CN112203246B - 一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统及方法 - Google Patents
一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112203246B CN112203246B CN202010850218.1A CN202010850218A CN112203246B CN 112203246 B CN112203246 B CN 112203246B CN 202010850218 A CN202010850218 A CN 202010850218A CN 112203246 B CN112203246 B CN 112203246B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- node
- backscattering
- signal
- central node
- frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 90
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 64
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 33
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 31
- 238000012795 verification Methods 0.000 claims description 30
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 24
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 21
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 17
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 17
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 16
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 10
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 9
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 3
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 claims description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 4
- 238000013480 data collection Methods 0.000 abstract description 4
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 4
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 108010076504 Protein Sorting Signals Proteins 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000002618 waking effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
- H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
- H04W4/38—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
- H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
- H04W4/40—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for vehicles, e.g. vehicle-to-pedestrians [V2P]
- H04W4/42—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for vehicles, e.g. vehicle-to-pedestrians [V2P] for mass transport vehicles, e.g. buses, trains or aircraft
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W74/00—Wireless channel access
- H04W74/08—Non-scheduled access, e.g. ALOHA
- H04W74/0808—Non-scheduled access, e.g. ALOHA using carrier sensing, e.g. carrier sense multiple access [CSMA]
- H04W74/0816—Non-scheduled access, e.g. ALOHA using carrier sensing, e.g. carrier sense multiple access [CSMA] with collision avoidance
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统及方法，该系统包括监测传感器、背向散射节点以及中心节点，中心节点搭载在移动巡检载体上，一个背向散射节点至少与一个监测传感器连接，中心节点用于发送激励信号,背向散射节点用于接收激励信号并收集能量给自身供电，并从接收到的激励信号中读取指令信息，背向散射节点用于根据相应的指令信息读取传感器数据，并将传感器数据传输给中心节点；中心节点用于接收传感器数据并保存。本发明在无源或低功耗条件下实现了数据传送,并延长传送距离，降低传输成本。且采用移动巡检载体巡检，传感器数据收集不需要建立固定有线或无线传送通道，可以减少无线或有线传输设备、通道的建设和使用成本。
Description
技术领域
本发明属于铁路物联网信息技术领域，具体涉及一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统及方法。
背景技术
铁路的运营与安全保障受到高度关注，在铁路沿线布设传感器对铁路基础设施运用状态进行监测，是提高检测、维修和运输效率，预防事故和减少故障，确保铁路运输安全的重要手段。在典型低密度铁路场景下，区间供电困难，成本高，采用固定的有线和无线传输通道进行监测信息收集的通道建设和使用成本较高，这些成为制约铁路基础设施安全监测发展的障碍。采用无源或低功耗监测和传送技术成为重要的发展方向，如RFID，但RFID技术的主要问题是：通信距离近，只能在10m内通信，通信速率低，难以满足监测信息等信息传送的通信要求。
当前也有一些无源传感器，存在读取距离短，无法同时处理多个无线传感器标签等问题，导致应用时受限。
发明内容
本发明提供了一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统及方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
本发明是这样实现的：本发明公开了一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统，包括监测传感器、背向散射节点以及中心节点，中心节点搭载在移动巡检载体上，一个背向散射节点至少与一个监测传感器连接，所述中心节点用于发送激励信号,背向散射节点用于接收激励信号并收集能量给自身供电，并从接收到的激励信号中读取指令信息，背向散射节点用于根据相应的指令信息读取传感器数据，并将传感器数据传输给中心节点；所述中心节点用于接收传感器数据并保存。
中心节点将保存的监测信息转发给服务器。
进一步地，背向散射节点用于从接收到的激励信号中读取与之对应的激活指令、传输终止指令以及中心节点为背向散射节点分配的频分信道；
当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的激活指令时，该背向散射节点用于读取传感器数据，整理成数据包，并接入中心节点为其分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
所述中心节点用于判断是否接收到目的数据，当中心节点接收到目的数据后发送传输终止指令给相应的背向散射节点；
背向散射节点在未收到传输终止指令时利用中心节点为其分配的频分信道持续循环传输数据包给中心节点；
当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的传输终止指令时，该背向散射节点终止信号传输。
进一步地，当中心节点解析数据发现高误码时触发冲突检测机制，中心节点查询信道接入情况，判断是否存在不同背向散射节点先后接入同一信道，若存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则中心节点发出退避指令控制后接入的背向散射节点进行退避，并接入新分配信道；
若不存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则判断该信道对应的频点(中心频点)是否存在多个信号到达角，若该信道对应的频点存在多个信号到达角，则中心节点发出退避指令控制使用该信道产生冲突的两个或多个背向散射节点同时退避，并分别接入新分配信道；当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的退避指令时，该背向散射节点用于退避并重新接入中心节点为其重新分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
中心节点分配频分信道时，首先查询可用信道，并判断各可用信道的能量谱，优先分配能量谱较低的信道给背向散射节点。
若检测到该频点不存在多个信号到达角，则重新冲突检测判断是否存在冲突，若存在冲突，则中心节点发出退避指令控制使用该信道产生冲突的两个或多个背向散射节点同时退避，并分别接入新分配信道，若不存在冲突，则退出冲突检测。
冲突检测时，若查询到多个接入(这个冲突节点还成功接入了)或检测到多个到达角或检测到一个宽到达角，则判断为存在冲突。
进一步地，所述背向散射节点包括射频能量收集电路、信号接收电路、电源管理电路、主控模块、信号发射电路，所述射频能量收集电路用于收集射频能量，所述电源管理电路用于存储射频能量收集电路收集的射频能量，并将射频能量转换为直流电压，用于给整个背向散射节点供电；所述信号接收电路用于读取中心节点发射的激励信号，并发送给主控模块，所述主控模块用于从接收到的激励信号中读取序列，所述主控模块用于根据读取的序列输出控制信号给信号发射电路，发送信号给中心节点；所述信号接收电路、信号发射电路均与主控模块电连接；
所述中心节点包括射频激励源、无线信号接收器、主控模块以及供电单元，所述供电单元用于给整个中心节点供电，射频激励源用于接收主控模块的控制信号，发出大功率射频信号用于给背向散射节点供能，无线信号接收器用于接收解调背向散射节点传输来信号，所述主控模块用于控制激励源和无线信号收发节点并处理整合数据；其中无线信号接收器在检测到异常发生时加大采样率，并保留接收到的数据进行冲突检测；所述移动巡检载体采用无人机、低速列车、汽车或移动人员。
进一步地，背向散射节点的信号发射电路包括被动发射电路，被动发射电路在反射和接收两种状态间切换，被动发射电路处于接收状态时，背向散射节点接收激励信号并收集能量，被动发射电路处于反射状态时，激励信号被反射回去，同时携带了监测信息，中心节点从接收的信息中分离出监测信息；
背向散射节点的信号发射电路还包括主动发射电路，主动发射电路基于线性调频信号实现通信，在采用被动通信方式且地面节点连续接收不到中心节点回应时由主控模块唤醒主动发射电路工作。
系统唤醒后主控模块先唤醒被动发射电路工作，连续未回应状态后(20ms)(实际部署各种意外情况造成)再触发主动电路工作，能量收集电路储能电容开始放电供给主动电路工作。
本发明公开了一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集方法，包括如下步骤：
预先按照频率划分多个不同频分信道；
搭载了中心节点的移动巡检载体沿铁路线巡检，中心节点持续发射激励信号，激励信号中包含有激活指令、传输终止指令以及中心节点为背向散射节点分配的频分信道，背向散射节点接收激励信号并收集能量给自身供电，当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的激活指令后实现激活，激活后的背向散射节点读取传感器数据，整理成数据包，并接入中心节点为其分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点，中心节点接收新接入的背向散射节点发送的数据包；
中心节点判断是否满足冲突检测触发条件，若不满足冲突检测触发条件，则该背向散射节点在未收到传输终止指令时继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点；
若满足冲突检测触发条件，则中心节点查询信道接入情况，若中心节点查询到有先后接入的背向散射节点时，判断产生冲突，判断产生冲突后，中心节点发出退避指令控制后接入的背向散射节点进行退避，并接入新分配信道；
后接入的背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的退避指令后，进行退避并重新接入中心节点为其重新分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
中心节点接收背向散射节点发送的数据包，判断是否接收到目的数据，若中心节点接受到目的数据，则中心节点发送传输终止指令给对应的背向散射节点，当该背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的传输终止指令后终止信号传输，否则，该背向散射节点继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点；
中心节点从接收到的数据包中分离出监测信息并保存。
进一步地，当中心节点解析数据发现高误码时触发冲突检测机制，中心节点查询信道接入情况，判断是否存在不同背向散射节点先后接入同一信道，若存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则中心节点发出退避指令控制后接入的背向散射节点进行退避，并接入新分配信道；
若不存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则判断该频点是否存在多个信号到达角，若该频点存在多个信号到达角，则中心节点发出退避指令控制使用该信道产生冲突的两个或多个背向散射节点同时退避，并分别接入新分配信道；当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的退避指令时，该背向散射节点用于退避并重新接入中心节点为其重新分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
中心节点分配频分信道时，首先查询可用信道，并判断各可用信道的能量谱，优先分配能量谱较低的信道给背向散射节点。
若检测到该频点不存在多个信号到达角，则重新冲突检测判断是否存在冲突，若存在冲突，则中心节点发出退避指令控制使用该信道产生冲突的两个或多个背向散射节点同时退避，并分别接入新分配信道，若不存在冲突，则退出冲突检测。
进一步地，激励信号的信号帧包括循环前缀、待激活背向散射节点地址、移频配置位、结束标志、循环冗余校验，其中待激活背向散射节点地址对应于每个背向散射节点的编号，中心节点通过该地址区分不同背向散射节点，移频配置位为该背向散射节点随机分配的频分信道，被激活背向散射节点根据该信息选用对应的移频配置进行通信；
背向散射节点向中心节点发射的信号帧包括数据报头、偏移校正段、数据载荷、循环冗余校验，所述数据报头包括循环前缀、地址段、移频配置位，所述偏移校正段包括频偏校正段、幅度校验段。
移频配置计算公式如下：
其中fshift是最终移频频率，fset是移频配置位信息，每个相邻频点均间隔带宽为BW。当相邻信道存在占用情况，实际移频会采用±BW作为增大频率间隔的方式进行调整起保护带宽的作用，当不存在相邻信道被占用情况则释放该保护带宽。
实际通信时是存在保护带宽的，分配带宽一般大于实际占用的带宽(分配带宽BW，一般只占据3/4的带宽)。在信道较空闲的时候，中心节点发现
被占用之后，如果/>
是空闲状态，会优先分配/>
进一步地，中心节点收到背向散射节点发送的信号后，进行信号解调以及信号校验，进行信号校验时得到频率校验值和幅度校验值，进行信号解调时使用频率校验值和幅度校验值来辅助解调；
进行信号校验的方法为：中心节点通过离散傅里叶变换获得信号的频率信息与对应的能量，并将计算得到的频率与配置的频率做对比，得到频率校验值；同时，将计算得到的频率对应的能量与约定值进行对比，得到幅度校验值；
进行信号解调时使用频率校验值来辅助解调，具体包括：处理器根据频率校验值调整内部频率合成器参数，使得频率向偏移方向调整，用于补偿中心节点运动方向上节点的移频中心频点。
进行信号解调时使用了幅度校验值来辅助解调，具体包括：根据幅度校验值调整解调过程中判别器的参考电压阈值。
解调时将电磁波通过下变频滤波采样变成电压信号，再通过判别器将电压信号与参考电压阈值进行比较，大于或等于参考电压阈值，则记为比特1，小于参考电压阈值，则记为比特0，中心节点最终将接收到的信号变成只有两种电压的二进制信号。
进一步地，新接入的背向散射节点在未收到传输终止指令时继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点，具体包括：新接入的背向散射节点在未接收到终止传输指令时，在发送完一组传感器信号之后，间断设定时间段后，又继续重新发送该组传感器信号，直至接收到传输终止指令；
背向散射节点持续循环传输数据包给中心节点时，中心节点收到第一组传感器信号后，根据频率校验值和幅度校验值来辅助解调，此时频率校验值和幅度校验值为默认值，并进行信号校验得到频率校验值和幅度校验值；当中心节点收到第二组传感器信号后，根据第一组传感器信号进行信号校验时得到的频率校验值和幅度校验值频率来辅助解调，并进行信号校验得到频率校验值和幅度校验值，依次类推，直至背向散射节点停止发送传感器信号。
本发明至少具有如下有益效果：
(1)负责传感器的监测信息传送的背向散射节点不需要单独供电，可以大大降低成本。当传感器本身是无源的，如仅有开关或二值状态可以通过通断来代表监测信息，那么地面节点可以完全不需要供电，这样特别适用铁路沿线大量无电源供应的防护栅栏门的情形。即使是传感器需要少量供电，可以采用电池或很小的太阳能板就可以解决供电问题。本发明在无源或低功耗条件下实现了数据传送,并延长传送距离，降低传输成本。
(2)采用移动巡检载体巡检，传感器数据收集不需要建立固定有线或无线传送通道，可以减少无线或有线传输设备、通道的建设和使用成本。
(3)采用了多个背向散射节点同时接入中心节点的机制，可以远距离同时对多个监测点进行信息收集，无需巡检人员抵近查看相关设施的状态，通过这套系统可以自动且远距离获取相关状态监测信息，改善了劳动条件、提高了状态监测水平等。
(4)在多背向散射节点进行并行通信时，可能产生冲突情况，即前置背向散射节点尚未结束传输，却已有新的背向散射节点接入的情况，本系统采用了当监测到冲突产生时，巡检无人机中心节点会查询冲突信道和空闲信道的占用情况，根据能量谱状况判定退避策略，保证前置接入的背向散射节点能继续占用原信道完成信息传输，新接入的背向散射节点进行退避与重新接入的方案解决了信道冲突问题，保证系统通信链路的稳定性。
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它的附图。
图1为本发明基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统原理图；
图2为本发明基于背向散射技术的铁路监测信息系统通信流程示意图；
图3为本发明监测信息系统背向散射节点激活信号帧结构示意图；
图4为本发明铁路监测信息系统背向散射节点通信帧结构示意图；
图5为本发明监测信息系统背向散射节点冲突退避结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1至图5，本实施例公开了一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统，包括监测传感器、背向散射节点以及中心节点，监测传感器和背向散射节点布设在铁路沿线需要监测的信息点(称为“监测点”)，一个背向散射节点至少与一个监测传感器连接，监测传感器可以为低功耗或无源监测传感器，但不限于低功耗或无源监测传感器。若监测传感器为无源传感器则提供开关量状态或静态固定信息直接存储在背向散射节点中，背向散射节点接收监测传感器的信息(如开关量状态或其他有源传感器输出的监测数据)或直接读取自身存储的静态固定信息。本实施例是一个背向散射节点与一个监测传感器对应连接。所述中心节点用于发送激励信号,背向散射节点用于接收激励信号并收集能量给自身供电，并从接收到的激励信号中读取与之对应的激活指令、退避指令、传输终止指令以及中心节点为背向散射节点分配的频分信道；中心节点持续输出激励信号，背向散射节点主要采用被动反射该激励信号进行通信。
当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的激活指令时，该背向散射节点用于读取传感器数据，整理成数据包，并接入中心节点为其分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；所述中心节点用于检测信道冲突，判断是否触发冲突检测机制，若否，则该背向散射节点在未收到传输终止指令时继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点；若是，则中心节点查询信道接入情况，若中心节点查询到有先后接入的背向散射节点时，判断产生冲突，判断产生冲突后，中心节点发出退避指令控制后接入的背向散射节点进行退避，并接入新分配信道；当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的退避指令时，该背向散射节点用于退避并重新接入中心节点为其重新分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；所述中心节点用于判断是否接收到目的数据，当中心节点接收到目的数据后发送传输终止指令给相应的背向散射节点；背向散射节点在未收到传输终止指令时利用中心节点为其分配的频分信道持续循环传输数据包给中心节点；当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的传输终止指令时，该背向散射节点终止信号传输；所述中心节点用于从接收到的数据包中分离出监测信息并保存，中心节点将保存的监测信息转发给服务器。
中心节点需要接收到目的数据，如门状态。如果传输过程中受到干扰使得门状态这一信息不能确信接收(校验信息或者门状态信息其中一个不能正确接收)即视为未接收到目的数据或足够数据，直到接收到确信的数据即视为接收到目的数据或足够数据。
进一步地，本发明的中心节点将保存的监测信息通过离线方式或其它无线传输通道转发给地面服务器，供其它应用进一步处理，为铁路运营和维护服务。
检测到信道冲突后，检测信道冲突的细节过程如下：首先在信号能量较强但产生连续误码时触发冲突检测机制，查询信道接入情况，查询到有先后接入的节点时，让后接入的节点进行退避。若未查询到先后接入的节点时(冲突节点未成功接入，但产生干扰情况)，通过使用无人机直线运动连续获得的采样信号对该信道信号进行到达角度估计，估计发现存在多个角度存在能量或单一角度宽度较高时，判断产生冲突，判断产生冲突后，中心节点在该节点广播退避信号，使用该信道产生冲突的两个或多个背向散射节点同时退避，然后中心节点用于查询可用信道，并判断各可用信道的能量谱，优先分配能量谱较低的信道给背向散射节点。此部分主要为优化设计，检测到碰撞时，分配信道会尽量远离能量谱较高的信道，如信道1被占用了，空闲信道有信道2、信道3、信道10，但是中心节点发现信道3附近有较大的能量(可能是环境中的其他电磁干扰造成的)，而信道10附近比较干净(即能量谱较低)，遂优先分配信道10。
背向散射节点在未收到传输终止指令时利用中心节点为其重新分配的频分信道持续循环传输数据包给中心节点，具体包括：背向散射节点在未接收到终止传输指令且检测到较高的激励信号(中心节点仍在附近)时，会在发送完传感器信号之后，间断设定时间段如5ms后，又继续重新发送传感器信号，直至接收到传输终止指令。
背向散射节点的信号收发(天线部分)工作状态在接收状态和反射状态间转换，背向散射节点处于接收状态时，接收激励信号并收集能量，背向散射节点处于反射状态时，激励信号被反射回去，同时携带了监测信息，中心节点从接收的信息中分离出监测信息。
进一步地，所述背向散射节点包括射频能量收集电路、信号(包络)接受电路、电源管理电路、主控模块、信号发射电路，所述射频能量收集电路用于收集射频能量，所述电源管理电路用于存储射频能量收集电路收集的射频能量，并将射频能量转换为直流电压，用于给整个背向散射节点供电；所述信号(包络)检测电路、信号发射电路均与主控模块连接，所述信号接收电路用于读取中心节点发射的激励信号，并发送给主控模块，所述主控模块用于从接收到的激励信号中读取序列，所述主控模块用于输出控制信号给信号发射电路，实现信号发送。主控模块采用单片机最小系统。背向散射节点主要利用包络检测电路来读取中心节点传输的信息。
背向散射节点的信号发射电路包括被动发射电路，被动发射电路在反射和接收两种状态间切换，被动发射电路处于接收状态时，背向散射节点接收激励信号并收集能量，被动发射电路处于反射状态时，激励信号被反射回去，同时携带了监测信息，中心节点从接收的信息中分离出监测信息。
被动发射电路的反射和接收两种状态主要由电路阻抗与天线阻抗的匹配与否造成，当天线阻抗与电路阻抗匹配时处于接收状态，不匹配时处于反射状态。
所述被动发射电路包括阻抗变换电路，发送信号给中心节点的过程是微处理器控制阻抗变换电路实现的。(阻抗变换的规律->环境中电磁波改变的规律->中心节点检测到->实现通信)。
阻抗变换电路是受电子开关控制的多级阻抗，控制电平为高，就把天线连在阻抗1上(匹配上是吸收状态)，控制电平为低将天线连接在阻抗2上(短路能量反射回去了)。
功能是基于以上原理实现的：电磁波传输过程中遇到阻抗不连续点会产生反射，其中反射系数T＝((负载阻抗-源阻抗)/(负载阻抗+源阻抗))^2，传播过程：电磁波被天线接收到开始向内电路传输，电子开关将内电路阻抗接到阻抗1，匹配上，反射系数小对外表现为到达天线的能量全部被内电路吸收，当电子开关把阻抗切换到2，反射系数变大，天线到内电路的电磁波无法完全被内电路吸收，就又从天线端口辐射出来了，对外表现为反射电磁波。外界可以通过检测载波的能量发现它阻抗切换带来的影响(它反射和吸收两种状态外界检测到的信号不一样)。
通过对外界的电磁波反射吸收，从而实现在自己不产生电磁波(产生电磁波的通信设备的能耗很高)的条件下通过改变环境中的载波实现通信。
信道切换原理是：通过控制调整开关切换速率，微处理器输出pwm波(脉冲宽度调制波)，产生不同频率的中频信号，所述微处理器用于将待传输的信号调制在不同的中频上，实现使用不同的信道与中心节点通信。
开关速率通过背向散射节点的微处理器改变控制压控振荡器输出不同频率的信号产生，该信号控制电子开关的闭合与打开实现开关速率的调整。其中开关是射频电子开关芯片，通过不同的电平控制该芯片内部的接线。该射频电子开关在本系统中用于阻抗控制，拥有的不同的挡位对应着不同的阻抗。
背向散射节点的信号发射电路还包括主动发射电路，用于起备用作用，主动发射电路基于线性调频信号实现通信，在采用被动通信方式且地面节点连续接收不到中心节点回应时由主控模块唤醒主动发射电路工作。
系统唤醒后主控模块先唤醒被动发射电路工作，连续未回应状态后(20ms)(实际部署各种意外情况造成)再触发主动电路工作，能量收集电路储能电容开始放电供给主动电路工作。
进一步地，中心节点包括射频激励源、无线信号接收器、处理器以及供电单元。供电单元用于给整个中心节点供电，射频激励源由无线信号发生器和功率放大器组成，用于发出大功率射频信号用于给背向散射节点供能，无线信号接收器用于接收解调背向散射节点传输来信号，处理器用于控制激励源和无线信号收发节点并处理整合数据。供电单元可以是移动巡检载体提供的供电接口，也可以是电池或其他形式具有供电能力的部件。
进一步地，所述移动巡检载体采用无人机、低速列车、汽车或移动人员等。
每个节点有独特的ID序列，也会打包在待传输数据包中通过背向散射的方式传输给中心节点。中心节点产生的指定序列信号加节点ID序列，背向散射节点从接收到的包络中读取出该指定序列即可判断出自身需要退避重新接入其他信道。
中心节点和散射节点间通信流程如图2所示，由于部署的背向散射节点默认情况下处于睡眠状态，需通过中心节点的激励源发送(激励)信号对背向散射节点激活。由于单一背向散射节点记录的传感器信号有限，在激活期间会持续循环传送该传感器信号，在进行多用户频分信道随机接入时，可能会出现碰撞现象，中心节点检测到碰撞信号时发出退避控制信号使新的背向散射节点退避并重新接入其他信道。接入信道指在信道(频点)上收发信号。在接收到足够的信息之后，中心节点会传输通信终止信号，接收到终止信号之后，该背向散射节点结束信号传输。
多个背向散射节点通过频分的方式进行工作，当进行并行通信时背向散射节点调整开关切换速率，背向算散射节点中的微处理器内部逻辑电路，芯片内部自带了数字频率合成器，可以合成不同频率的信号，通过产生中频信号造成频偏，换至另一个频点，将待传输的信号调制在不同的中频上，即实现了使用不同的信道通信的功能，通过移频的方式将信息搬移到另一个频点。如到达天线的电磁波频率为fc＝433MHz，中频信号为fshift＝500kHz(信号发射电路以500kHz的频率切换)，从天线上反射出去的信号的中心频点则变为433.5MHz，相对于原信号有一个500kHz的偏移)。节点1频偏250kHz，节点2频偏500kHz，我们就分别接收对应中心频点周围的信号即可区分出两路信号。
接收端在进行解调时通过改变本地本振频率直接解调该信号，或者通过接收端过采样，恢复出移频信号。同一个频率的信号会相互干扰，如两路433MHz的信号叠加在一起时提升了解调出这两路信号的难度，如果用移频的方式将其中一路搬移到433MHz+500kHz的频点，可以很容易的分别得到信噪比较高的这两路信号。
实施例二
参见图1至图5，本实施例公开了一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集方法，包括如下步骤：
预先按照频率划分多个不同频分信道，本实施例的每个信道频率间隔为500kHz；通过频分实现多个背向散射节点并行接入中心节点，与中心节点传输数据；
搭载了中心节点的移动巡检载体沿铁路线巡检，开始巡检后中心节点持续发射激励信号，激励信号中包含有激活指令、退避指令、传输终止指令以及中心节点为背向散射节点分配的频分信道，背向散射节点收集能量给自身供电实现唤醒(电压不够会进入睡眠状态)，背向散射节点唤醒后开始检测激励信号，当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的激活指令后实现激活(如果信号帧中的地址不是自己的节点就不激活，激活后才能和中心节点通信)，激活后的背向散射节点通过问询的方式读取传感器数据，并整理成数据包，并接入中心节点为其随机分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点，背向散射节点发送的数据包中包含有与背向散射节点唯一对应的节点ID序列，中心节点接收新接入的背向散射节点发送的数据包，检测信道冲突，即中心节点判断是否满足冲突检测触发条件，若不满足冲突检测触发条件，则该背向散射节点在未收到传输终止指令时继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点；
若满足冲突检测触发条件，则中心节点查询信道接入情况，若中心节点查询到有先后接入的背向散射节点时，判断产生冲突，判断产生冲突后，中心节点发出退避指令控制后接入的背向散射节点进行退避，并接入新分配信道；
后接入的背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的退避指令后，进行退避并重新接入中心节点为其重新分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
中心节点接收背向散射节点发送的数据包，判断是否接收到目的数据，若中心节点接受到目的数据，则中心节点发送传输终止指令给对应的背向散射节点，当该背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的传输终止指令后终止信号传输，否则，该背向散射节点继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点；
中心节点从接收到的数据包中分离出监测信息并保存，中心节点将保存的监测信息转发给服务器。
背向散射节点把自己的数据往回传的数据包有一段是地址，这个就是节点ID，作用是告诉中心节点它是哪一个背向散射节点(即编号)。
进一步地，当中心节点解析数据包发现高误码时触发冲突检测机制，中心节点查询信道接入情况，判断是否存在不同背向散射节点先后接入同一信道，若存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则中心节点发出退避指令控制后接入的背向散射节点进行退避，并接入新分配信道；
若不存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则判断该信道对应的中心频点是否存在多个信号到达角，若该信道对应的中心频点存在多个信号到达角，则中心节点发出退避指令控制使用该信道产生冲突的两个或多个背向散射节点同时退避，并分别接入新分配信道；若检测到该信道对应的中心频点不存在多个信号到达角，则重新冲突检测判断是否存在冲突，若存在冲突，则中心节点发出退避指令控制使用该信道产生冲突的两个或多个背向散射节点同时退避，并分别接入新分配信道，若不存在冲突，则退出冲突检测；
当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的退避指令时，该背向散射节点用于退避并重新接入中心节点为其重新分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
中心节点分配频分信道时，首先查询可用信道，并判断各可用信道的能量谱，优先分配能量谱较低的信道给背向散射节点。
若载波起始频率为fc(如设置为400MHz)，假设信道间隔设置为BW(预设参数，可以设置为125kHz、250kHz、500kHz等)，信道N对应的频点为fc+N*BW。
冲突检测时，若查询到多个接入(这个冲突节点还成功接入了)或检测到多个到达角或检测到一个宽到达角，则判断为存在冲突。
信道到达角可以判断该频点有多少设备在发射信号，可以通过到达角估计算法求得信号的方向。例如，信号到达角搜索结果发现45°和135°有较强的能量则说明45°和135°方向有节点再发送信号。如果仅仅发现一个峰，但是这个峰的宽度较大，如大于10°，则可以判断有两个信号控制。
每次新节点被激活开始工作时不知道是否有其他的节点正在工作，随机使用一个信道进行工作。
进一步地，检测到信道冲突后，中心节点用于查询可用信道，并判断各可用信道的能量谱，优先分配能量谱较低的信道给背向散射节点。
不同的背向散射节点预先设置好不同的移频频率，实现不同节点的频分，相邻用户间频带宽度保留一定间隔，保证相邻用户互不干扰。
当进行通信时，中心节点发送特殊的激活信号序列，该信号序列结构针对于铁路巡检系统特殊设计，用来对抗相对运动产生的频率偏移与幅度波动，其帧结构如图3所示，一个完整的激活信号的信号帧由六部分组成，包括循环前缀、待激活节点地址、移频配置位、偏差校验、循环冗余校验和结束标志。其中待激活节点地址对应于每个监测节点的编号，中心节点通过该地址区分不同监测节点，移频配置位为该背向散射节点随机分配的频分信道，被激活背向散射节点根据该信息选用对应的移频配置进行通信，通过多个频分信道实现并行通信。具体地，接收到激活信号后，背向散射节点通过问询的方式读取传感器数据，并整理成数据包，然后使能振荡器开始传输数据包，此时没有其他节点已占据该信道，则继续传输，如有节点已占据该信道，中心节点判断出碰撞则发出退避指令让其在另一个频点传输信号。两个或多个背向散射节点可在不同信道并行传输数据。
特别地，偏差校验信息根据移动的中心节点对应的特殊应用场景设计，解决由高速相对运动造成的频率偏移与幅度波动问题。其中频率校验通过移频配置位与频率控制位信息比对实现，幅度校验通过接收信号幅值对载波信号进行压控频率调制实现，背向散射节点通信帧也采用了相应的信号校正设计。
如图4所示为由背向散射节点向中心节点发射的信号帧结构示意图，主要包括数据报头、偏移校正段、数据载荷、循环冗余校验，所述数据报头包括循环前缀、地址段、移频配置位，信号帧为一长串二进制数据，如最前面八个代表循环前缀，目的是找到一路信号的头，8-16是地址段，地址段就是每个节点的ID，用来区分节点，区分节点的过程都用到了地址段，所述偏移校正段包括频偏校正段、幅度校验段。
移频配置计算公式如下：
其中fshift是最终移频频率，fset是移频配置位信息，每个相邻频点均间隔带宽为BW。本发明的BW可以设置为125kHz、250kHz、500kHz等。当相邻信道存在占用情况，实际移频会采用±BW作为增大频率间隔的方式进行调整起保护带宽的作用，当不存在相邻信道被占用情况则释放该保护带宽。
实际通信时是存在保护带宽的，分配带宽一般大于实际占用的带宽(分配带宽BW，一般只占据3/4的带宽)。在信道较空闲的时候，中心节点发现
被占用之后，如果/>
是空闲状态，会优先分配/>
举例说明：如1、2、3、4是四个相邻的信道，当1信道被占据了，第二个节点随机到了信道2，此时3和4是空闲状态，中心节点考虑到这种情况，决定分配信道3而不是信道2给节点，以起到保护的作用(背向散射通信无法实现单边带，所以相邻信道比传统通信干扰强，这种设计主要是出于降低干扰的考虑)。
中心节点收到背向散射节点的信号都需要进行频率校正和幅度校正，背向散射节点接受到中心节点的信号可以进行校正，也可以不进行校正，根据需要设置，背向散射节点与中心节点的校正原理相同。
进一步地，背向散射节点未接收到终止传输指令且检测到较高的激励信号时，会在发送完一组传感器信号之后，间断设定时间段后，又继续重新发送该组传感器信号，直至接收到传输终止指令。当激励源信号较弱时检测发现供电不足会停止工作。本实施例每次发送间隔为5ms。在这5ms内检测到新的信号时，即判断产生了碰撞，并发出控制指令让新接入的节点退避，并接入其他信道。
背向散射节点持续循环传输数据包给中心节点时，中心节点收到第一组传感器信号后，根据频率校验值和幅度校验值来辅助解调，此时频率校验值和幅度校验值为默认值(可以默认频率校验值和幅度校验值均为0或之前的校验值)，并进行信号校验得到频率校验值和幅度校验值；当中心节点收到第二组传感器信号后，根据第一组传感器信号进行信号校验时得到的频率校验值和幅度校验值频率来辅助解调，并进行信号校验得到频率校验值和幅度校验值，接收到第三组信号再用第二组信号的校验值来协助解调，依次类推，直至背向散射节点停止发送传感器信号。
进一步地，中心节点收到背向散射节点发送的信号后，将信号复制两份分别进行解调和校验，进行信号校验时得到频率校验值和幅度校验值，进行信号解调时使用频率校验值和幅度校验值来辅助解调，作用是校正受环境影响造成的信号偏移，提高信噪比。
进行信号校验的方法为：中心节点通过离散傅里叶变换获得信号的频率信息与对应的能量，并将计算得到的频率与配置的频率做对比，得到频率校验值，例如：约定值频率250kHz，但是检测到的信号是249kHz，判断产生偏移1kHz，调整本地时钟减少解码出错的概率；同时，将计算得到的频率对应的能量与约定值进行对比，得到幅度校验值；
进行信号解调时使用频率校验值来辅助解调，具体包括：将记录的频率校验值送入射频前端芯片，频率校准值对调整芯片内部频率合成器参数，使得频率向偏移方向调整，用于补偿中心节点运动方向上节点的移频中心频点；
进行信号解调时使用了幅度校验值来辅助解调，具体包括：根据幅度校验值调整解调过程中判别器的参考电压阈值，解调时将电磁波通过下变频滤波采样变成高高低低的电压信号，再通过判别器将电压信号与参考电压阈值进行比较，大于或等于参考电压阈值，则记为比特1，小于参考电压阈值，则记为比特0，中心节点最终将接收到的信号变成只有两种电压的二进制信号。如500kHz调整至498kHz，幅度校准值会调整判别器参考电压，如0.05降为0.03，如常用的对于下变频滤波后的信号，(若整体平均电压是0.1V)大于0.05V的是比特1，小于0.05V的是比特0，现在幅度校准发现部分频率点能量衰减较大，将阈值改小比如0.03V以上就是1。
信号解调步骤为：
1.信号在天线上接收到，被前端放大器放大、滤波；
2.信号下变频，10Mbps采样存入缓存；
3.时钟提取，找到信号起始位置(包头，前缀开始出现的位置)；
4.解调信号，解调出的信号第16-20位记录移频配置的信息，对应的信号段做傅里叶变换，可以得到不同频点上的信号的能量；如抽取原始信号第20-28时钟周期间的原始采样信号进行离散傅里叶分析；
5.离散傅里叶变换后获得信号的频率信息与对应的能量，将计算得到的频率与配置的频率做比对，如配置位0100应该是500kHz的频率，离散变换记录得到的是498kHz则可知频率需要校准；同时将计算得到的频率对应的能量与约定值比较，可以获得幅度校正值。
本发明偏差校正详细处理过程如下所述：
频偏校正：持续发送同频率信号，表现在背向散射节点上即为在指定的移频频点发送连续的码元1，移频配置位记录的信息与采样获得的频差信息进行对比，记录频差与中心节点巡检运动方向，用于补偿其运动方向上节点的移频中心频点，从而补偿由于运动造成的多普勒频移；
频率校验目的：无人机运动相对运动会造成频率产生细微的偏移(多普勒效应)，如果中心节点未作补偿，可能会降低接受到的信号质量。
流程：移频配置位告知了中心节点约定移动的频率，频率控制位发送的信号则是当前约定下背向散射节点发出的信号频率。通过比较这一段频率与约定频率的偏移量，可以大致估计出由运动或其他因素造成的频率偏移。
幅度校正：对接收到的信号提取出幅度校验段，对该段信号的幅度和频率进行判别，以对抗信道衰落和环境干扰对信号的影响。其中离散的频率分别对应不同的电平，检测到对应的频率即可知对应幅度比例关系，(对抗衰落)如500kHz频点包络幅度应为250kHz的幅度两倍，如不符合进行校准补偿。(对抗干扰)如500kHz频点信号包络不均一，也进行校准补偿。
目的：幅度校验目的是减小信道衰落对信号造成的影响。
信号帧中有一小段采用压控频率设计，使用了2种频率来代表电压水平频率1＝BW(等于带宽：500kHz)，频率2＝BW/2，频率2以频率1信号能量的1/2发送。检测这段数据(校正段)不同频率段能量对校准判断基准。
频率1、2指设置的参考频点，收到的信号下变频后在对应的频点附近。压控频率是发送信号时的策略，一个电压对应一个频率来传输，例如此处使用两个，即1V用500kHz的单载波信号，0.5V用250kHz的信号，我们接收到信号通过离散傅里叶变换分辨出它是500kHz的信号还是250kHz的信号，就知道这段信号原来的电压是1V还是0.5V。实际接收到的与这个规律不一样，才知道是需要校准的。
中心节点收到背向散射节点发送的信号以及背向散射节点收到中心节点发送的信号后，先进行频率校验和幅度校验，然后在解调该信号时进行补偿；
频率校验通过移频配置位与频率控制位信息比对实现，具体包括：激活信号帧的移频配置位中告知了中心节点约定移动的频率，移频配置位发送的信号则是当前约定下背向散射节点发出的信号频率，通过比较这一段频率与约定频率的偏移量，记录频差与中心节点巡检运动方向，用于补偿其运动方向上节点的移频中心频点；
背向散射节点持续发送同频率信号，即在指定的移频频点发送连续的码元1，移频配置位记录的信息与采样获得的频差信息进行对比；
幅度校验通过接收信号幅值对载波信号进行压控频率调制实现，具体包括：
信号帧中有幅度校验段，采用压控频率VFC设计，使用了2种频率来代表电压水平，第二频率以第一频率信号能量的1/2发送。检测这段数据不同频率段能量对校准判断基准。
对接收到的信号提取出幅度校验段，对该段信号的幅度和频率进行判别，检测到对应的频率即可知对应幅度比例关系，如不符合进行校准补偿。(对抗干扰)如500kHz频点信号包络不均一，也进行校准补偿。
例如发射的信号是1V,500kHz和0.5V,250kHz的信号，我们可以检测到0.01V500kHz，和0.01V250kHz的信号(由于信道原因这两个频率点的衰减幅度不一样大)，我们已知校验得到的500kHz的信号幅度应该是250kHz的信号能量的两倍，就可以对500kHz的信号提供较大的增益(500kHz频点的信号发射能量是250kHz信号的两倍，接受到不足的则稍微放大500khz的信号)来减小这些干扰。
另一方面就是可以对抗干扰，如果无人机机身震动会造成周期性的起伏使得信号产生周期性起伏的包络(这种包络也可以是由于调制周期性的信息产生，所以我们要加以区分)，我们根据提取出的VFC段的频率得知，这段信号没有加入周期信号，应该是恒定包络的，那么我们在接收端可以对起伏的包络高的地方做衰减，低的地方做增强，使其趋近于恒定包络以减小干扰的影响。
为方便起见，以无人机作为移动巡检载体、以铁路防护栅栏门的开关监测为监测传感器作为示例来说明其实施方式。
搭载了中心节点的无人机沿铁路线巡检，中心节点控制激励源发送信号给铁路沿线的背向散射节点，地面背向散射节点天线的工作状态在接收状态和反射状态间转换。背向散射节点处于接收状态时，接收激励信号并收集能量；背向散射节点处于反射状态时，激励信号被反射回去，同时携带了监测信息。中心节点从接收的信息中分离出监测信息，这些信息被保存下来通过离线方式或其它无线传输通道转发给地面服务器，供其它应用进一步处理，为铁路运营和维护服务。
通过门开关传感器与背向散射节点连接实现门状态信息采集。为方便检修和应急抢险人员和设施进出，铁路线路防护栅栏每隔一定距离设置一个门，与防护栅栏一样，门的材质为水泥或金属网，在门上安装一个有源或无源的门开关传感器，并与背向散射发射节点连接。若为无源门开关传感器，传感器给出开/关(通/断)量的干接点信号给背向散射发射节点；若为有源的门开关传感器，则通过RS232或其他接口和协议与背向散射发射节点连接。
散射节点信息发送和中心节点信息接收。中心节点安装在无人机上，无人机沿铁路线飞行。无人机上中心节点控制激励源射频信号给铁路沿线的背向散射节点，地面的背向散射节点的天线的工作状态在接收状态和反射状态间转换。背向散射节点处于接收状态时，收到此激励并收集能量；背向散射节点处于反射状态，激励源信号被反射回去。需要传送的传感器监测信息控制由散射节点的接收和反射状态转换，从而实现将监测信息发送出去。
本实施方案虽然是以铁路防护栅栏门开关状态监测信息传送为例，同样可适用于其他无源低功耗的监测信息量少的应用场景，如电缆井盖板掀动状态监测等信息传送。
本发明的上述方案带来好处主要有以下几点：
(1)负责传感器的监测信息传送的背向散射节点不需要单独供电，可以大大降低成本。当传感器本身是无源的，如仅有开关或二值状态可以通过通断来代表监测信息，那么地面节点可以完全不需要供电，这样特别实用铁路沿线大量无电源供应的防护栅栏门的情形。即使是传感器需要少量供电，可以采用电池或很小的太阳能板就可以解决供电问题。
(2)采用无人机巡检，传感器数据收集不需要建立固定有线或无线传送通道，可以减少无线或有线传输设备、通道的建设和使用成本。
(3)可同时与附近多个监测点进行较远距离监测信息收集，无需巡检人员抵近查看相关设施的状态，通过这套系统可以自动且远距离获取相关状态监测信息，改善了劳动条件、提高了状态监测水平等。
(4)在多背向散射节点进行并行通信时，可能产生冲突情况，即前置背向散射节点尚未结束传输，却已有新的背向散射节点接入的情况，为解决该问题，保证系统通信链路的稳定性。本系统针对该场景设计了如图5所示的冲突退避结构。当监测到冲突产生时，中心节点会查询冲突信道和空闲信道的占用情况，根据能量谱状况判定退避策略，即区分先接入节点和后接入节点(先来后到)，后接入节点退避，先接入节点继续占用原信道，保证前置接入的背向散射节点能继续占用原信道完成信息传输，新接入背向散射节点进行退避与重新接入，错开信道，减少相互干扰提高信号质量。
与其他基于RFID的技术相比之下，本发明的背向散射技术具有通信距离远，功耗低的技术优势，可采用无人机或其他移动巡检载体巡检，解决数据收集问题，适用于铁路沿线监测信息量少、对实时性要求不高的监测对象的信息检测和信息收集等应用场景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集方法，其特征在于,包括如下步骤：
预先按照频率划分多个不同频分信道；
搭载了中心节点的移动巡检载体沿铁路线巡检，中心节点持续发射激励信号，激励信号中包含有激活指令、传输终止指令以及中心节点为背向散射节点分配的频分信道，背向散射节点接收激励信号并收集能量给自身供电，当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的激活指令后实现激活，激活后的背向散射节点读取传感器数据，整理成数据包，并接入中心节点为其分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
所述中心节点检测信道冲突，判断是否触发冲突检测机制，若否，则该背向散射节点在未收到传输终止指令时继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点；若是，则中心节点查询信道接入情况，判断是否存在不同背向散射节点先后接入同一信道，若存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则中心节点发出退避指令控制后接入的背向散射节点进行退避，并接入新分配信道；
若不存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则判断该信道对应的频点是否存在多个信号到达角，若该信道对应的频点存在多个信号到达角，则中心节点发出退避指令控制使用该信道产生冲突的两个或多个背向散射节点同时退避，并分别接入新分配信道；
当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的退避指令时，该背向散射节点用于退避并重新接入中心节点为其重新分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
中心节点接收背向散射节点发送的数据包，判断是否接收到目的数据，若中心节点接受到目的数据，则中心节点发送传输终止指令给对应的背向散射节点，当该背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的传输终止指令后终止信号传输，否则，该背向散射节点继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点；
中心节点从接收到的数据包中分离出监测信息并保存。
2.如权利要求1所述的基于背向散射技术的铁路监测信息收集方法，其特征在于：当中心节点解析数据发现高误码时触发冲突检测机制；
中心节点分配频分信道时，首先查询可用信道，并判断各可用信道的能量谱，优先分配能量谱较低的信道给背向散射节点。
3.如权利要求1所述的基于背向散射技术的铁路监测信息收集方法，其特征在于：激励信号的信号帧包括循环前缀、待激活背向散射节点地址、移频配置位、结束标志、循环冗余校验，其中待激活背向散射节点地址对应于每个背向散射节点的编号，中心节点通过该地址区分不同背向散射节点，移频配置位为该背向散射节点随机分配的频分信道，被激活背向散射节点根据该信息选用对应的移频配置进行通信；
背向散射节点向中心节点发射的信号帧包括数据报头、偏移校正段、数据载荷、循环冗余校验，所述数据报头包括循环前缀、地址段、移频配置位，所述偏移校正段包括频偏校正段、幅度校验段；
移频配置计算公式如下：
其中fshift是最终移频频率，fset是移频配置位信息，每个相邻频点均间隔带宽为BW。
4.如权利要求1所述的基于背向散射技术的铁路监测信息收集方法，其特征在于：中心节点收到背向散射节点发送的信号后，进行信号解调以及信号校验，进行信号校验时得到频率校验值和幅度校验值，进行信号解调时使用频率校验值和幅度校验值来辅助解调；
进行信号校验的方法为：中心节点通过离散傅里叶变换获得信号的频率信息与对应的能量，并将计算得到的频率与配置的频率做对比，得到频率校验值；同时，将计算得到的频率对应的能量与约定值进行对比，得到幅度校验值；
进行信号解调时使用频率校验值来辅助解调，具体包括：处理器根据频率校验值调整内部频率合成器参数，使得频率向偏移方向调整，补偿中心频点移频的偏差；
进行信号解调时使用了幅度校验值来辅助解调，具体包括：根据幅度校验值调整解调过程中判别器的参考电压阈值。
5.如权利要求1或4所述的基于背向散射技术的铁路监测信息收集方法，其特征在于：新接入的背向散射节点在未收到传输终止指令时继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点，具体包括：新接入的背向散射节点在未接收到终止传输指令时，在发送完一组传感器信号之后，间断设定时间段后，又继续重新发送该组传感器信号，直至接收到传输终止指令；
背向散射节点持续循环传输数据包给中心节点时，中心节点收到第一组传感器信号后，根据频率校验值和幅度校验值来辅助解调，此时频率校验值和幅度校验值为默认值，并进行信号校验得到频率校验值和幅度校验值；当中心节点收到第二组传感器信号后，根据第一组传感器信号进行信号校验时得到的频率校验值和幅度校验值频率来辅助解调，并进行信号校验得到频率校验值和幅度校验值，依次类推，直至背向散射节点停止发送传感器信号。
6.一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统，其特征在于：包括监测传感器、背向散射节点以及中心节点，中心节点搭载在移动巡检载体上，一个背向散射节点至少与一个监测传感器连接，所述中心节点用于发送激励信号,背向散射节点用于接收激励信号并收集能量给自身供电，并从接收到的激励信号中读取指令信息，背向散射节点用于根据相应的指令信息读取传感器数据，并将传感器数据传输给中心节点；所述中心节点用于接收传感器数据并保存；
背向散射节点用于从接收到的激励信号中读取与之对应的激活指令、传输终止指令以及中心节点为背向散射节点分配的频分信道；
当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的激活指令时，该背向散射节点用于读取传感器数据，并接入中心节点为其分配的频分信道进行信号传输，将传感器数据传输给中心节点；
所述中心节点用于检测信道冲突，判断是否触发冲突检测机制，若否，则该背向散射节点在未收到传输终止指令时继续利用该信道持续循环传输数据包给中心节点；若是，则中心节点查询信道接入情况，若中心节点查询到有先后接入的背向散射节点时，判断产生冲突，判断产生冲突后，中心节点发出退避指令控制后接入的背向散射节点进行退避，并接入新分配信道；
当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的退避指令时，该背向散射节点用于退避并重新接入中心节点为其重新分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点。
7.如权利要求6所述的基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统，其特征在于：当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的激活指令时，该背向散射节点用于读取传感器数据，整理成数据包，并接入中心节点为其分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
所述中心节点用于判断是否接收到目的数据，当中心节点接收到目的数据后发送传输终止指令给相应的背向散射节点；
背向散射节点在未收到传输终止指令时利用中心节点为其分配的频分信道持续循环传输数据包给中心节点；
当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的传输终止指令时，该背向散射节点终止信号传输。
8.如权利要求6或7所述的基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统，其特征在于：当中心节点解析数据发现高误码时触发冲突检测机制，中心节点查询信道接入情况，判断是否存在不同背向散射节点先后接入同一信道，若存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则中心节点发出退避指令控制后接入的背向散射节点进行退避，并接入新分配信道；
若不存在不同背向散射节点先后接入同一信道，则判断该信道对应的频点是否存在多个信号到达角，若该信道对应的频点存在多个信号到达角，则中心节点发出退避指令控制使用该信道产生冲突的两个或多个背向散射节点同时退避，并分别接入新分配信道；
当背向散射节点从接收到的激励信号中读取到与之对应的退避指令时，该背向散射节点用于退避并重新接入中心节点为其重新分配的频分信道进行信号传输，将数据包传输给中心节点；
中心节点分配频分信道时，首先查询可用信道，并判断各可用信道的能量谱，优先分配能量谱较低的信道给背向散射节点。
9.如权利要求6所述的基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统，其特征在于：所述背向散射节点包括射频能量收集电路、信号接收电路、电源管理电路、主控模块、信号发射电路，所述射频能量收集电路用于收集射频能量，所述电源管理电路用于存储射频能量收集电路收集的射频能量，并将射频能量转换为直流电压，用于给整个背向散射节点供电；所述信号接收电路用于读取中心节点发射的激励信号，并发送给主控模块，所述主控模块用于从接收到的激励信号中读取序列，所述主控模块用于根据读取的序列输出控制信号给信号发射电路，发送信号给中心节点；所述信号接收电路、信号发射电路均与主控模块电连接；
所述中心节点包括射频激励源、无线信号接收器、主控模块以及供电单元，所述供电单元用于给整个中心节点供电，射频激励源用于接收主控模块的控制信号，发出大功率射频信号用于给背向散射节点供能，无线信号接收器用于接收解调背向散射节点传输来信号，所述主控模块用于控制激励源和无线信号收发节点并处理整合数据；其中无线信号接收器在检测到异常发生时加大采样率，并保留接收到的数据进行冲突检测。
10.如权利要求9所述的基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统，其特征在于：背向散射节点的信号发射电路包括被动发射电路，被动发射电路在反射和接收两种状态间切换，被动发射电路处于接收状态时，背向散射节点接收激励信号并收集能量，被动发射电路处于反射状态时，激励信号被反射回去，同时携带了监测信息，中心节点从接收的信息中分离出监测信息；
背向散射节点的信号发射电路还包括主动发射电路，主动发射电路基于线性调频信号实现通信，在采用被动通信方式且地面节点连续接收不到中心节点回应时由主控模块唤醒主动发射电路工作。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010850218.1A CN112203246B (zh) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010850218.1A CN112203246B (zh) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112203246A CN112203246A (zh) | 2021-01-08 |
| CN112203246B true CN112203246B (zh) | 2023-03-24 |
Family
ID=74004929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010850218.1A Active CN112203246B (zh) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112203246B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113490175A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-10-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统及其运行方法 |
| CN113645577A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-12 | 国网浙江省电力有限公司双创中心 | 一种无线通信方法、装置、设备及可读存储介质 |
| CN114244389A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-25 | 北京智芯微电子科技有限公司 | 终端芯片、基站设备以及双向无线通信系统 |
| CN116800545B (zh) * | 2023-08-24 | 2023-10-20 | 天津致新轨道交通运营有限公司 | 一种地铁通讯数据传输方法及系统 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019120585A1 (en) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | System, network node, wireless device, method and computer program for low-power backscattering operation |
| CN110730028A (zh) * | 2019-08-29 | 2020-01-24 | 广东工业大学 | 一种无人机辅助反向散射通信装置以及资源分配控制方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9245158B2 (en) * | 2012-04-05 | 2016-01-26 | Ricoh Co., Ltd. | Low power radio frequency communication |
| US10452876B2 (en) * | 2016-07-29 | 2019-10-22 | University Of Massachusetts | Systems and methods for asymmetric backscatter communications |
-
2020
- 2020-08-21 CN CN202010850218.1A patent/CN112203246B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019120585A1 (en) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | System, network node, wireless device, method and computer program for low-power backscattering operation |
| CN110730028A (zh) * | 2019-08-29 | 2020-01-24 | 广东工业大学 | 一种无人机辅助反向散射通信装置以及资源分配控制方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Energy Efficiency Optimization for UAV-Assisted Backscatter Communications;Shengzhi Yang;《IEEE COMMUNICATIONS LETTERS》;20190730;全文 * |
| 反向散射式通信空分多址接入技术研究;刘欢;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20190115;全文 * |
| 基于WIA-PA无线技术在智能配电网移动终端巡检系统中的应用研究;李峰等;《电气应用》;20160225;全文 * |
| 无人机辅助的反向散射通信系统资源配置与路径规划联合设计;戴娆;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20200715;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112203246A (zh) | 2021-01-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112203246B (zh) | 一种基于背向散射技术的铁路监测信息收集系统及方法 | |
| US11051248B2 (en) | Radio-frequency wakeup for vehicle systems | |
| KR101749064B1 (ko) | 양방향 이벤트 검출을 지원하는 센서 네트워크의 이벤트 전송 방법 및 장치 | |
| CN102118881B (zh) | 架空输电线路的监测装置及监测方法 | |
| US6996154B2 (en) | Low power dual protocol transceiver | |
| CN103958295B (zh) | 便携机 | |
| US11949447B2 (en) | Smart scheduling of TSCH networks to avoid self-interference | |
| WO2009044365A2 (en) | Method and system for impulse radio wakeup | |
| EP3046051B1 (en) | Sensor, telemeter, wireless sensor system, and use method therefor | |
| WO2011063572A1 (zh) | 有源电子标签及其应用系统和方法 | |
| US20050003781A1 (en) | Multiple format radio frequency receiver | |
| US7596365B2 (en) | Device for transmitting and receiving | |
| US20100240319A1 (en) | Radio system, transmitter, and receiver | |
| WO2014088961A2 (en) | Multi-tone wakeup mechanism for a wireless network | |
| CN110601745A (zh) | 一种通信/测距双系统的无人机通信方法 | |
| Aoudia et al. | A low latency and energy efficient communication architecture for heterogeneous long-short range communication | |
| US8686849B2 (en) | Method of alarm handling in wireless sensor networks | |
| CA2945253A1 (en) | Methods for encoding and decoding frames in a telecommunication network | |
| CN112429043A (zh) | 用于有轨列车的应答器系统和应答器 | |
| US9935686B2 (en) | Method of preventing priority inversion in power line communication, recording medium and apparatus for performing the same | |
| CN212183750U (zh) | 一种低功耗超窄带物联网模组 | |
| WO2007055350A1 (ja) | 双方向無線通信装置 | |
| JP2001237846A (ja) | 通信方法ならびに同方法を用いた通信システム | |
| Bridgelall | Bluetooth/802.11 protocol adaptation for RFID tags | |
| US8259753B2 (en) | Systems and methods for short range RF communication |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |