址号查询功能时，如图6所示，上述步骤的4到步骤的10变为：

4.当阅读器发送完3个逻辑1，阅读器和各节点的8位计数器累加到3，一号节点的8位计数器值和地址号相等，发送一个“一位应答”信号，即一位逻辑1，并继续监听。

5.阅读器接收到“一位应答”信号，保存当前8位计数器值3为一个节点的地址号，发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。阅读器发读数据指令，所有节点判断8位计数器值与地址号是否相等，二号三号四号不相等则不动作，一号相等则生成并以曼彻斯特码发送12位传感检测数据，假设为001100010100。阅读器判断数据没有冲突，则保存数据。阅读器发送继续计数指令，并继续发送逻辑位序列。所有节点进入监听计数状态，继续计数。

6.当阅读器发送完12个逻辑1，阅读器和各节点的8位计数器累加到12，二号和四号节点的8位计数器值和地址号相等，发送一个“一位应答”信号，即一位逻辑1，并继续监听。

7.阅读器接收到“一位应答”信号，保存当前8位计数器值12为一个节点的地址号，发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。阅读器发读数据指令，所有节点判断8位计数器值与地址号是否相等，一号四号不相等则不动作，二号三号相等则生成并以曼彻斯特码发送12位传感检测数据，假设分别为001010110010和100101000110。阅读器判断数据有冲突，记录下当前8位计数器值12为冲突地址。阅读器发送继续计数指令，并继续发送逻辑位序列。所有节点进入监听计数状态，继续计数。

8.当阅读器发送完104个逻辑1，阅读器和各节点的8位计数器累加到104，三号和四号节点的8位计数器值和地址号相等，发送一个“一位应答”信号，即一位逻辑1，并继续监听。

9.阅读器接收到“一位应答”信号，保存当前8位计数器值104为一个节点的地址号，发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。阅读器发读数据指令，所有节点判断8位计数器值与地址号是否相等，一号二号四号不相等则不动作，三号相等则生成并以曼彻斯特码发送12位传感检测数据，假设为010001001001。阅读器判断数据没有冲突，则保存数据。阅读器发送继续计数指令，并继续发送逻辑位序列。所有节点进入监听计数状态，继续计数。

10.阅读器发完256个逻辑1，发送结束查号指令，节点的8位计数器溢出，4个节点进入空闲状态。阅读器返回查询结果，显示地址为12，即00001100的节点有地址冲突。查询结束。

Claims (5)

1.一种无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法，无线无源射频传感系统主要由单个阅读器和多个传感器节点组成，阅读器和传感器节点均包括控制器，控制器带有n位计数器，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)阅读器通过电磁感应给传感器节点无线供电，初始化传感器节点，使节点出于空闲状态。

(2)阅读器发查地址号指令，空闲状态的节点收到指令后清零n位计数器，进入监听计数状态。

(3)阅读器发送逻辑位序列，同时阅读器的n位计数器从0开始累加发送的逻辑位个数。处于监听计数状态节点监听逻辑位，n位计数器从0开始累加接收到的逻辑位个数。

(4)当节点的n位计数器的值累加到和地址号相等时，该节点发送一个一位应答信号。阅读器收到应答信号后，保存当前n位计数器值，即该响应节点的地址号，并根据用户选择的命令进行相应的处理，而后继续发送逻辑位序列并计数。

(5)处于监听计数状态的节点收到暂停计数指令，进入暂停计数状态。

(6)处于暂停计数状态的节点收到读随机数指令或读数据指令，判断n位计数器值与地址号是否相等，若不相等则不动作，若相等则发送随机数或数据。

(7)处于暂停计数状态的节点收到继续计数指令，进入监听计数状态。

(8)阅读器逻辑位序列发送完毕，即n位计数器达到用户设定的最大值，发送结束查号指令。节点n位计数器满或接收到结束查号指令后结束查询，进入空闲状态。

2.根据权利要求1所述无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述用户选择的命令为快速地址号查询，含地址号冲突检测的地址号查询或含数据读取的地址号查询。

3.根据权利要求2所述无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述用户选择的命令为快速地址号查询，所述相应的处理为不做处理。

4.根据权利要求2所述无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述用户选择的命令为含地址号冲突检测的地址号查询，所述相应的处理具体包括：

(a)阅读器发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。

(b)阅读器发读随机数指令，所有节点收到指令，判断n位计数器值与地址号是否相等，若不相等则不动作，若相等则生成并发送一个m位随机数。

(c)阅读器判断随机数是否有数据冲突，若没有则不动作，若有则说明工作范围内有地址码冲突的节点，阅读器记录下该地址码。

(d)阅读器发送继续计数指令，所有节点进入监听计数状态。

5.根据权利要求2所述无线无源射频传感系统的防冲突数据传输方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述用户选择的命令为含数据读取的地址号查询，所述相应的处理具体包括：

(a)阅读器发送暂停计数指令，所有节点暂停计数。

(b)阅读器发读数据指令，所有节点收到指令，判断n位计数器值与地址号是否相等，若不相等则不动作，若相等则发送传感检测的数据。

(c)阅读器判断随机数是否有数据冲突，若没有则不动作，若有则说明工作范围内有地址码冲突的节点，阅读器记录下该地址码。

(d)阅读器发送继续计数指令，所有节点进入监听计数状态。

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