CN106230468A - 一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：包括无线传感器节点和基站；所述无线传感器节点包括传感器模块、微控制模块、通信模块、电源模块；微控制模块分别连接传感器模块、通信模块和电源模块；所述电源模块分别连接传感器模块、微控制模块、通信模块；所述基站包括控制模块和通信模块；所述控制模块连接通信模块。本发明基于超宽带技术的无线传感器网络系统具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、保密性好、发送功率非常小、定位精度高等优点，弥补无线传感器网络的缺点，提高无线传感器网络系统的传输效率。

Description

一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其是一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统。

背景技术

无线传感器网络由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成，是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合性智能化信息系统，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用对人类生活和生产的各个领域有着深远的影响和意义。

无线传感器网络由大量小体积、低成本、具有独立无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成。但具有以下几个方面的局限性：第一是传输能力的有限性，无线传感器网络通过无线电波进行数据传输，虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷，同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减；第二是能量的限制，为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适，每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外汲取能量；第三是安全性的问题，无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。

超宽带无线通信技术能够弥补无线传感器网络的缺点，特别是在密集多径环境下具有空间传输容量大、传输速率高、对多径的分辨能力强、功率谱密度低等独特优势,使得超宽带技术在无线传感器网络中有着巨大的应用潜能。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、保密性好、发送功率非常小、定位精度高的一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，包括无线传感器节点和基站；所述无线传感器节点包括传感器模块、微控制模块、通信模块、电源模块；微控制模块分别连接传感器模块、通信模块和电源模块；所述电源模块分别连接传感器模块、微控制模块、通信模块；所述基站包括控制模块和通信模块；所述控制模块连接通信模块。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述传感器模块包括无线传感器和模数转换器。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述微控制模块包括数据存储单元、定位单元、能量管理单元、处理单元；所述处理单元分别连接数据存储单元、定位单元、能量管理单元。

以上结构微控制模块中含有定位单元，可以使基站与节点之间的传输更具有针对性，更方便于它们之间的通信传输。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述电源模块包括充电装置和非充电电池。

以上结构中包括两种电源供给方式，非充电电池可以给节点中的所有模块进行供能，同时充电装置可以及时给电池充电，防止节点由于能量用完而停止工作，延长节点的使用寿命。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述通信模块为收发机，收发机接收部分包括依次连接的超宽带天线、低噪声放大器、双输入端混频器、低通滤波器和解调器。

以上结构收发机接收部分中，低噪声放大器将接收到的微弱信号进行前置放大和一次带通滤波，混频器电路将接收到的信号频率由射频转换为中频，以方便信号被解调出来，同时增加滤波器对信号进行过滤，达到去噪的目的，经滤波器滤波后的信号经解调器将信号解调出数据信号和时钟信号。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述收发机发射部分包括数模转换器、低通滤波器、双输入端混频器、射频功率放大器和超宽带天线，依次连接。

以上收发机发射部分中，数模转换器将接收的信号转化为数字信号，经过滤波器的滤波，去除噪声，双输入端混频器将调制的中频信号搬移到射频段，再经过功率放大器的放大，由天线发射信号，进行传输。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述微控制模块采用的是MSP430超低功耗系列处理器，所述混频器采用双平衡型吉尔伯特混频器，所述低噪声放大器采用NMOS共源极、共栅极工艺结构。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述超宽带天线为超宽带微带馈电宽槽天线，包括薄介质基片，薄介质基片一面附上金属薄层作为接地板，薄介质基片另一面用光刻做成矩形金属片，其内部有由两个半椭圆构成的不规则圆，同时接地板上与不规则圆对应位置处刻有不规则圆缝隙，用微带线对缝隙馈电。

以上超宽带天线，其馈电结构能够避免电流分布突变，减小天线的反射，使得天线在整个频段内有很好的阻抗匹配。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，还包括超宽带发射信号与接收信号同步的方法，所述同步的方法包括以下几个步骤：

步骤一：在接收端将接收到的信号与本地产生的样本信号在第一相关器内相关，输出值Z1与信号检测门限TD1比较，如果输出值Z1大于信号检测门限TD1，对信号检测门限TD1、信号分类门限TC1进行更新，不改变本地PN码的相位，启动第二个相关器；如果输出值Z1小于信号检测门限TD1，将输出值Z1与信号分类门限TC1比较；

步骤二：如果输出值Z1大于信号分类门限TC1，不改变本地PN码的相位，启动第二个相关器；如果输出值Z1小于信号分类门限TC1，正确相位块计数器Cn进行加1操作；

步骤三：如果正确相位块计数器Cn大于CN，在捕获到的相位块内进行传统的滑动相关搜索；如果正确相位块计数器Cn小于CN，更新对噪声的估计；

步骤四：如果第二个相关器输出值Z2大于信号检测门限TD2，更新信号检测门限TD2和信号分类门限TC2，同时将非正确相位块计数器复位；如果第二个相关器输出值Z2小于信号检测门限TD2，将第二个相关器输出值Z2与信号分类门限TC2作比较；

步骤五：如果第二个相关器输出值Z2小于信号分类门限TC2，正确相位块计数器Cn进行加1操作；

步骤六：调整时钟控制，将本地样本信号的相位滑动K个相差单元，然后转入步骤一，继续检测。

以上方法，将相位搜索的范围进行分块处理，通过对信噪比进行实时估计，不断调整其判决门限，达到最佳判决，提高检测概率，降低虚警概率，快速实现同步，用较少的硬件代价实现脉冲信号的快速捕获，达到发射信号和接收信号同步的目的。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1)消耗电能少。超宽带不使用载波，只是发出瞬时脉冲电波，则只在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小；克服无线传感器网络能量的局限性。

2)定位精确。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，可在室内和地下进行精确定位，信号的定位精度与其带宽直接相关，超宽带信号的带宽一般在500MHz以上，远远高出一般的无线通信信号，因此，其所能实现的定位精度也很高。

3)保密性好。超宽带保密性能表现在两方面:一方面是采用跳时扩频，收发机只有己知发送端扩频码时才能解出发射数据:另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的收发机无法接收。

4)抗干扰性能强。超宽带采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。

5)快速同步。将相位搜索的范围进行分块处理，通过对信噪比进行实时估计，不断调整其判决门限，达到最佳判决，提高检测概率，降低虚警概率，快速实现同步。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统的结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1 ，本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，包括无线传感器节点和基站；所述无线传感器节点包括传感器模块、微控制模块、通信模块、电源模块；微控制模块分别连接传感器模块、通信模块和电源模块；所述电源模块分别连接传感器模块、微控制模块、通信模块；所述基站包括控制模块和通信模块；所述控制模块连接通信模块。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述传感器模块包括无线传感器和模数转换器。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述微控制模块包括数据存储单元、定位单元、能量管理单元、处理单元；所述处理单元分别连接数据存储单元、定位单元、能量管理单元。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述电源模块包括充电装置和非充电电池。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述通信模块为收发机，收发机接收部分包括依次连接的超宽带天线、低噪声放大器、双输入端混频器、低通滤波器和解调器。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述收发机发射部分包括数模转换器、低通滤波器、双输入端混频器、射频功率放大器和超宽带天线，依次连接。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述微控制模块采用的是MSP430超低功耗系列处理器，所述混频器采用双平衡型吉尔伯特混频器，所述低噪声放大器采用NMOS共源极、共栅极工艺结构。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，所述超宽带天线为超宽带微带馈电宽槽天线，包括薄介质基片，薄介质基片一面附上金属薄层作为接地板，薄介质基片另一面用光刻做成矩形金属片，其内部有由两个半椭圆构成的不规则圆，同时接地板上与不规则圆对应位置处刻有不规则圆缝隙，用微带线对缝隙馈电。

本发明一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，还包括超宽带脉冲信号同步的串行捕获方法，所述串行捕获方法包括以下几个步骤：

步骤一：在接收端将接收到的信号与本地产生的样本信号在第一相关器内相关，输出值Z1与信号检测门限TD1比较，如果输出值Z1大于信号检测门限TD1，对信号检测门限TD1、信号分类门限TC1进行更新，不改变本地PN码的相位，启动第二个相关器；如果输出值Z1小于信号检测门限TD1，将输出值Z1与信号分类门限TC1比较；

步骤二：如果输出值Z1大于信号分类门限TC1，不改变本地PN码的相位，启动第二个相关器；如果输出值Z1小于信号分类门限TC1，正确相位块计数器Cn进行加1操作；

步骤三：如果正确相位块计数器Cn大于CN，在捕获到的相位块内进行传统的滑动相关搜索；如果正确相位块计数器Cn小于CN，更新对噪声的估计；

步骤四：如果第二个相关器输出值Z2大于信号检测门限TD2，更新信号检测门限TD2和信号分类门限TC2，同时将非正确相位块计数器复位；如果第二个相关器输出值Z2小于信号检测门限TD2，将第二个相关器输出值Z2与信号分类门限TC2作比较；

步骤五：如果第二个相关器输出值Z2小于信号分类门限TC2，正确相位块计数器Cn进行加1操作；

步骤六：调整时钟控制，将本地样本信号的相位滑动K个相差单元，然后转入步骤一，继续检测。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：包括无线传感器节点和基站；所述无线传感器节点包括传感器模块、微控制模块、通信模块、电源模块；微控制模块分别连接传感器模块、通信模块和电源模块；所述电源模块分别连接传感器模块、微控制模块、通信模块；所述基站包括控制模块和通信模块；所述控制模块连接通信模块。

2.根据权利要求1所述一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：所述传感器模块包括无线传感器和模数转换器。

3.根据权利要求1所述一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：所述微控制模块包括数据存储单元、定位单元、能量管理单元、处理单元；所述处理单元分别连接数据存储单元、定位单元、能量管理单元。

4.根据权利要求1所述一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：所述电源模块包括充电装置和非充电电池。

5.根据权利要求1所述一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：所述通信模块为收发机，收发机接收部分包括依次连接的超宽带天线、低噪声放大器、双输入端混频器、低通滤波器和解调器。

6.根据权利要求 5所述一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：所述收发机发射部分包括数模转换器、低通滤波器、双输入端混频器、射频功率放大器和超宽带天线，其依次连接。

7.根据权利要求1所述一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：所述微控制模块采用的是MSP430超低功耗系列处理器，所述混频器采用双平衡型吉尔伯特混频器，所述低噪声放大器采用NMOS共源极、共栅极工艺结构。

8.根据权利要求1所述一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：所述超宽带天线为超宽带微带馈电宽槽天线，包括薄介质基片，薄介质基片一面附上金属薄层作为接地板，薄介质基片另一面用光刻做成矩形金属片，其内部有由两个半椭圆构成的不规则圆，同时接地板上与不规则圆对应位置处刻有不规则圆缝隙，用微带线对缝隙馈电。

9.根据权利要求1所述一种基于超宽带技术的无线传感器网络系统，其特征在于：还包括超宽带脉冲信号同步的串行捕获方法，所述串行捕获方法包括以下几个步骤：

步骤一：在接收端将接收到的信号与本地产生的样本信号在第一相关器内相关，输出值Z1与信号检测门限TD1比较，如果输出值Z1大于信号检测门限TD1，对信号检测门限TD1、信号分类门限TC1进行更新，不改变本地PN码的相位，启动第二个相关器；如果输出值Z1小于信号检测门限TD1，将输出值Z1与信号分类门限TC1比较；

步骤二：如果输出值Z1大于信号分类门限TC1，不改变本地PN码的相位，启动第二个相关器；如果输出值Z1小于信号分类门限TC1，正确相位块计数器Cn进行加1操作；

步骤三：如果正确相位块计数器Cn大于CN，在捕获到的相位块内进行传统的滑动相关搜索；如果正确相位块计数器Cn小于CN，更新对噪声的估计；

步骤四：如果第二个相关器输出值Z2大于信号检测门限TD2，更新信号检测门限TD2和信号分类门限TC2，同时将非正确相位块计数器复位；如果第二个相关器输出值Z2小于信号检测门限TD2，将第二个相关器输出值Z2与信号分类门限TC2作比较；

步骤五：如果第二个相关器输出值Z2小于信号分类门限TC2，正确相位块计数器Cn进行加1操作；

步骤六：调整时钟控制，将本地样本信号的相位滑动K个相差单元，然后转入步骤一，继续检测。