CN103024938A - 无源无线传感器网络节点的编码结构和识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为无源无线传感器网络节点的编码结构和识别方法，本编码结构为各传感器网络节点包括n个中心频率不同的声表面波谐振器，n≥2，各声表面波谐振器接0个或m个不同阻抗之一，m≥2。n个表面波谐振器和m个阻抗构成(m+1)n个不同的编码结构。声表面波谐振器留有外接端口、封装为节点基本件，经外接端口外接阻抗。本识别方法为汇集节点向传感器节点发射n个声表面波谐振器不同中心谐振频率的脉冲信号叠加的射频信号；各节点的声表面波谐振器接收汇集节点发射的信号，在其激励下谐振，其谐振脉冲信号返回汇集节点，汇集节点根据返回信号的频率组合识别各传感器节点的编码结构。本发明为外部编码结构，简单，量大，便于封装，识别迅速准确。

Description

无源无线传感器网络节点的编码结构和识别方法
技术领域
本发明涉及无源无线传感器网络技术，特别涉及一种基于声表面波谐振器的无源无线传感器网络节点的编码结构和识别方法。
背景技术
无线传感器网络是由分布在监测区域的大量的无线传感器网络节点组成的网络，此网络可以实时地监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，实现复杂的指定范围内目标的检测与跟踪。目前，无线传感器网络在环境信息监测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家庭环境安全与调控、工业生产控制、城市交通管理、抢险救灾、金融流通安全监控、商品流通监测以及危险区域远程控制等许多领域得到广泛的应用。
传感器网络节点一般采用电池供电方式进行数据采集、数据处理和数据的无线传输，由于传感器网络节点一般布置在危险、移动、环境恶劣等人类不易接触的地方，电池的更换和充电都非常困难，各种节能的方式虽然能延长电池的使用寿命，但是，对于某些需要长期监控的场合还是得定期更换电池，例如对于土壤湿度和温度的监测、对建筑物结构安全的监测、对机器设备工作运行状况的监测、对轮胎压力和温度的监测、对电机扭矩和温度的监测，都需要长期监测，电池的更换很麻烦。对处于运动或封闭空间的传感位置和易燃易爆有毒等危险场合，电池不易更换，利用电池供电的传感器网络就难以应用。
为了解决无线传感器网络节点供电的难题，2008年，Xiangwen Zhang和Fei-Yue Wang在Proceedings of 2008 IEEE International Conference onNetworking,Sensing and Control第1253-1258页上发表文章“基于声表面波谐振器的无源无线传感器网络的关键技术（Key Technologies of PassiveWireless Sensor Networks Based on Surface Acoustic Wave Resonators）”，提出利用声表面波谐振器组成传感器网络节点实现一种无源无线传感器网络。这种新型的传感器网络由声表面波谐振器构成传感器网络节点，各传感器网络节点的声表面波谐振器具有不同的中心频率，外部的射频收发器分别发射不同频率的射频信号，当发射的射频信号的频率与某一个传感器网络节点的声表面波谐振器的谐振频率相同时，返回的反射信号的幅值最强，根据返回信号的频率就可以识别传感器网络节点。传感器网络节点的编码结构由不同谐振频率的声表面波谐振器实现，但如果节点的数量多，需要编码的数量很大，声表面波谐振器的数量就会很庞大。并且对编码的识别过程也就很复杂，需要分时发射和接收不同频率的信号。依次发射各个传感器网络节点中心频率的信号，然后接收返回信号，根据返回信号幅值最大的信号的频率即可识别各传感器网络节点，这种编码结构识别的方法需要花费较多的时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种无源无线传感器网络节点的编码结构，各节点包括多个中心频率不同的声表面波谐振器，各表面波谐振器接不同的阻抗，构成多个不同中心频率组合的传感器网络节点编码结构。
本发明的另一目的是提供上述无源无线传感器网络节点的编码结构的识别方法，汇集节点发射叠加频率信号，各传感器网络节点的声表面波谐振器接收发射的叠加频率信号，当接收信号的频率与传感器网络节点中的某一个声表面波谐振器的中心频率一致时该声表面波谐振器谐振信号的幅值最大，当接收信号的频率与传感器网络节点中的声表面波谐振器的中心频率不一致时，该声表面波谐振器的谐振信号幅值较小，各传感器网络节点的谐振信号叠加后返回汇集节点，汇集节点接收后分析，根据返回信号的频率组合识别传感器网络节点的编码结构。
声表面波谐振器的中心谐振频率受外接阻抗的影响，当外接阻抗变化，声表面波谐振器的中心谐振频率会发生变化，通过改变外接阻抗就可以改变声表面波谐振器的中心谐振频率。相同的声表面波谐振器连接不同的外接阻抗构成的编码结构的中心谐振频率不同。当有多个不同的外接阻抗与多个不同的声表面波谐振器一对一组合，就可得到多个不同的中心频率的声表面波谐振器与外接阻抗组合，即构成多个不同的传感器网络节点的编码结构。
汇集节点发射相互正交的叠加频率信号，各传感器网络节点接收汇集节点发射的信号后，各传感器网络节点的声表面波谐振器发生谐振。虽然外接阻抗引起声表面波谐振器谐振频率的变化范围较小，但因汇集节点发射的射频脉冲信号是相互正交的叠加脉冲信号，相互之间的频率差别较大，该正交叠加的频率信号可以激励各声表面波谐振器发生谐振，当声表面波谐振器接收到的信号频率与其中心频率一致时，该声表面波谐振器的谐振信号幅值最大；当声表面波谐振器接收到的信号频率与其中心频率不一致时，该声表面波谐振器的谐振信号幅值较小。各传感器网络节点的声表面波谐振器的谐振信号叠加后通过无线方式返回汇集节点，汇集节点通过无线收发器接收各传感器网络节点的信号，分析接收信号的频谱特性，将不同编码的频率叠加信号的频谱与接收信号的频谱进行自相关分析，识别传感器网络节点的编码信息。
本发明设计的无源无线传感器网络节点的编码结构，各传感器网络节点包括n个中心频率不同的声表面波谐振器，n≥2，各声表面波谐振器接0或1个不同的阻抗，所述阻抗为m个不同阻抗之一，m≥2。n个表面波谐振器和m个阻抗构成传感器网络节点(m+1)n个不同的编码结构，即中心谐振频率不同的传感器网络节点。
n个中心频率不同的声表面波谐振器封装为传感器网络节点基本件，各个声表面波谐振器均留有外接端口，经外接端口连接外接阻抗。
上述本发明设计的无源无线传感器网络节点编码结构的识别方法，包括如下步骤：
Ⅰ、汇集节点的无线收发器向传感器网络节点发射n个声表面波谐振器不同中心谐振频率的脉冲信号叠加的射频脉冲信号；
n个声表面波谐振器不同中心谐振频率的脉冲信号相互正交，以保证相互之间不存在相互影响。
Ⅱ、各传感器网络节点的声表面波谐振器接收步骤Ⅰ汇集节点发射的射频脉冲信号，在其激励下发生谐振，并向外发射谐振脉冲信号，各传感器网络节点的声表面波谐振器因外接阻抗的不同而中心频率不同，所产生的谐振脉冲信号频率和幅值不同，各传感器网络节点的声表面波谐振器的谐振脉冲信号传播时自动叠加返回至汇集节点；
受外接电阻的影响声表面波谐振器中心谐振频率的改变并不大，当汇集节点发射的脉冲频率与声表面波谐振器当前的中心谐振频率不完全一致，也可以激励声表面波谐振器发生谐振，虽然谐振的幅值稍小于最大谐振峰值，但不影响返回谐振脉冲信号频率的检测。
Ⅲ、汇集节点接收各传感器网络节点返回的谐振脉冲信号，根据返回的谐振脉冲信号的频谱特性分析其频率组合形式，通过对返回的谐振脉冲信号频谱与不同编码结构的中心谐振频率脉冲信号的频谱进行相关性分析，识别返回的谐振脉冲信号来自于哪一个编码结构的传感器网络节点，识别传感器网络节点。
与现有技术相比，本发明无源无线传感器网络节点编码结构和识别方法的有益效果：1、简单地直接改变声表面波谐振器的外接阻抗就可以实现传感器网络节点的不同编码结构，是一种外部编码结构，多个声表面波谐振器可统一设计和封装，无需改变封装的声表面波谐振器的内部结构，就可实现传感器网络节点的不同编码结构，减少了设计与封装的难度，不同编码结构的实现简便灵活；2、不同的编码结构数量可极大，便于实现大规模的无线传感器网络的传感器网络节点编码；3、由于正交频率相互叠加不存在相互影响，汇集节点一次可发射多个声表面波谐振器中心频率叠加的射频脉冲信号，一次接收各传感器网络节点返回的谐振信号，就实现了各传感器网络节点编码结构的识别，简化了识别过程和收发信号的控制逻辑，缩短了收发信号的时间和编码识别的时间，降低了返回信号相互之间的干扰，编码的识别迅速准确。
附图说明
图1～图9为本无源无线传感器网络节点的编码结构实施例所得的9种不同编码结构；
图10为本无源无线传感器网络节点的编码结构识别方法实施例汇集节点的发射脉冲波形。
图11～图19为本无源无线传感器网络节点的编码结构识别方法实施例对应图1～图9不同编码结构的各传感器网络节点返回的谐振脉冲的波形图与频谱特性图。
具体实施方式
无源无线传感器网络节点的编码结构实施例
本例中各传感器网络节点包括2个中心频率不同的声表面波谐振器，分别记为SAWR1和SAWR2，其中心谐振频率分别为f01和f02。各表面波谐振器不接阻抗或者接2个不同阻抗之一。两个外接阻抗分别记为R1和R2，其引起声表面波谐振器的中心频率偏移分别是Δf和-Δf。第一个声表面波谐振器SAWR1与第一个外接阻抗R1相连，得到的传感器网络节点的编码结构中心谐振频率为f01+Δf，第一个声表面波谐振器SAWR1与第二个外接阻抗R2相连，得到传感器网络节点的编码结构的中心谐振频率为f01-Δf，第二个声表面波谐振器SAWR2与第一个外接阻抗R1相连，得到的中心谐振频率为f02+Δf，第二个声表面波谐振器SAWR2与第二个外接阻抗R2相连，得到的中心谐振频率为f02-Δf。如图1～图9所示，2个表面波谐振器和2个外接阻抗构成(2+1)2=9个中心频率不同的传感器网络节点的编码结构，如表1所列，其编码结构即图1～图9所示。
表12个声表面波谐振器与2个外接阻抗构成的编码结构组合表
序号 声表面波谐振器与外接阻抗组合 声表面波谐振器的中心谐振频率组合
1 SAW1，SAW2 f01，f02
2 SAW1，SAW2+R1 f01,f02+Δf
3 SAW1，SAW2+R2 f01,f02-Δf
4 SAW1+R1，SAW2 f01+Δf,f02
5 SAW1+R1，SAW2+R1 f01+Δf,f02+Δf
6 SAW1+R1，SAW2+R2 f01+Δf,f02-Δf
7 SAW1+R2，SAW2 f01-Δf,f02
8 SAW1+R2，SAW2+R1 f01-Δf,f02+Δf
9 SAW1+R2，SAW2+R2 f01-Δf,f02-Δf
2个中心频率不同的声表面波谐振器SAWR1和SAWR2封装为传感器网络节点基本件，2个声表面波谐振器均留有外接端口，经外接端口连接外接阻抗。
无源无线传感器网络节点编码结构的识别方法实施例
本例为上述无源无线传感器网络节点的编码结构实施例的识别方法，包括如下步骤：
Ⅰ、汇集节点的无线收发器向传感器网络节点发射2个声表面波谐振器不同中心谐振频率的脉冲信号叠加的射频脉冲信号，图10所示，虚线为第一个声表面波谐振器SAWR1的中心谐振频率f01的脉冲信号,实线为第二个声表面波谐振器SAWR2的中心谐振频率f02的脉冲信号，点连线为二者叠加的脉冲信号。
2个声表面波谐振器不同中心谐振频率的脉冲信号相互正交，以保证叠加的信号中两个脉冲信号的特征不存在相互影响。
Ⅱ、各传感器网络节点的声表面波谐振器，接收步骤Ⅰ汇集节点发射的叠加脉冲信号，在其激励下发生谐振，并向外发射谐振脉冲信号，各传感器网络节点的声表面波谐振器因外接阻抗的不同中心频率不同，所产生的谐振脉冲信号频率和幅值不同，当声表面波谐振器的中心谐振频率与接收到的脉冲信号的频率一致时，谐振幅值最大，否则谐振幅值较小，图1～图9所示的9种不同编码结构的传感器网络节点返回的谐振脉冲信号的波形和频谱特性如图11～图19所示。各个声表面波谐振器的谐振脉冲信号叠加后返回至汇集节点；
Ⅲ、汇集节点接收各传感器网络节点返回的谐振脉冲信号，根据返回的谐振脉冲信号的频谱特性分析其频率组合形式。
各个传感器网络节点返回的谐振脉冲信号的波形是不同的，通过傅里叶变换进行频谱分析得到各个传感器网络节点返回的谐振脉冲信号包含的频率组合，分别求解九个返回脉冲信号频谱，并求得与已知的9种中心谐振频率编码结构的脉冲信号频谱的自相关系数，从而识别所得的返回谐振脉冲信号是来自哪个传感器网络节点，即识别传感器网络节点的编码结构。
在汇集节点发射叠加脉冲信号和接收各传感器网络节点返回的谐振脉冲信号时，汇集节点依次改变其天线的方向，针对不同方向的传感器网络节点发射和接收信号，然后进行传感器网络节点编码结构的识别。各传感器网络节点的位置是固定的，由于传感器网络节点均为无源传感器，不需要电池供电，传感器网络节点位置事先布局并固定。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.无源无线传感器网络节点的编码结构，各传感器网络节点包括n个中心频率不同的声表面波谐振器，n≥2，各声表面波谐振器接0或1个不同的阻抗，所述阻抗为m个不同阻抗之一，m≥2；n个声表面波谐振器和m个阻抗构成传感器网络节点的(m+1)n个不同编码结构。
2.根据权利要求1所述的无源无线传感器网络节点的编码结构，其特征在于：
所述n个中心频率不同的声表面波谐振器封装为传感器网络节点基本件，各个声表面波谐振器均留有外接端口，经外接端口连接外接阻抗。
3.根据权利要求1或2所述的无源无线传感器网络节点的编码结构的识别方法，其特征在于包括如下步骤：
Ⅰ、汇集节点的无线收发器向传感器网络节点发射n个声表面波谐振器不同中心谐振频率的脉冲信号叠加的射频脉冲信号；
n个声表面波谐振器不同中心谐振频率的脉冲信号相互正交；
Ⅱ、各传感器网络节点的声表面波谐振器接收步骤Ⅰ汇集节点发射的射频脉冲信号，在其激励下发生谐振，并向外发射谐振脉冲信号，各传感器网络节点的声表面波谐振器因外接阻抗的不同中心频率不同，所产生的谐振脉冲信号频率和幅值不同，各个声表面波谐振器的谐振脉冲信号叠加后返回至汇集节点；
Ⅲ、汇集节点接收各传感器网络节点返回的谐振脉冲信号，根据返回的谐振脉冲信号的频谱特性分析其频率组合形式，通过对返回的谐振脉冲信号频谱与不同编码结构的中心谐振频率脉冲信号的频谱进行相关性分析，识别返回的谐振脉冲信号来自于哪一个编码结构的传感器网络节点。
4.根据权利要求3所述的无源无线传感器网络节点的编码结构的识别方法，其特征在于：
所述步骤Ⅲ中对各个传感器网络节点返回的谐振脉冲信号的频谱特性分析是通过傅里叶变换进行频谱分析得到各个传感器网络节点返回的谐振脉冲信号包含的频率组合，分别求解各个返回的谐振脉冲信号的频谱，并求得与已知的各编码结构的中心谐振频率编码结构的脉冲信号频谱的自相关系数，从而识别传感器网络节点。
5.根据权利要求3所述的无源无线传感器网络节点的编码结构的识别方法，其特征在于：
所述步骤Ⅰ和Ⅲ中汇集节点发射叠加脉冲信号和接收各传感器网络节点返回的谐振脉冲信号时，汇集节点依次改变其天线的方向，针对不同方向的传感器网络节点发射和接收信号，然后进行传感器网络节点编码结构的识别。
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