CN109120311A - 一种基于环境反向散射的无源无线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，属于环境反向散射型无源无线通信系统技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于环境反向散射的无源无线通信系统；解决该技术问题采用的技术方案为：包括中央控制器，所述中央控制器通过导线与信号解调模块相连，所述信号解调模块依次串接能量收集模块和负载调制模块后与射频收发模块相连；所述中央控制器的信号输出端还与射频收发模块相连；所述中央控制器的电源输入端与电源模块相连；所述中央控制器使用的芯片为控制芯片U1；所述信号解调模块使用的芯片为转换芯片U2和比较芯片U3；所述射频收发模块使用的芯片为射频收发芯片U4；所述电源模块使用的芯片为稳压器U5；本发明应用于无源无线通信系统。
Description
技术领域
本发明一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，属于环境反向散射型无源无线通信系统技术领域。
背景技术
在物联网飞速发展的大背景下，射频识别技术（RFID, Radio Frequency andIdentification）是未来发展的趋势，其中，环境反向散射通信技术（Ambient backscattercommunication technology）由于不需要外部电源或专用的载波发射器，正迅速成为可自我维系通信系统的一种有前途的选择；环境反向散射通信技术通过将环境中的射频信号作为能量源，可以实现无源设备间的无线通信，摆脱了对电池及交流电电源的依赖，该技术可以使微型嵌入式设备的通信硬件成本及维护成本大大降低，极大促进物联网的推广和应用。
但是目前的无源无线通信装置在使用时，由于能量源大多来自周边的TV塔或WIFI路由器，当外界射频源信号较弱或不稳定时，系统的发射接收机在工作时就会出现供电能量的空档期，导致通信不连续或直接中断；因此需要对现有无源无线通信装置进行改进，使整个系统更加稳定和高效工作。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于环境反向散射的无源无线通信系统；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，包括中央控制器，所述中央控制器通过导线与信号解调模块相连，所述信号解调模块依次串接能量收集模块和负载调制模块后与射频收发模块相连；
所述中央控制器的信号输出端还与射频收发模块相连；
所述中央控制器的电源输入端与电源模块相连；
所述中央控制器使用的芯片为控制芯片U1；
所述信号解调模块使用的芯片为转换芯片U2和比较芯片U3；
所述射频收发模块使用的芯片为射频收发芯片U4；
所述电源模块使用的芯片为稳压器U5。
所述中央控制器的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚、4脚、17脚、20脚接地；
所述控制芯片U1的2脚串接晶振Y1后与控制芯片U1的3脚相连；
所述控制芯片U1的5脚串接电阻R6后接Vreg输入电源；
所述控制芯片U1的9脚、10脚、11脚、13脚、14脚与射频收发模块相连；
所述控制芯片U1的22脚与场效应管Q23的漏极相连，所述场效应管Q23的源极与负载调制模块相连；
所述控制芯片U1的23脚、24脚与信号解调模块相连；
所述控制芯片U1的30脚、31脚分别接Vreg输入电源。
所述信号解调模块的电路结构为：
所述转换芯片U2的1脚并接比较芯片U3的5脚、3脚、电容C2的一端后与稳压二极管D7的负极相连；
所述转换芯片U2的2脚与比较芯片U3的1脚相连；
所述转换芯片U2的3脚、4脚接地；
所述转换芯片U2的5脚与控制芯片U1的23脚相连；
所述转换芯片U2的6脚接Vreg输入电源；
所述比较芯片U3的4脚并接稳压二极管D7的正极，稳压二极管D6的正极后与能量收集模块的输出端相连；
所述比较芯片U3的2脚与场效应管Q2的漏极相连；
所述场效应管Q2的源极接地；
所述场效应管Q2的栅极与控制芯片U1的24脚相连；
所述稳压二极管D6的负极并接电容C1的一端，稳压二极管ED的负极后与电源输出端相连，所述电容C1的另一端，稳压二极管ED的正极均接地。
所述射频收发模块的电路结构为：
所述射频收发芯片U4的1脚与控制芯片U1的10脚相连；
所述射频收发芯片U4的2脚与控制芯片U1的11脚相连；
所述射频收发芯片U4的3脚与控制芯片U1的14脚相连；
所述射频收发芯片U4的6脚与控制芯片U1的13脚相连；
所述射频收发芯片U4的7脚与控制芯片U1的9脚相连；
所述射频收发芯片U4的4脚、9脚、11脚、14脚、15脚、20脚接Vreg输入电源；
所述射频收发芯片U4的5脚串接电容C51后接地；
所述射频收发芯片U4的8脚串接电容C81后与晶振Y2的一端相连；
所述射频收发芯片U4的10脚串接电容C141后与晶振Y2的另一端相连；
所述射频收发芯片U4的12脚与电容C121的一端相连，所述电容C121的另一端并接电容C101的一端后与电感L121的一端相连；
所述射频收发芯片U4的13脚与电容C131的一端相连，所述电容C131的另一端并接电感L131的一端后与电容C132的一端相连，所述电感L131的另一端接地；
所述电容C132的另一端并接电感L121的另一端，电容C123的一端后与电感L122的一端相连，所述电感L122的另一端并接电容C124的一端后与场效应管Q22的漏极相连；所述场效应管Q22的源极与负载调制模块的输出端相连；
所述电容C124的另一端并接电容C123的另一端，电容C101的另一端后接地。
所述负载调制模块的电路结构为：
所述负载调制模块的信号输入端设置有天线P1，所述天线P1并接场效应管Q22的源极，场效应管Q4的漏极，可调电容CV1的一端后与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端与能量收集模块的输入端相连，所述可调电容CV1的另一端接地。
所述控制芯片U1的型号为MSP430；
所述转换芯片U2的型号为NLSV1T244；
所述比较芯片U3的型号为NCS2200SQ；
所述射频收发芯片U4的型号为CC2500；
所述稳压器U5的型号为NCP583。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明针对环境射频信号微弱或信号源信号不连续导致环境反向散射通信不稳定的问题，提出一种基于环境反向散射技术和无线通信技术混合集成来增强通信传输稳定性的优化方案，本发明提供的射频收发模块及控制电路结构简单，信号传输稳定，准确，效率更高，值得推广使用。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明中央控制器的电路图；
图3为本发明信号解调模块的电路图；
图4为本发明射频收发模块的电路图；
图中，1为中央控制器、2为信号解调模块、3为能量收集模块、4为负载调制模块、5为射频收发模块、6为电源模块。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，包括中央控制器1，所述中央控制器1通过导线与信号解调模块2相连，所述信号解调模块2依次串接能量收集模块3和负载调制模块4后与射频收发模块5相连；
所述中央控制器1的信号输出端还与射频收发模块5相连；
所述中央控制器1的电源输入端与电源模块6相连；
所述中央控制器1使用的芯片为控制芯片U1；
所述信号解调模块2使用的芯片为转换芯片U2和比较芯片U3；
所述射频收发模块5使用的芯片为射频收发芯片U4；
所述电源模块6使用的芯片为稳压器U5。
所述中央控制器1的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚、4脚、17脚、20脚接地；
所述控制芯片U1的2脚串接晶振Y1后与控制芯片U1的3脚相连；
所述控制芯片U1的5脚串接电阻R6后接Vreg输入电源；
所述控制芯片U1的9脚、10脚、11脚、13脚、14脚与射频收发模块5相连；
所述控制芯片U1的22脚与场效应管Q23的漏极相连，所述场效应管Q23的源极与负载调制模块4相连；
所述控制芯片U1的23脚、24脚与信号解调模块2相连；
所述控制芯片U1的30脚、31脚分别接Vreg输入电源。
所述信号解调模块2的电路结构为：
所述转换芯片U2的1脚并接比较芯片U3的5脚、3脚、电容C2的一端后与稳压二极管D7的负极相连；
所述转换芯片U2的2脚与比较芯片U3的1脚相连；
所述转换芯片U2的3脚、4脚接地；
所述转换芯片U2的5脚与控制芯片U1的23脚相连；
所述转换芯片U2的6脚接Vreg输入电源；
所述比较芯片U3的4脚并接稳压二极管D7的正极，稳压二极管D6的正极后与能量收集模块3的输出端相连；
所述比较芯片U3的2脚与场效应管Q2的漏极相连；
所述场效应管Q2的源极接地；
所述场效应管Q2的栅极与控制芯片U1的24脚相连；
所述稳压二极管D6的负极并接电容C1的一端，稳压二极管ED的负极后与电源输出端相连，所述电容C1的另一端，稳压二极管ED的正极均接地。
所述射频收发模块5的电路结构为：
所述射频收发芯片U4的1脚与控制芯片U1的10脚相连；
所述射频收发芯片U4的2脚与控制芯片U1的11脚相连；
所述射频收发芯片U4的3脚与控制芯片U1的14脚相连；
所述射频收发芯片U4的6脚与控制芯片U1的13脚相连；
所述射频收发芯片U4的7脚与控制芯片U1的9脚相连；
所述射频收发芯片U4的4脚、9脚、11脚、14脚、15脚、20脚接Vreg输入电源；
所述射频收发芯片U4的5脚串接电容C51后接地；
所述射频收发芯片U4的8脚串接电容C81后与晶振Y2的一端相连；
所述射频收发芯片U4的10脚串接电容C141后与晶振Y2的另一端相连；
所述射频收发芯片U4的12脚与电容C121的一端相连，所述电容C121的另一端并接电容C101的一端后与电感L121的一端相连；
所述射频收发芯片U4的13脚与电容C131的一端相连，所述电容C131的另一端并接电感L131的一端后与电容C132的一端相连，所述电感L131的另一端接地；
所述电容C132的另一端并接电感L121的另一端，电容C123的一端后与电感L122的一端相连，所述电感L122的另一端并接电容C124的一端后与场效应管Q22的漏极相连；所述场效应管Q22的源极与负载调制模块4的输出端相连；
所述电容C124的另一端并接电容C123的另一端，电容C101的另一端后接地。
所述负载调制模块4的电路结构为：
所述负载调制模块4的信号输入端设置有天线P1，所述天线P1并接场效应管Q22的源极，场效应管Q4的漏极，可调电容CV1的一端后与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端与能量收集模块3的输入端相连，所述可调电容CV1的另一端接地。
所述控制芯片U1的型号为MSP430；
所述转换芯片U2的型号为NLSV1T244；
所述比较芯片U3的型号为NCS2200SQ；
所述射频收发芯片U4的型号为CC2500；
所述稳压器U5的型号为NCP583。
本发明基于混合集成发射技术提供一套无源无线通信系统，通信原理是把接收到的环境射频信号，通过天线的负载调制（即发送“1”信号时天线断开，射频信号全部反射，发送“0”时天线接通，射频信号全部接收）反射出去到接收器以达到传输信号的目的；传统无线通信发射器的通信原理为系统直接通过天线发送调制后的通信信号，将环境反向散射发射器与无线通信发射器二者结合，使两者均可以捕获射频能量，并支持自我可持续的通信。
当周围的射频信号较弱时，无线电源发射机需要较长时间的积累才可以储备足够能量进行有源传输，而环境反向散射通信系统由于其设计时使用超低功耗元器件，混合发射器即射频收发模块5可以直接通过反向散射技术把信号调制后传输出去；TV信号塔等环境射频信号因传输特殊信息的天线可能会在导通和断开状态之间交替转换，当环境射频信号断开时，环境反向散射系统无法工作，在这样的情况下，无线电源发射机可以使用能量收集模块3储存的射频能量来执行有源射频信号传输。
因此，两种技术可以在复杂的射频信号环境中相互补充，互相支持，保证整体系统具有更好的数据传输性能。
本发明提供的通信系统包括以下组件：电源模块6、能量存储模块3、能量监测模块、负载调制模块4、射频收发模块5、中央控制器1、数据存储器以及连接到外部应用的各类传感器；在上述模块中，许多电路部件如射频收发模块5、数据存储器、能量存储模块3可以在环境反向散射系统和无线通信系统之间共享。
本发明具体的使用过程如下：所述天线P1接收环境中的射频信号后，射频收发模块5开始工作，把射频信号中的能量进行收集，并传输到能量储存模块3中，当电路中的元器件需要耗能时，将能量调配到电源模块6，并通过整流稳压后，供给各元器件使用。
在本发明的能量存储模块3与电源模块6之间还设置有能量监测模块，它将自动监测当前通信系统储存的能量n，并与预设阈值进行比较；一般射频收发模块5最小启动能耗阈值为ρ，当能量监测模块监测到数值n>ρ时，应使用有源射频功能进行信号传输，当数值n<ρ时，应使用环境反向散射功能进行信号传输，能量监测模同时会把判断结果发送至中央控制器1，中央控制器1直接控制两种传输功能模块的切换。
外部应用传感器收集的监测数据最终发送至中央控制器1中，在中央控制器1首先要处理各类传感器的数据，进行编码以备发送；并根据能量监测模块的判断，若使用有源射频传输通信，中央控制器1把编码后的信号发送至有源射频信号传输模块，有源射频信号传输模块自我把信号调制后通过天线传送出去；若使用反向散射传输通信，中央控制器1把编码后的信号传给负载调制模块4，负载调制模块4通过控制天线的通断，完成反向散射通信传输。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，其特征在于：包括中央控制器（1），所述中央控制器（1）通过导线与信号解调模块（2）相连，所述信号解调模块（2）依次串接能量收集模块（3）和负载调制模块（4）后与射频收发模块（5）相连；
所述中央控制器（1）的信号输出端还与射频收发模块（5）相连；
所述中央控制器（1）的电源输入端与电源模块（6）相连；
所述中央控制器（1）使用的芯片为控制芯片U1；
所述信号解调模块（2）使用的芯片为转换芯片U2和比较芯片U3；
所述射频收发模块（5）使用的芯片为射频收发芯片U4；
所述电源模块（6）使用的芯片为稳压器U5。
2.根据权利要求1所述的一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，其特征在于：所述中央控制器（1）的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚、4脚、17脚、20脚接地；
所述控制芯片U1的2脚串接晶振Y1后与控制芯片U1的3脚相连；
所述控制芯片U1的5脚串接电阻R6后接Vreg输入电源；
所述控制芯片U1的9脚、10脚、11脚、13脚、14脚与射频收发模块（5）相连；
所述控制芯片U1的22脚与场效应管Q23的漏极相连，所述场效应管Q23的源极与负载调制模块（4）相连；
所述控制芯片U1的23脚、24脚与信号解调模块（2）相连；
所述控制芯片U1的30脚、31脚分别接Vreg输入电源。
3.根据权利要求2所述的一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，其特征在于：所述信号解调模块（2）的电路结构为：
所述转换芯片U2的1脚并接比较芯片U3的5脚、3脚、电容C2的一端后与稳压二极管D7的负极相连；
所述转换芯片U2的2脚与比较芯片U3的1脚相连；
所述转换芯片U2的3脚、4脚接地；
所述转换芯片U2的5脚与控制芯片U1的23脚相连；
所述转换芯片U2的6脚接Vreg输入电源；
所述比较芯片U3的4脚并接稳压二极管D7的正极，稳压二极管D6的正极后与能量收集模块（3）的输出端相连；
所述比较芯片U3的2脚与场效应管Q2的漏极相连；
所述场效应管Q2的源极接地；
所述场效应管Q2的栅极与控制芯片U1的24脚相连；
所述稳压二极管D6的负极并接电容C1的一端，稳压二极管ED的负极后与电源输出端相连，所述电容C1的另一端，稳压二极管ED的正极均接地。
4.根据权利要求3所述的一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，其特征在于：所述射频收发模块（5）的电路结构为：
所述射频收发芯片U4的1脚与控制芯片U1的10脚相连；
所述射频收发芯片U4的2脚与控制芯片U1的11脚相连；
所述射频收发芯片U4的3脚与控制芯片U1的14脚相连；
所述射频收发芯片U4的6脚与控制芯片U1的13脚相连；
所述射频收发芯片U4的7脚与控制芯片U1的9脚相连；
所述射频收发芯片U4的4脚、9脚、11脚、14脚、15脚、20脚接Vreg输入电源；
所述射频收发芯片U4的5脚串接电容C51后接地；
所述射频收发芯片U4的8脚串接电容C81后与晶振Y2的一端相连；
所述射频收发芯片U4的10脚串接电容C141后与晶振Y2的另一端相连；
所述射频收发芯片U4的12脚与电容C121的一端相连，所述电容C121的另一端并接电容C101的一端后与电感L121的一端相连；
所述射频收发芯片U4的13脚与电容C131的一端相连，所述电容C131的另一端并接电感L131的一端后与电容C132的一端相连，所述电感L131的另一端接地；
所述电容C132的另一端并接电感L121的另一端，电容C123的一端后与电感L122的一端相连，所述电感L122的另一端并接电容C124的一端后与场效应管Q22的漏极相连；所述场效应管Q22的源极与负载调制模块（4）的输出端相连；
所述电容C124的另一端并接电容C123的另一端，电容C101的另一端后接地。
5.根据权利要求4所述的一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，其特征在于：所述负载调制模块（4）的电路结构为：
所述负载调制模块（4）的信号输入端设置有天线P1，所述天线P1并接场效应管Q22的源极，场效应管Q4的漏极，可调电容CV1的一端后与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端与能量收集模块（3）的输入端相连，所述可调电容CV1的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的一种基于环境反向散射的无源无线通信系统，其特征在于：
所述控制芯片U1的型号为MSP430；
所述转换芯片U2的型号为NLSV1T244；
所述比较芯片U3的型号为NCS2200SQ；
所述射频收发芯片U4的型号为CC2500；
所述稳压器U5的型号为NCP583。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114845339A (zh) * | 2022-04-25 | 2022-08-02 | 河南垂天科技有限公司 | 一种环境反向散射通信系统 |
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| CN102682250A (zh) * | 2011-03-11 | 2012-09-19 | 敖海 | 一种电池辅助式rfid标签芯片信号反射方法 |
| CN106017574A (zh) * | 2016-07-26 | 2016-10-12 | 成都布阿泽科技有限公司 | 基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法 |
| CN107016433A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-08-04 | 西安电子科技大学 | 基于无线射频能量收集装置的可穿戴无源rfid设备 |
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2018
- 2018-07-30 CN CN201810854507.1A patent/CN109120311B/zh active Active
Patent Citations (6)
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