CN109152101B - 一种能源自拾取无线传感网络 - Google Patents

Abstract

一种能源自拾取无线传感网络，包括汇聚节点、传感节点和中继节点。利用汇聚节点、中继节点在狭小、封闭空间内构建相对均匀的磁场，从而使汇聚节点和传感节点之间可以利用磁耦合谐振方式实现无线能量、信息在相互独立传输通道上的同时传输，单个汇聚节点可以为多个传感节点供能，同时与多个传感节点之间进行双向通信。本发明基于时分多址技术实现，打破了传统无线传感器采用电池储能供电，同时利用微波无线实现信息传输的方案，利用多谐振耦合方式实现能量、信息的在相互独立传输通道上的同时传输。

Description

一种能源自拾取无线传感网络

技术领域

本发明属于无线传感技术领域，涉及一种能源自拾取无线传感网络。

背景技术

微机电系统、现代网络和无线通信等技术的发展，推动了无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络以传感器为节点，通过传感器网络可以协同、实时地对其覆盖区域进行数据采集。该技术的广泛应用于环境、医疗卫生、救灾等领域。

对于航天领域，以运载火箭为例，传统的测量系统中使用了大量传感器，传感器节点通过有线方式传输能源和信息，具有占据空间大、电缆网复杂、铺设范围广的特点。随着航天任务复杂度的提高、时间的增长，以及载人航天任务中人员活动范围的扩大，都对传感测量的精细化、灵活度提出了要求。传统测量系统中的传感器技术，从重量、体积、功耗、布局布线上难以满足未来的发展需求。此外，当需要增加测点或对测点进行调整时还需重新进行电缆生产和铺设，灵活性较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种能源自拾取无线传感器网络，利用汇聚节点、中继节点在狭小、封闭空间构建相对均匀的磁场，从而使汇聚节点和传感节点之间可以通过磁耦合谐振的方式进行无线能量、信息传输，单个汇聚节点可以为多个传感节点供能，与传感节点之间可以进行双向通信。可以为运载火箭舱体等封闭空间内无线传感数据获取及供能提供一种技术解决方案。

本发明的技术解决方案是：

一种能源自拾取无线传感子网，包括：一个汇聚节点和多个传感节点；

汇聚节点通过有线方式获取能量，汇聚节点与传感节点之间通过磁耦合谐振的无线方式进行能量传输，即汇聚节点向传感节点提供能量；传感节点将采集到的数据通过磁耦合谐振的无线方式传递给汇聚节点，汇聚节点最终通过有线方式将数据提供给上层设备；汇聚节点通过有线方式接收上层设备指令，并通过磁耦合谐振的无线方式传递给传感节点。

还包括多个中继节点，中继节点对汇聚节点和传感节点之间的能量或信息传输链路进行磁力线聚束，从而扩展无线传感子网的覆盖范围，或者避让金属障碍物。

所述中继节点由中继线圈组成。

所述汇聚节点包括光纤通信模块、数据处理模块、数据传输模块、电源模块、能源转换模块和汇聚节点线圈；

电源模块将外部一次供电转换为汇聚节点内光纤通信模块、数据处理模块、数据传输模块、能源转换模块所需工作用电，为以上模块供电；

能源转换模块将直流电源转换为交流电源，并利用LC串并联网络构成多谐振耦合机构，使无线传感子网具有多个阻抗虚部零点，将能源发送至汇聚节点线圈，汇聚节点线圈完成能量的耦合发射；

选取汇聚节点线圈一部分作为数据传输线圈，数据传输模块通过数据传输线圈感应接收传感节点发送的数据，再对接收到的数据进行下变频、解调、解码处理，并将处理后数据发送给数据处理模块；数据处理模块接收数据传输模块发送的传感数据，对传感数据进行校验处理，将传感数据按照预设无线网络协议进行处理后形成子网数据，发送至光纤通信模块，光纤通信模块再发送给系统上层设备；

光纤通信模块接收系统上层设备指令，发送给数据处理模块，数据处理模块按照预设无线网络协议将上层设备指令发送给数据传输模块；数据传输模块完成发送数据的编码、调制、上变频处理，将信号加载至数据传输线圈；数据传输线圈完成数据的耦合发射。

所述传感数据包括汇聚节点识别号、传感器数据、传感节点状态数据；所述子网数据包括该汇聚节点识别号、该汇聚节点及其所在子网的传感器数据、子网状态数据；所述多个阻抗虚部零点对应多个谐振频率点；所述上层设备指令包括时钟同步命令、工作模式控制命令及接收确认反馈码。

汇聚节点线圈部分贴合于舱壁内表面。

所述传感节点包含敏感元件、AD变换模块、第二数据处理模块、第二数据传输模块、第二能源转换模块、电池模块和传感线圈；

传感线圈完成能量的耦合接收，并提供给第二能源转换模块；第二能源转换模块将交流电源转换为直流电源，并利用LC串并联网络构成多谐振耦合机构，使无线传感子网具有多个阻抗虚部零点，利用直流电源为电池模块充电；电池模块在充电的同时为敏感元件、AD变换模块、第二数据处理模块和第二数据传输模块提供工作用电；

敏感元件用于获取需要测量的参数，并转换为模拟电信号，提供给AD变换模块，AD变换模块将采集的模拟信号转换为数字信号，提供给第二数据处理模块，第二数据处理模块将采集的数据按照预设无线传感网络协议处理并发送至第二数据传输模块；第二数据传输模块完成发送数据的编码、调制、上变频处理，将信号加载至第二数据传输线圈；第二数据传输线圈完成数据的耦合发射；所述第二数据传输线圈选取自传感线圈的一部分；

第二数据传输模块通过第二数据传输线圈接收上层设备指令，并进行下变频、解调、解码处理，再提供给第二数据处理模块；第二数据处理模块再按照预设协议完成时钟同步、工作模式切换及数据重传。

传感线圈在无线传感子网的磁场范围内任意放置。

中继线圈贴合于舱壁内表面，或者根据避让金属障碍物的需求在舱内空间放置。

汇聚节点中包含的数据传输模块采用了OFDM技术，以实现不低于1Mbps的通信速率。

传感节点中包含的第二数据传输模块采用了OFDM技术，以实现不低于1Mbps的通信速率。

无线传感子网采用时分多址，每一个周期内包含汇聚节点时隙、传感节点时隙、备用重传时隙和保护间隔四类时隙；每个周期内包含一个汇聚节点时隙、若干传感节点时隙、若干备用重传时隙和一个保护间隔。

在汇聚节点时隙内，由汇聚节点向传感节点发送广播码，即上层设备指令。

在传感节点时隙内，由传感节点向汇聚节点发送传感数据。

在备用重传时隙内，由传感节点向汇聚节点发送数据；传感节点根据汇聚节点发送的接收确认反馈码，判断是否重传汇聚节点未正确接收的数据，如需要重传，按照备用重传时隙的分配情况，在本传感节点的备用重传时隙内进行重传，如果没有可用分配时隙，则不进行重传。

一种能源自拾取无线传感网络，该能源自拾取无线传感网络包括多个所述无线传感子网，无线传感子网中的汇聚节点和传感节点在能源自拾取无线传感网络中具有唯一识别号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所提出的一种能源自拾取无线传感网络，打破了传统无线传感器采用电池储能供电，同时利用微波无线实现信息传输的方案，利用多谐振耦合方式实现能量、信息的在相互独立传输通道上的同时传输；

(2)本发明中一个汇聚节点可以同时为多个传感节点提供能量，与多个传感节点进行双向通信，并且对传感节点的感应线圈布置位置无严格对齐要求；

(3)本发明中汇聚节点和传感节点皆选取了其线圈中的一部分作为数据传输线圈，以构建高速数据传输通道，减少数据载波的衰减。

(4)本发明中传感节点中采用电池模块隔离了无线能量的质量对传感节点的影响，电池模块在充电的同时进行放电工作，不进行额外储能，当无线供能终止后传感节点即可随着电池模块电量耗尽终止工作，简化了系统工作流程。

(5)本发明采用时分多址技术实现汇聚节点和传感节点之间的双向通信，可以有效保证关键测量参数的可靠传输。

附图说明

图1为本发明系统组成示意图；

图2为本发明应用场景示意图；

图3为本发明汇聚节点组成框图；

图4为本发明传感节点组成框图；

图5为本发明无线传感子网传输协议示意图；

图6为本发明工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的实施例。

图1为本发明系统组成示意图。一种能源自拾取无线传感网络包括三类节点：汇聚节点、中继节点、传感节点。每一个汇聚节点和多个传感节点、多个中继节点组成一个无线传感子网，中继节点根据覆盖范围和避让金属障碍物需求设置。

无线传感子网的集合构成全网，无线传感子网中的汇聚节点和传感节点在全网中具有唯一识别号。

图2为本发明应用场景示意图。以某封闭舱段内的一个无线传感子网为例。无线传感子网中包含一个汇聚节点、多个传感节点，还包括多个中继节点。

汇聚节点通过有线方式与系统的上层设备进行双向通信，同时通过有线方式由系统一次电源供电，汇聚节点通过磁耦合谐振的无线方式为其覆盖范围内的多个传感节点提供能量，同时可以与传感节点进行无线双向信息传输。具体能量及信息传输过程为：

汇聚节点通过有线方式获取能量，汇聚节点与传感节点之间通过磁耦合谐振的无线方式进行能量传输，即汇聚节点向传感节点提供能量；传感节点将采集到的数据通过磁耦合谐振的无线方式传递给汇聚节点，汇聚节点最终通过有线方式将数据提供给上层设备；汇聚节点通过有线方式接收上层设备指令，并通过磁耦合谐振的无线方式传递给传感节点。

汇聚节点组成中的线圈一般贴合于舱壁内表面；中继节点(主要由线圈组成)可以贴合于舱壁内表面，也可以根据避让金属障碍物的需求在舱内空间放置；传感节点组成中的传感线圈在无线传感子网范围内可以任意放置。

图3为本发明汇聚节点组成框图。汇聚节点主要包含光纤通信模块、数据处理模块、数据传输模块、电源模块、能源转换模块和汇聚节点线圈。其功能包括通过磁耦合谐振的方式向传感节点进行无线供能；与传感节点进行无线双向通信；接收系统上层设备发送的指令信息，完成无线传感子网的建立、管理；接收子网内各传感节点数据后进行成帧处理，再通过有线方式将获取的传感数据及子网状态数据发送至系统上层设备。

所述汇聚节点在工作时，电源模块将外部一次供电转换为汇聚节点内光纤通信模块、数据处理模块、数据传输模块、能源转换模块所需工作用电，为以上模块供电。

能源转换模块将直流电源转换为交流电源，并利用LC串并联网络构成多谐振耦合机构，使无线传感子网具有多个阻抗虚部零点(对应多个谐振频率点)，将能源发送至汇聚节点线圈，汇聚节点线圈完成能量的耦合发射。

选取汇聚节点线圈一部分作为数据传输线圈，数据传输模块具有LC串并联网络构成的多谐振耦合机构，在该机构形成的谐振频率点从数据传输线圈感应接收传感节点发送的数据，再对接收到的数据进行下变频、解调、解码处理，并将处理后数据发送给数据处理模块；数据处理模块接收数据传输模块发送的传感数据，对传感数据进行校验处理，将传感数据按照预设无线网络协议进行处理后形成子网数据，并发送至光纤通信模块，光纤通信模块再发送给系统上层设备。子网数据主要包括该汇聚节点识别号、该汇聚节点及其所在子网的传感数据、子网状态数据。

光纤通信模块接收系统上层设备指令，发送给数据处理模块，数据处理模块按照预设无线网络协议将上层设备指令发送给数据传输模块；数据传输模块完成发送数据的编码、调制、上变频处理，将信号加载至数据传输线圈；数据传输线圈完成数据的耦合发射。上层设备发送的指令主要包括全网时钟同步命令、工作模式控制命令及接收确认反馈码。

图4为本发明传感节点组成框图。传感节点主要包含敏感元件、AD变换模块、第二数据处理模块、第二数据传输模块、第二能源转换模块、电池模块和传感线圈。其功能包括通过磁耦合谐振的无线方式获取能量；与汇聚节点进行无线双向通信；完成测量参数的敏感、采集及处理；向汇聚节点发送传感及节点状态数据；接收汇聚节点发送的同步、指令、确认信息，完成传感节点的同步、模式切换和数据重传。

所述传感节点在工作时，传感线圈完成能量的耦合接收，并提供给第二能源转换模块；第二能源转换模块利用LC串并联网络构成多谐振耦合机构，使无线传感子网具有多个阻抗虚部零点，将感应的交流电源转换为直流电源，利用直流电源为电池模块充电；电池模块在充电的同时为敏感元件、AD变换模块、第二数据处理模块和第二数据传输模块提供工作用电。

敏感元件用于获取需要测量的参数，并转换为模拟电信号，提供给AD变换模块，AD变换模块将采集的模拟信号转换为数字信号，提供给第二数据处理模块，第二数据处理模块将采集的数据按照预设无线传感网络协议处理，形成传感数据，并发送至第二数据传输模块；第二数据传输模块完成发送数据的编码、调制、上变频处理，选取传感线圈的一部分作为第二数据传输线圈，利用多谐振耦合机构将信号加载至第二数据传输线圈；第二数据传输线圈完成数据的耦合发射。传感数据主要包括汇聚节点识别号、传感器数据、传感节点状态数据。

第二数据传输模块利用多谐振耦合机构形成的谐振频率点，通过第二数据传输线圈感应接收上层设备指令，并进行下变频、解调、解码处理，再提供给第二数据处理模块；第二数据处理模块再按照预设协议完成时钟同步、工作模式切换及数据重传。

中继节点主要由线圈构成，可以对汇聚节点和传感节点之间能量与信息的传输链路进行磁力线聚束。其功能主要包括扩展无线传感子网覆盖范围；避让舱体内金属结构或设备，减少金属障碍物对无线传感子网无线供能和通信的影响。

所述的汇聚节点中包含的数据传输模块、传感节点中所包含的第二数据传输模块，均采用了OFDM技术，以实现不低于1Mbps的通信速率。

图5为本发明无线传感子网传输协议示意图。汇聚节点和传感节点利用LC串并联网络构成的多谐振耦合机构，构建高、低两个谐振频点f₁、f₂，其中低频f₁用于能量传输，高频f₂用于双向信息传输。为实现汇聚节点和传感节点的双向通信，无线传感子网采用时分多址技术。每一个周期内包含四类时隙，包括：汇聚节点时隙、传感节点时隙、备用重传时隙和保护间隔。每个周期内包含一个汇聚节点时隙、若干传感节点时隙、若干备用重传时隙和一个保护间隔。备用重传时隙是一个周期内除去汇聚节点时隙、传感节点时隙、保护间隔之外的时隙。

其中备用重传时隙的分配与各传感节点的优先级相关。一般无线传感网络中各传感节点的地位相对平等，但对箭载等应用背景下，在特定的工作时段，部分测量参数的重要程度会高于其他参数，并且随着工作时段的变化，各测量参数的重要程度、采样频率、采样精度也会随之变化。因此，可以将系统中的传感节点根据需要划分为几个优先级，系统上层根据当前工作状态下发无线传感网络工作模式，对各传感节点的优先级、传感参数进行设置，备用重传时隙会按照传感节点的优先级，从高到低进行分配。

所述汇聚节点时隙，由汇聚节点向无线传感子网内传感节点发送广播码，即上文所述上层设备指令。

其中时钟同步命令用于完成该汇聚节点所在无线传感子网的时钟同步。

其中工作模式控制命令用于完成：1)下发工作模式切换指令，即根据工作流程，切换无线传感子网内各传感节点的工作模式，主要涉及采集速率、采集精度的变化；2)下发该工作模式下各传感节点的优先级分配，不同工作模式下同一传感节点的优先级可能不同；3)下发该工作模式下时隙分配方案，包括传感节点时隙分配、备用重传时隙分配，每个传感节点根据数据量大小可以占用一个或多个传感节点时隙。

其中接收确认反馈码用于向各传感节点反馈：是否超时未接收到某一传感节点的某一帧数据，正常接收的各个传感节点数据是否通过校验。

所述传感节点时隙，由无线传感子网内传感节点向汇聚节点发送数据，即上文所述传感数据，其中传感器数据包含校验信息。

所述备用重传时隙，由无线传感子网内传感节点向汇聚节点发送数据。传感节点根据汇聚节点发送的接收确认反馈码，判断是否重传汇聚节点未正确接收的数据。如需要重传，按照备用重传时隙的分配情况，在本节点的时隙内进行重传，如果没有可用分配时隙，则不进行重传。

所述的保护间隔不用于有效数据传输，仅用来区分两个时隙周期。

图6所示为本发明无线传感网络的工作原理。

上电后由一次电源为汇聚节点供电，汇聚节点进行初始化，同时，为传感节点供电，传感节点的电池模块对无线能量进行存储，同时为传感节点内部各模块供电，完成初始化；汇聚节点判断是否接收到上层设备指令，若没有接收到则等待一段时间，待接收到上层设备指令后，汇聚节点对指令信息进行解析，并准备好发送至子网的数据帧，即广播码；汇聚节点准备好发送的数据帧后，判断是否到达自己可以发送数据的汇聚节点时隙，若未到达则等待一段时间，待到达汇聚节点时隙后，汇聚节点向子网发送广播码设置子网；汇聚节点时隙内，传感节点接收汇聚节点发送的数据，进行时钟同步、工作模式设置，并根据接收确认反馈码判断是否需要重传数据；若传感节点判断是否需要重传数据的结果为否，则等待下一时隙周期的接收确认反馈码，若为是即本传感节点需要重传数据，则判断是否为本传感节点分配了备用重传时隙；若传感节点判断是否被分配重传时隙的结果为否，则等待下一时隙周期的接收确认反馈码，若为是则该传感节点会不断判断是否到达自己的备用重传时隙，若未到达则等待一段时间，待到达其备用重传时隙，该传感节点发送需要重传的传感数据至汇聚节点；传感节点会不断判断是否到达本传感节点时隙，若未到达则等待一段时间，待到达某传感节点时隙，发送传感数据至汇聚节点；以上为一个时隙周期，该周期结束后经过保护间隔进入下一时隙周期，直到系统工作结束。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种能源自拾取无线传感子网，其特征在于包括：一个汇聚节点和多个传感节点；

汇聚节点通过有线方式获取能量，汇聚节点与传感节点之间通过磁耦合谐振的无线方式进行能量传输，即汇聚节点向传感节点提供能量；传感节点将采集到的数据通过磁耦合谐振的无线方式传递给汇聚节点，汇聚节点最终通过有线方式将数据提供给上层设备；汇聚节点通过有线方式接收上层设备指令，并通过磁耦合谐振的无线方式传递给传感节点；

还包括多个中继节点，中继节点对汇聚节点和传感节点之间的能量或信息传输链路进行磁力线聚束，从而扩展无线传感子网的覆盖范围，或者避让金属障碍物；

所述汇聚节点包括光纤通信模块、数据处理模块、数据传输模块、电源模块、能源转换模块和汇聚节点线圈；

电源模块将外部一次供电转换为汇聚节点内光纤通信模块、数据处理模块、数据传输模块、能源转换模块所需工作用电，为以上模块供电；

能源转换模块将直流电源转换为交流电源，并利用LC串并联网络构成多谐振耦合机构，使无线传感子网具有多个阻抗虚部零点，将能源发送至汇聚节点线圈，汇聚节点线圈完成能量的耦合发射；

选取汇聚节点线圈一部分作为数据传输线圈，数据传输模块通过数据传输线圈感应接收传感节点发送的数据，再对接收到的数据进行下变频、解调、解码处理，并将处理后数据发送给数据处理模块；数据处理模块接收数据传输模块发送的传感数据，对传感数据进行校验处理，将传感数据按照预设无线网络协议进行处理后形成子网数据，发送至光纤通信模块，光纤通信模块再发送给系统上层设备；

光纤通信模块接收系统上层设备指令，发送给数据处理模块，数据处理模块按照预设无线网络协议将上层设备指令发送给数据传输模块；数据传输模块完成发送数据的编码、调制、上变频处理，将信号加载至数据传输线圈；数据传输线圈完成数据的耦合发射；

所述传感数据包括汇聚节点识别号、传感器数据、传感节点状态数据；所述子网数据包括该汇聚节点识别号、该汇聚节点及其所在子网的传感器数据、子网状态数据；所述多个阻抗虚部零点对应多个谐振频率点；所述上层设备指令包括时钟同步命令、工作模式控制命令及接收确认反馈码；

汇聚节点线圈部分贴合于舱壁内表面；

所述传感节点包含敏感元件、AD变换模块、第二数据处理模块、第二数据传输模块、第二能源转换模块、电池模块和传感线圈；

传感线圈完成能量的耦合接收，并提供给第二能源转换模块；第二能源转换模块将交流电源转换为直流电源，并利用LC串并联网络构成多谐振耦合机构，使无线传感子网具有多个阻抗虚部零点，利用直流电源为电池模块充电；电池模块在充电的同时为敏感元件、AD变换模块、第二数据处理模块和第二数据传输模块提供工作用电；

敏感元件用于获取需要测量的参数，并转换为模拟电信号，提供给AD变换模块，AD变换模块将采集的模拟信号转换为数字信号，提供给第二数据处理模块，第二数据处理模块将采集的数据按照预设无线传感网络协议处理并发送至第二数据传输模块；第二数据传输模块完成发送数据的编码、调制、上变频处理，将信号加载至第二数据传输线圈；第二数据传输线圈完成数据的耦合发射；所述第二数据传输线圈选取自传感线圈的一部分；

第二数据传输模块通过第二数据传输线圈接收上层设备指令，并进行下变频、解调、解码处理，再提供给第二数据处理模块；第二数据处理模块再按照预设协议完成时钟同步、工作模式切换及数据重传；

传感线圈在无线传感子网的磁场范围内任意放置；

中继线圈贴合于舱壁内表面，或者根据避让金属障碍物的需求在舱内空间放置；

无线传感子网采用时分多址，每一个周期内包含汇聚节点时隙、传感节点时隙、备用重传时隙和保护间隔四类时隙；每个周期内包含一个汇聚节点时隙、若干传感节点时隙、若干备用重传时隙和一个保护间隔；

备用重传时隙按照传感节点的优先级，从高到低进行分配。

2.根据权利要求1所述的一种能源自拾取无线传感子网，其特征在于：所述中继节点由中继线圈组成。

3.根据权利要求1所述的一种能源自拾取无线传感子网，其特征在于：汇聚节点中包含的数据传输模块采用了OFDM技术，以实现不低于1Mbps的通信速率。

4.根据权利要求1所述的一种能源自拾取无线传感子网，其特征在于：传感节点中包含的第二数据传输模块采用了OFDM技术，以实现不低于1Mbps的通信速率。

5.根据权利要求4所述的一种能源自拾取无线传感子网，其特征在于：在汇聚节点时隙内，由汇聚节点向传感节点发送广播码，即上层设备指令。

6.根据权利要求4所述的一种能源自拾取无线传感子网，其特征在于：在传感节点时隙内，由传感节点向汇聚节点发送传感数据。

7.根据权利要求4所述的一种能源自拾取无线传感子网，其特征在于：在备用重传时隙内，由传感节点向汇聚节点发送数据；传感节点根据汇聚节点发送的接收确认反馈码，判断是否重传汇聚节点未正确接收的数据，如需要重传，按照备用重传时隙的分配情况，在本传感节点的备用重传时隙内进行重传，如果没有可用分配时隙，则不进行重传。

8.一种能源自拾取无线传感网络，其特征在于：该能源自拾取无线传感网络包括多个如权利要求1～7中任一项所述无线传感子网，无线传感子网中的汇聚节点和传感节点在能源自拾取无线传感网络中具有唯一识别号。

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