CN111190201A - 基于rfid的北斗高精度监测装置及其信号传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及基于RFID的北斗高精度监测装置及其信号传输方法。包括北斗信号接收天线阵、北斗射频模块、信号处理模块、RFID模块和电源模块，所述北斗信号接收天线阵用于接收北斗信号，所述北斗射频模块用于将北斗信号接收天线阵接收的北斗信号转换为北斗卫星中频信号，并传输至信号处理模块，所述信号处理模块用于对北斗卫星中频信号进行信号处理，并将处理结果传送至RFID模块，所述RFID模块用于将信号处理模块的信号处理结果进行无线发射，传输至外部的RFID信号接收端。本发明可以通过RFID传输技术实现北斗高精度监测数据在野外复杂环境中稳定可靠、低功耗的无线传输，并通过天线阵实现多点安全监控。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及基于RFID的北斗高精度监测装置及其信号传输方法。
背景技术
RFID又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID读写器也分移动式的和固定式的，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，在安防领域应用于物资识别传输等系统中。RFID技术也被应用于信息传输，将被传输等信息存储在射频标签中，能够自动、非接触、远距离地完成信息的识别和监控，是基于物联网射频识别在安防领域的延伸，突破了原有安防信息采集技术的瓶颈，实现安防信息的分类采集、精确化采集、海量采集，动态方便采集。
北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。目前正在规划建设北斗地基增强系统和信息中心，北斗地基增强系统是北斗系统的重要组成部分，采取“统一规划、统一标准、共建共享”的原则，将构建统一的北斗高精度地面基准站网。北斗地基增强系统由基准站网络、数据处理系统、运营服务平台、数据播发系统和用户终端五部分组成，基准站接收卫星导航信号后，通过数据处理系统解算形成导航卫星精密轨道和钟差等差分增强信息，经卫星、广播、移动通信等手段实时播发给应用终端，应用终端利用差分增强信息修正误差，实现米、分米、厘米级以及后处理毫米级服务。
北斗高精度安防监测应用，是对监测目标发生的微小移动或变形进行连续不断测量，得出其三维变化及其演变趋势的工作。形变监测涉及到的领域众多，较常见的有：山体滑坡、地表沉降、桥梁、高层建筑、矿山等。从前期的微小形变发生到发展成巨大变化是一个缓慢的过程，监测的任务就是在微小变形解算计算形变的累计变化量，模拟形变发展的趋势，在监测对象发生剧烈变化之前及时发现，从而减小人民群众生命和财产的损失。所以，真实、准确监测形变的发生和预测形变的发展趋势，是一项复杂而不可或缺的工作。
现有的北斗高精度监测数据传输均采用有线/无线网络来完成，通常采用单个站进行监测点安装布置，每个监测点包含一个天线和监测接收机。对于水电、山体滑坡安防现场，其一般位于野外郊区，现有的基于移动网络的无线传输依赖移动通信基站，但由于处于远郊、山区等，移动信号差，影响传输效果，且其传输费用相对较高；而针对采用有线网络，架设难度大，线缆维护难度也大。RFID技术能够自动、非接触、远距离地完成信息的识别和监控，但目前还没有将RFID技术应用于北斗高精度监测数据传输的有效技术手段。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了基于RFID的北斗高精度监测装置及其信号传输方法，其应用时，可以通过RFID传输技术实现北斗高精度监测数据在野外复杂环境中稳定可靠的无线传输，同时通过天线阵的布设方案，可以实现多点同步监测。
本发明所采用的技术方案为：
基于RFID的北斗高精度监测装置，包括北斗信号接收天线阵和北斗接收机，所述北斗接收机内集成有北斗射频模块、信号处理模块、RFID模块和电源模块，所述北斗信号接收天线阵用于接收北斗信号，所述北斗射频模块用于将北斗信号接收天线阵接收的北斗信号转换为北斗卫星中频信号，并传输至信号处理模块，所述信号处理模块用于对北斗卫星中频信号进行信号处理，并将处理结果传送至RFID模块，所述RFID模块用于将信号处理模块的信号处理结果进行无线发射，传输至外部的RFID信号接收端，所述电源模块用于为北斗射频模块、信号处理模块和RFID模块供电。
作为上述技术方案的优选，所述北斗信号接收天线阵包括四个天线阵子，四个天线阵子布设在四个不同的监测点位，所述信号处理模块进行四通道的北斗卫星中频信号处理，获得的处理结果包含四个监测点位的观测量信息、定位信息和时间信息。
作为上述技术方案的优选，所述信号处理模块包括FPGA信号处理器和DSP信号处理器，所述FPGA信号处理器用于对北斗卫星中频信号进行信号解调和定位解算，并获得处理结果，所述DSP信号处理器用于对FPGA信号处理器的处理结果进行数字化处理，DSP信号处理器将数字化处理结果传送至RFID模块。
作为上述技术方案的优选，所述FPGA信号处理器采用Cyclone III型FPGA处理器，所述DSP信号处理器采用TMS320C6747型DSP处理器。
作为上述技术方案的优选，所述DSP信号处理器设有用于对DSP信号处理器进行调试的DEBUG串口。
作为上述技术方案的优选，所述北斗射频模块采用MAX3065型射频模块。
作为上述技术方案的优选，所述RFID模块采用基于UCODE的有源RFID模块，RFID模块与北斗接收机之间通过I2C总线对接。
作为上述技术方案的优选，所述电源模块提供-5V、3.3V、1.2V和2.5V线性电源。
基于RFID的北斗高精度监测装置信号传输方法，包括以下步骤：
步骤一、北斗信号采集：接收四个监测点位的北斗信号，并对北斗信号进行射频信号转北斗卫星中频信号处理；
步骤二、北斗信号处理：对转换后的北斗卫星中频信号进行解调处理和定位解算处理，提取北斗信号中包含的观测量信息、定位信息和时间信息；
步骤三、数字化处理：将提取的观测量信息、定位信息和时间信息进行数字化处理，转换为数字信号；
步骤四、RFID传输：将数字信号通过RFID电子标签传输至信号接收端。
作为上述技术方案的优选，在步骤二中，采用最小二乘定位解算算法对北斗卫星中频信号进行定位解算处理。
本发明的有益效果为：
本发明通过北斗信号接收天线阵和北斗射频模块完成北斗信号的接收和转换；通过信号处理模块完成北斗信号的解调和定位解算，高效获取北斗信号中包含的观测量信息、定位信息和时间信息，再对获取的信息进行数字化处理，以满足RFID模块的传输需求；最后再通过有源RFID模块低功耗、远传输距离、低误码率的特点，实现野外北斗高精度安防监控信息的稳定、可靠传输。同时区别于现有监测站方案，通过一拖四天线阵实现低成本4监测点的安全监测，并通过RFID技术实现有效传输，在成本上实现相当于4个监测站的监测效果方案，另一方面在数据传输上能够区别于现有通过电台模式和移动网络模式传输，能够满足北斗监测站现有观测信息数百KByte的传输量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的监测装置构成示意框图；
图2为本发明的监测装置信号传输方法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
应当理解，在本发明的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例1：
本实施例提供了基于RFID的北斗高精度监测装置，如图1所示：
包括北斗信号接收天线阵和北斗接收机，所述北斗接收机内集成有北斗射频模块、信号处理模块、RFID模块和电源模块，所述北斗信号接收天线阵用于接收北斗信号，所述北斗射频模块用于将北斗信号接收天线阵接收的北斗信号转换为北斗卫星中频信号，并传输至信号处理模块，所述信号处理模块用于对北斗卫星中频信号进行信号处理，并将处理结果传送至RFID模块，所述RFID模块用于将信号处理模块的信号处理结果进行无线发射，传输至外部的RFID信号接收端，所述电源模块用于为北斗射频模块、信号处理模块和RFID模块供电。
所述北斗信号接收天线阵包括四个天线阵子，四个天线阵子布设在四个不同的监测点位，所述信号处理模块进行四通道的北斗卫星中频信号处理，获得的处理结果包含四个监测点位的观测量信息、定位信息和时间信息。
所述信号处理模块包括FPGA信号处理器和DSP信号处理器，所述FPGA信号处理器用于对北斗卫星中频信号进行信号解调和定位解算，并获得处理结果，所述DSP信号处理器用于对FPGA信号处理器的处理结果进行数字化处理，DSP信号处理器将数字化处理结果传送至RFID模块。
所述FPGA信号处理器采用Cyclone III型FPGA处理器，所述DSP信号处理器采用TMS320C6747型DSP处理器。所述DSP信号处理器设有用于对DSP信号处理器进行调试的DEBUG串口，外部调试工具通过连接DEBUG串口即可接DSP信号处理器，以完成对DSP信号处理器的测试、调试。所述北斗射频模块采用MAX3065型射频模块。所述电源模块提供-5V、3.3V、1.2V和2.5V线性电源。
所述RFID模块采用基于UCODE的有源RFID模块，RFID模块与北斗接收机之间通过I2C总线对接。有源RFID模块可与北斗接收机同PCB设计。有源RFID，又称为主动式RFID(Active tag)，依据电子标签供电方式的不同进行划分的电子标签一种类型，通常支持远距离识别。电子标签可以分为有源电子标签(Active tag)、无源电子标签(Passive tag)和半无源电子标签(Semi-passivetag)。有源电子标签有内部供电，无源射频标签没有内部供电，半无源电子标签(Semi-passive tag)部分依靠内部供电工作。RFID是一种简单的无线系统，由两个基本器件组成，询问器(或阅读器)和很多应答器(或标签)，同时辅以天线、外围网络、中间件、管理系统，从而形成完整的RFID应用系统。有源RFID电子标签主要由中心处理器(MCU)、通讯芯片和天线组成。有源电子标签按照工作频率可以分为433MHz、2.4GHz，按照通讯方式可以分为单向标签、双向标签，按照封装方式可以分为卡式标签、腕式标签、钥匙式标签等。RFID标签俗称电子标签，RFID标签中存储一个唯一编码，其地址空间大大高于条码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。标签上电后，按照预设的规则周期性的进行信号发射，当RFID标签进入读写器的作用区域，阅读器获取到标签发射出来的信息，即完成了对标签的识别过程。
在外部的RFID信号接收端设置对应的RFID阅读器就可以完成对RFID模块传输的观测量信息、定位信息和时间信息的稳定接收，RFID阅读器是对RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。RFID阅读器是RFID系统中最重要的基础设施，一方面，RFID标签返回的电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传。在上传数据时，读写器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤，将其加工为读写器事件后再上传，以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量，因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统，实现一部分中间件的功能，如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。
具体实施时，通过北斗信号接收天线阵和北斗射频模块完成北斗信号的接收和转换；通过信号处理器完成北斗信号的解调和定位解算，高效获取北斗信号中包含的观测量信息、定位信息和时间信息，再对获取的信息进行数字化处理，以满足RFID模块的传输需求；最后再通过有源RFID模块低功耗、远传输距离、低误码率的特点，实现野外北斗高精度安防监控信息的稳定、可靠传输。
将北斗接收端与RFID集成在一体，并使其具有不可完好拆移特性，可以将采集到的高精度位置和身份信息进行深度融合，实现对高精度安防监测数据的不接触传输。
运用RFID跳频技术，在其工作带宽内，不断地跳变频率，跳频相当于瞬时的窄带通信系统，每隔0.02-0.1秒跳变一个频率，从而回避电磁干扰，提高标签的抗干扰能力，相对直频技术，具有保密性好、信息传输距离远的特点。
实施例2：
作为对上述实施例的优化，如图2所示，基于RFID的北斗高精度监测装置信号传输方法，包括以下步骤：
步骤一、北斗信号采集：接收四个监测点位的北斗信号，并对北斗信号进行射频信号转北斗卫星中频信号处理；
步骤二、北斗信号处理：对转换后的北斗卫星中频信号进行解调处理和定位解算处理，提取北斗信号中包含的观测量信息、定位信息和时间信息；
步骤三、数字化处理：将提取的观测量信息、定位信息和时间信息进行数字化处理，转换为高精度监测定位结果；
步骤四、RFID传输：将高精度监测定位结果通过RFID电子标签传输至信号接收端。
在步骤二中，采用最小二乘定位解算算法对北斗卫星中频信号进行定位解算处理。最小二乘定位解算算法为常见的用于卫星定位信息解算的算法，最小二乘定位解算就是将最小二乘法应用于定位信息解算的方法，最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (10)
1.基于RFID的北斗高精度监测装置，其特征在于：包括北斗信号接收天线阵和北斗接收机，所述北斗接收机内集成有北斗射频模块、信号处理模块、RFID模块和电源模块，所述北斗信号接收天线阵用于接收北斗信号，所述北斗射频模块用于将北斗信号接收天线阵接收的北斗信号转换为北斗卫星中频信号，并传输至信号处理模块，所述信号处理模块用于对北斗卫星中频信号进行信号处理，并将处理结果传送至RFID模块，所述RFID模块用于将信号处理模块的信号处理结果进行无线发射，传输至外部的RFID信号接收端，所述电源模块用于为北斗射频模块、信号处理模块和RFID模块供电。
2.根据权利要求1所述的基于RFID的北斗高精度监测装置，其特征在于：所述北斗信号接收天线阵包括四个天线阵子，四个天线阵子布设在四个不同的监测点位，所述信号处理模块进行四通道的北斗卫星中频信号处理，获得的处理结果包含四个监测点位的观测量信息、定位信息和时间信息。
3.根据权利要求1所述的基于RFID的北斗高精度监测装置，其特征在于：所述信号处理模块包括FPGA信号处理器和DSP信号处理器，所述FPGA信号处理器用于对北斗卫星中频信号进行信号解调和定位解算，并获得处理结果，所述DSP信号处理器用于对FPGA信号处理器的处理结果进行数字化处理，DSP信号处理器将数字化处理结果传送至RFID模块。
4.根据权利要求3所述的基于RFID的北斗高精度监测装置，其特征在于：所述FPGA信号处理器采用Cyclone III型FPGA处理器，所述DSP信号处理器采用TMS320C6747型DSP处理器。
5.根据权利要求3所述的基于RFID的北斗高精度监测装置，其特征在于：所述DSP信号处理器设有用于对DSP信号处理器进行调试的DEBUG串口。
6.根据权利要求1所述的基于RFID的北斗高精度监测装置，其特征在于：所述北斗射频模块采用MAX3065型射频模块。
7.根据权利要求1所述的基于RFID的北斗高精度监测装置，其特征在于：所述RFID模块采用基于UCODE的有源RFID模块，RFID模块与信号处理模块之间通过I2C总线对接。
8.根据权利要求1所述的基于RFID的北斗高精度监测装置，其特征在于：所述电源模块提供-5V、3.3V、1.2V和2.5V线性电源。
9.根据权利要求1-8任一所述的基于RFID的北斗高精度监测装置，提供基于RFID的北斗高精度监测装置信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、北斗信号采集：接收四个监测点位的北斗信号，并对北斗信号进行射频信号转北斗卫星中频信号处理；
步骤二、北斗信号处理：对转换后的北斗卫星中频信号进行解调处理和定位解算处理，提取北斗信号中包含的观测量信息、定位信息和时间信息；
步骤三、数字化处理：将提取的观测量信息、定位信息和时间信息进行数字化处理，转换为数字信号；
步骤四、RFID传输：将数字信号通过RFID电子标签传输至信号接收端。
10.根据权利要求9所述的基于RFID的北斗高精度监测装置信号传输方法，其特征在于：在步骤二中，采用最小二乘定位解算算法对北斗卫星中频信号进行定位解算处理。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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