CN107566014A

CN107566014A - 无线能量收集式无线传感网络节点

Info

Publication number: CN107566014A
Application number: CN201710816470.9A
Authority: CN
Inventors: 文光俊; 李钢; 李建; 李镇兵; 周洁
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: CN107566014B

Abstract

本发明公开了一种无线能量收集式无线传感网络节点，具体包括：无线能量收集模块、充放电管理模块、收发前端、调制电路和微处理器。本发明的无线传感网络节点用无线能量收集的方式为无线传感网络节点的微处理器及其前端收发电路提供能量；并且基于微处理器用汇编语言实现ISO/IEC18000‑6C协议中的Miller编码及其扩展编码，实现了ISO/IEC18000‑6C协议的全部功能，即实现RFID标签，并且定义了传感命令格式，提供了传感功能；能够实现有源标签的远距离通信，通过无线充电的方式使微处理器持续工作，克服了有源标签寿命短和需要频繁更换电池的缺点，可以为无线传感网络的布局提供参考，可以为研究RFID算法等功能提供快速实现的可能，减少开发周期。

Description

无线能量收集式无线传感网络节点

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及分布式传感网络，具体涉及一种无线能量收集式无线传感网络节点。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，它的节点可以感知外部环境中的传感信息。无线传感网络实现数据的采集、处理和传输功能。无线传感网络是由大量的传感器构成，它可以采集包括地震、电磁、温度、湿度、压力、物体大小、移动方向和速度等信息。无线传感网络作为全球未来十大技术之一，正越来越受到人们的重视，在军事、医疗、家用、环境监测等多个领域均有广阔的应用市场。

无线传感网络节点一般采用电池供电，供电量非常有限，而且根据不同的应用环境，电池很难更换或者不可能更换，这就导致传感网络节点在电池能量耗尽后不能工作。

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是传统的无线通信识别技术，它能够实现非视距的通信，广泛应用于智能物流、交通、多目标识别、方位追踪等领域。RFID应用在无线传感网络中，就能兼具RFID和无线传感网络的技术特点，它通过RFID射频信号自动识别目标的特性，能够同时实现无线传感网络感知信息和通信的功能。

现有的无线传感网络节点一般都是电池供电。但有源标签电池供电电量有限，需要频繁更换电池，这个提高了维护成本，并且由于一些特殊环境的限制，有些标签节点电池更换是不可能的，但是无线传感网络要求生存时间足够长，因此用电池供电是无线传感网络的致命缺点。无源标签不能主动发起通信，并且提供的功能少，并且通信距离短，很难满足无线传感网络的密集式工作要求。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种无线能量收集式无线传感网络节点。

本发明的具体技术方案为：一种无线能量收集式无线传感网络节点，具体包括：无线能量收集模块、充放电管理模块、收发前端、调制电路和微处理器，其中，

所述无线能量收集模块用于收集射频和电磁波的能量，并经整流电路转换为可用的直流电能；

所述充放电管理模块用来存储电能，并且根据配置为后续电路提供可持续工作的工作电压；

所述微处理器用来实现ISO/IEC18000-6C协议、传感功能和扩展的Miller编码；

所述收发前端用来接收RFID阅读器的命令和发送调制信息；

所述调制电路用于为无线传感网络节点返回数据。

本发明的有益效果：本发明的无线传感网络节点通过无线能量收集的方式，能够为无线传感网络提供可持续工作的能量，使其既能够实现有源标签的远距离通信，也能够实现无源标签的可持续工作，并且还有远距离通信功能，也克服了无源标签因能量不够无法执行更多功能和无源标签不能主动发起通信的缺点。本发明的无线能量收集模式也可以为其他低功耗芯片及系统设计提供参考。

附图说明

图1本发明实施例的无线能量收集无线传感网络节点结构图。

图2本发明实施例的传感命令执行流程图。

图3为本发明实施例的Miller编码流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

为解决现有技术存在的问题，本发明提出通过无线能量收集的方式，基于微处理器实现无线传感网络节点。

具体结构如图1所示，具体包括：无线能量收集模块、充放电管理模块、收发前端、调制电路和微处理器，其中，所述无线能量收集模块用于收集射频和电磁波的能量；所述充放电管理模块用来存储电能，并且根据配置为后续电路提供可持续工作的工作电压；所述微处理器用来实现ISO/IEC18000-6C协议、传感功能和扩展的Miller编码；所述收发前端用来接收RFID阅读器的命令和发送调制信息；所述调制电路用于为无线传感网络节点返回数据。

这里的微处理器可以采用低功耗的单片机，本实施例中具体采用低功耗的单片机处理器MSP430FR5969。

无线能量收集模块具体实现无线收集射频能量、RF->DC整流功能，经过整流电路转换为可用的直流电能，具体的通过双工器将覆盖多频段能量收集天线收集到的GSM900/GSM1800信号能量分成两路：一路920～960MHz信号(覆盖GSM900下行频段)经低通滤波器输出至基于该频段优化的整流电路(采用SMS7630)；另一路1710～1860MHz信号(覆盖GSM1800下行信号)经高通滤波器输出至基于该频段优化的另一个整流电路(采用SMS7630)。高通和低通滤波功分器的输入输出端口阻抗匹配至50Ω，两个整流电路的输入阻抗匹配至50Ω，并且这两个整流电路输出接限压保护齐纳二极管和BQ25570能量管理芯片。

充放电管理电路主要实现超级电容的充电和放电管理。充放电管理电路可以采用BQ25570芯片来实现或者其他能量收集芯片，BQ25570的冷启动电压为330mv，冷启动后，它的输入电压只要达到100mv就能够充电。通过芯片收集整流电路输出的能量，把其存储在超级电容中，当电容电压到达设定的值时，关闭充电系统；当电容电压达到设定的放电电压值，就按照配置的输出电压为微处理器和射频收发前端提供持续的工作电压，直到电容电压降低到设定的电压值，则停止供电。BQ25570可以通过外部电阻设置过压保护，并且也可以设置过度放电保护，防止对超级电容过充电和防止过度放电。经过验证，BQ25570可以为微处理器和射频收发前端提供可持续工作的电源。

这里无线传感网络节点还包括与微处理器相连的传感器，因而本发明实施例还提供一种自定义的可用于多种传感信息采集的传感命令，运用微处理器实现传感功能，使用微处理器的ADC可以采集各种传感器输出的传感信息，包括温度信息，湿度信息，压力信息等各种需要的信息，其中，表1为传感命令格式，表2为返回命令格式，其中传感命令的参数解析如下。

①命令代码为：0xE001，可兼容ISO/IEC18000-6C协议。

②WSN域是传感命令的参数，其值代表需要采集的传感信息类型，这里定义了两种信息：0x1＝采集温度；0x2＝采集湿度，其他可以根据需要添加；RFU域作为将来扩展使用，可以用来扩展WSN，也可以用来表示password，为某些传感信息起保护作用，也可以用来代表其他扩展功能。

③WrEn域表示是否把采集到的信息写入存储器中，00表示不采集传感信息，只读WSN分配的地址(节点可以为每个传感信息分配固定地址)相应的传感信息，并且返回读取的传感信息；01表示不采集传感信息，只读根据wordPtr表示的地址中的传感信息，并且返回读取的传感信息；10表示采集信息，并把传感信息写入WSN分配的地址中，并且返回信息；11表示采集传感信息，并把传感信息写入WordPtr表示的地址中，并且返回采集的传感信息。

④WordPtr域是用户存储器地址，表示读WordPtr相应地址的传感信息，或者将采集到的信息写到用户存储器的相应地址。

⑤RN16是句柄，提供握手信号；CRC-16是校验码，校验无线传输过程中是否出错。传感命令总共90bits。

标签检测到该命令，并且Handle匹配其CRC-16校验成功才会执行该命令，启动相应的传感模块采集信息，并将采集到的温度信息根据WrEn确定是否写入指定存储地址；否则标签将保持沉默。命令执行成功后返回应答信号，若不成功则返回相应错误代码。

表1传感器命令格式

表2传感器命令的应答

图2是传感命令执行流程图。标签在接收到传感命令的时候就跳转到传感命令处理模块，然后检测CRC-16和Handle，如果通过，则继续执行，否则直接结束；WSN select用来选择不同的无线传感网络功能；WrEn＝2’b00/2’b01读分配地址或者指定地址的传感信息，WrEn＝2’b10/2’b11用来采集传感信息同时把采集的信息存储在指定的地址中；Backscatter(反向散射)模块用来返回信息，返回信息完成后结束命令。

本发明实施例还提供了一种微处理器中汇编语言实现Miller编码算法方案。

Miller码也称延迟调制码，是一种变形双相码。其编码规则：对原始符号“1”码元起始不跃变，中心点出现跃变来表示，即用10或01表示。对原始符号“0”则分成单个“0”还是连续“0”予以不同处理；单个“0”时，保持0前的电平不变，即在码元边界处电平不跃变，在码元中间点电平也不跃变；对于连续“0”，则使连续两个“0”的边界处发生电平跃变。

首先设计发送Miller Preamble(前导码)，前导码根据Query命令的参数TRext的值取不同的方案，TRext＝0表示4M(4M表示M乘4)个方波，TRext＝1表示16M个方波，其中M表示Miller值，并且在这些方波后面需要添加数据串010111,一起作为前导码。如表3所示：

表3 miller前导码

BLF wave

0

1

0

1

Miller编码流程如图3所示。当上层代码通过跳转命令调用该Miller编码模块时，首先配置输出时钟和输出端口，输出时钟根据反向速率来确定。然后判断是否是M＝2,跳转到M2module(M2module指发送M值是2的模块)还是跳转到Mx module(Mx是M值大于2的情况)。然后根据query(ISO/IEC18000-6C中的Query命令)中的TRext参数确定pilot tone的个数(前导码中的引导数据，是数据0根据Miller编码后，重复发送0编码后的波形，这个重复的次数由TRext确定,TRext＝1，表示重复16次，Trext＝0表示重复4次)。前导码发送结束根据是否是整字节(bits＝0,表示整字节)执行M_byte1_bit1(不是整字节)或M_byte1_bit0(整字节)；当跳转到M_byte1_bit1分支后直接跳转到Send_010111(发送数据串010111)，发送完后跳到Send_byte；Send_byte和Mx每执行一次发送一个字节，然后字节减1，如果字节不为0，则继续执行Send_byte和Mx，直到字节为0，跳转到Send_bit；Send_bit模块每发送一位，则bits减1，如果bits不为0，则继续执行Send_bit,直到bits＝0则直接发送dummy-1(代表结束字符)，最后RETA跳出中断。当跳转到M_byte1_bit0分支后，和M_byte1_bit1的区别在于执行完Send_byte后就直接发送dummy-1，最后RETA(跳出中断的汇编命令)跳出中断，因为M_byte1_bit0执行整字节，整字节就没有多余的bits。

其中,“M2module”执行的步骤和MX module类似，区别在于Mx module是根据不同M值来发送副载波，而“M2module”发送的副载波是one。

微处理器实现Miller编码算法的核心模块Mx(图3中的Mx部分，其中x可以代表4、8、16…256,也可以根据需要扩展到更大的值)如下。

发送1位数据的miller编码需要分五个部分发送：

根据上一次发送的电平和本次需要发送的数据(0or 1)，发送本数据的起始电平(高或低)；

根据M值确定需要连续发送相反电平数；

发送真正的代表数据0或1的电平，数据0中间是连续的高低电平，数据1的中间出现跃变，并且保存当前数据；

根据M值确定继续发送连续的相反电平数；

根据剩余字节或位判断是否执行以上4个步骤，如果剩余字节和剩余位都是0则发送dummy-1来结束编码。

这里分别在表III和表IV中显示了，在汇编程序中如何用最小的时钟周期确定起始和中间电平。

表4确定一位编码的起始电平

根据表4和表5，可以看出确定发送一个电平需要8个时钟周期，如果不考虑副载波的情况，发送一位数据的编码就需要16个时钟周期，因此在配置微处理器时钟的时候，将主时钟配置为反向速率的16倍，因此经过编码后，发送出去的编码速率就是与反向速率一样。

表5确定一位编码的中间电平

通过上述实施例可以看出，本发明提出的无线传感网络节点用无线能量收集的方式为无线传感网络节点的微处理器及其前端收发电路提供能量；并且基于微处理器(MSP430FR5969)用汇编语言实现ISO/IEC18000-6C协议中的Miller编码及其扩展编码(Miller值大于8)，实现了ISO/IEC18000-6C协议的全部功能，即实现RFID标签，并且定义了传感命令格式，提供了传感功能。

可以看出，本发明的无线传感网络节点可以满足对低功耗和持续工作的要求，能够实现有源标签的远距离通信，通过无线充电的方式使微处理器持续工作，克服了有源标签寿命短和需要频繁更换电池的缺点，可以为无线传感网络的布局提供参考，可以为研究RFID算法等功能提供快速实现的可能，减少开发周期。

Claims

1.一种无线能量收集式无线传感网络节点，具体包括：无线能量收集模块、充放电管理模块、收发前端、调制电路和微处理器，其中，

所述收发前端用来接收RFID阅读器的命令和发送调制信息；

所述调制电路用于为无线传感网络节点返回数据。

2.根据权利要求1所述的无线能量收集式无线传感网络节点，其特征在于，还包括与微处理器相连的传感器。

3.根据权利要求1所述的无线能量收集式无线传感网络节点，其特征在于，所述无线能量收集模块具体通过双工器将覆盖多频段能量收集天线收集到的GSM900/GSM1800信号能量分成两路：一路920～960MHz信号经低通滤波器输出至基于该频段优化的整流电路；另一路1710～1860MHz信号经高通滤波器输出至基于该频段优化的另一个整流电路。

4.根据权利要求1所述的无线能量收集式无线传感网络节点，其特征在于，所述高通和低通滤波功分器的输入输出端口阻抗匹配至50Ω，两个整流电路的输入阻抗匹配至50Ω。

5.根据权利要求2所述的无线能量收集式无线传感网络节点，其特征在于，所述传感器的传感命令的参数解析如下：

①命令代码为：0xE001，可兼容ISO/IEC18000-6C协议；

②WSN域是传感命令的参数，其值代表需要采集的传感信息类型；RFU域作为将来扩使用；

③WrEn域表示是否把采集到的信息写入存储器中，00表示不采集传感信息，只读WSN分配的地址(节点可以为每个传感信息分配固定地址)相应的传感信息，并且返回读取的传感信息；01表示不采集传感信息，只读根据wordPtr表示的地址中的传感信息，并且返回读取的传感信息；10表示采集信息，并把传感信息写入WSN分配的地址中，并且返回信息；11表示采集传感信息，并把传感信息写入WordPtr表示的地址中，并且返回采集的传感信息；

④WordPtr域是用户存储器地址，表示读WordPtr相应地址的传感信息，或者将采集到的信息写到用户存储器的相应地址；

6.根据权利要求5所述的无线能量收集式无线传感网络节点，其特征在于，所述传感命令的执行流程如下：标签在接收到传感命令的时候就跳转到传感命令处理模块，然后检测CRC-16和Handle，如果通过，则继续执行，否则直接结束；WSN select用来选择不同的无线传感网络功能；WrEn＝2’b00/2’b01读分配地址或者指定地址的传感信息，WrEn＝2’b10/2’b11用来采集传感信息或者同时把采集的信息存储在指定的地址中；Backscatter返回信息，返回信息完成后结束命令。

7.根据权利要求1所述的无线能量收集式无线传感网络节点，其特征在于，所述Miller编码的具体过程如下：

首先设计发送Miller Preamble，前导码根据Query命令的参数TRext的值取不同的方案，TRext＝0表示4M(4M表示M乘4)个方波，TRext＝1表示16M个方波，其中，M表示Miller值，并且在这些方波后面需要添加数据串010111，一起作为前导码；

当上层代码通过跳转命令调用该Miller编码模块时，首先配置输出时钟和输出端口，输出时钟根据反向速率来确定，然后判断是否是M＝2，跳转到M2 module(M2 module指发送M值是2的模块)还是跳转到Mx module(Mx是M值大于2的情况)；

然后根据query中的TRext参数确定pilot tone的个数，前导码发送结束根据是否是整字节(bits＝0,表示整字节)执行M_byte1_bit1(不是整字节)或M_byte1_bit0(整字节)；当跳转到M_byte1_bit1分支后直接跳转到Send_010111(发送数据串010111)，发送完后跳到Send_byte；Send_byte和Mx每执行一次发送一个字节，然后字节减1，如果字节不为0，则继续执行Send_byte和Mx，直到字节为0，跳转到Send_bit；Send_bit模块每发送一位，则bits减1，如果bits不为0，则继续执行Send_bit,直到bits＝0则直接发送dummy-1(代表结束字符)，最后RETA跳出中断。当跳转到M_byte1_bit0分支后，和M_byte1_bit1的区别在于执行完Send_byte后就直接发送dummy-1，最后RETA跳出中断。