CN114865761A - 一种无源无线图像采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无源无线图像采集系统，包括主控模块、能量收集模块、低功耗图像采集模块、通信模块，所述能量收集模块用于收集能量，并利用外接的超级电容存储能量以及释放能量给整个系统供电，所述低功耗图像采集模块用于采集图像信息并传递给主控模块，所述主控模块用于将图像信息进行压缩与编码后通过通信模块进行发送。本发明设计的无源无线图像采集系统使用低功耗电路、器件，减少了系统的能耗。并且本发明通过检测储能单元的两端的电压可以判断系统的电量状态并合理设计duty‑cycle占空比，使系统工作于duty‑cycle机制，并通过检测系统的充电状态，有效的优化图像编码，减少系统的能耗，保证系统的稳定工作。

Description

一种无源无线图像采集系统
技术领域
本发明属于图像采集技术领域，具体涉及一种无源无线图像采集系统。
背景技术
图像信息的采集与传输在工业中应用广泛，传统的图像采集与传输需要用电池供电，需定期维护，成本高且易造成环境污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种功耗较低的无源无线图像采集系统。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种无源无线图像采集系统，包括主控模块、能量收集模块、图像采集模块、通信模块，所述能量收集模块用于收集能量，并利用储能单元存储能量以及释放能量给整个系统供电，所述图像采集模块用于采集图像信息并传递给主控模块，所述主控模块用于将图像信息进行压缩与编码后通过通信模块进行发送。
进一步地，所述图像采集模块用于通过摄像头采集的图像信息，并将采集的模拟电压值进行PWM调制；所述图像采集模块包括滤波电路与第一比较器，所述第一比较器的第一输入端与摄像头连接，所述滤波电路的输入端与主控模块或波形发生器连接，用于接收主控模块或波形发生器输出的方波，所述滤波电路的输出端与第一比较器的第二输入端连接，所述第一比较器的输出端与主控模块的第一输入端连接。
进一步地，所述第一比较器的输出端设有上变频模块，所述上变频模块用于对第一比较器输出的信号进行上变频；上变频模块位于主控模块内或外，当上变频模块位于主控模块外时，上变频模块的输入端与第一比较器的输出端连接，上变频模块的输出端与主控模块的第一输入端连接。
进一步地，所述滤波电路采用无源RC电路；无源RC电路包括电阻R4、电容C3，所述第一比较器的第二输入端分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端、电容C3的一端连接，电阻R3的另一端与主控模块的第一输出端或波形发生器连接，所述电阻R4的另一端、电容C3的另一端接地；所述第一比较器的输出端与异或门的第一输入端连接，异或门的第二输入端连接副载波，所述异或门的输出端与主控模块的第一输入端连接。
进一步地，本发明的无源无线图像采集系统还包括充电检测模块，所述充电检测模块用于检测储能单元两端的电压，并传递给主控模块。
进一步地，所述主控模块用于根据检测到的储能单元两端的电压，计算储能单元储存的能量，根据储能单元储存的能量调整系统工作方式，使系统按照duty-cycle机制工作。
进一步地，所述通信模块采用背向散射通信电路，设计背向散射通信电路在不同阻抗间切换，实现对电磁波的发射和接收。
进一步地，本发明的无源无线图像采集系统还包括信号检测电路，所述信号检测电路用于检测信道的状态信息，并传递给主控模块。
所述主控模块用于根据检测的信道状态信息，对下个周期图像传输的压缩与编码参数做调整，使系统能效最大化，具体包括：若检测到的信道状态较差(如与预设值进行比较)，那么下个周期就通过调整压缩与编码参数做出如减少数据包的长度等措施来保证图像传输的效果；若检测到信道状态较好，那么下个周期就调整压缩与编码参数做出如增加数据包的长度等调整措施，使系统能效最大化。
进一步地，所述信号检测电路包括包络检波器、阈值计算电路和第二比较器，所述包络检波器的输入端与用于接收射频信号的第二天线连接，所述包络检波器的输出端与阈值计算电路的输入端、第二比较器的第一输入端连接，所述阈值计算电路的输出端与第二比较器的第二输入端连接，所述阈值计算电路用于对包络检波器输出的信号进行低通滤波得到其平均值，所述第二比较器用于将包络检波器输出的信号与其平均值进行比较，对包络检波器得到的数字信号进行整形，所述第二比较器的输出端与主控模块的第二输入端连接。
进一步地，所述包络检波器包括二极管D1，所述二极管D1的正极用于接收射频信号，所述二极管D1的负极分别与电容C1的一端、电阻R1的一端、第二比较器的第一输入端连接，电容C1的另一端接地，电阻R1的另一端分别与电容C2的一端、电阻R2的一端、第二比较器的第二输入端连接，电容C2的另一端、电阻R2的另一端接地。
进一步地，能量收集模块外接储能单元；所述储能单元的一端与能量收集模块连接，储能单元的另一端接地；所述充电检测模块包括ADC模块，所述ADC模块的输入端与储能单元的一端连接，ADC模块的输出端与主控模块的第三输入端连接；所述储能单元为超级电容；所述主控模块采用低功耗微处理器。
本发明至少具有如下有益效果：本发明的无源图像采集系统能够将从环境中收集的能量转换成电能(储存在储能单元内)供系统工作。
且本发明设计的无源无线图像采集系统使用低功耗电路、器件，减少了系统的能耗。
本发明搭建系统的能耗模型，通过检测储能单元的两端的电压可以判断系统的电量状态并合理设计duty-cycle占空比，使系统工作于duty-cycle机制，并通过检测系统的充电状态，有效的优化图像编码，减少系统的能耗，保证系统的稳定工作。
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为本发明实施例提供的无源无线图像采集系统的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的无源无线图像采集系统的信号检测电路的电路图；
图3为本发明实施例提供的无源无线图像采集系统的背向散射通信电路的电路图；
图4为本发明实施例提供的无源无线图像采集系统的图像采集模块的电路图；
图5为本发明实施例提供的超级电容充放电示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
参见图1至图4，本发明实施例提供一种无源无线图像采集系统，包括主控模块、能量收集模块、图像采集模块、通信模块，所述能量收集模块用于收集能量，并利用储能单元存储能量以及释放能量给整个系统供电，所述图像采集模块用于采集图像信息并传递给主控模块，所述主控模块用于将图像信息进行压缩与编码后通过通信模块进行发送。
进一步地，本发明的无源无线图像采集系统还包括充电检测模块，所述充电检测模块用于检测储能单元两端的电压，并传递给主控模块。
本发明主控模块根据检测储能单元两端的电压可以判断系统的电量状态并根据合理设计duty-cycle占空比，根据储能单元储存的能量调整系统工作方式，使系统按照duty-cycle机制工作。
本发明可以通过检测系统的充电状态，有效的优化图像编码，减少系统的能耗，保证系统的稳定工作。本发明通过ADC监测系统的能耗，可得知系统在上个duty-cycle周期的图像能耗，若按照上个周期的参数运行，能量有剩余，则说明此时的信道状态较好，图像的误码率较低，这样可在下个周期内优化编码参数，改善图片质量。
本发明首先估算系统的能耗，根据P2110B射频能量收集模块外接储能单元(如超级电容)储存的能量计算系统duty-cycle工作机制的占空比；如当储能单元为电容时，计算电容储存的能量的公式为：
Figure BDA0003599283070000051
其中，Wc(t)为电容所存储的电量，C为电容的容值，u(t)为电容两端的电压。
能量收集模块P2110B外接超级电容，两端的电压会在Vmin-Vmax之间变化，如图5所示。
根据Vmin与Vmax计算一次充电存储的能量，根据能量守恒公式：
Figure BDA0003599283070000052
其中，P为系统的能耗，本实施例单位时间内系统的能耗估计为70mW，t为系统工作的时间，Vmax为电容两端电压值上限，本实施例的上限值为1.25V，Vmin为电容两端电压值下限，本实施例的下限值为1.02V。C为电容的容值，本实施例选择为100mF。计算得超级电容一次充电存储的能量为26.1mW，可供系统工作372.8ms。同时根据单位时间射频能量收集单位时间从环境中收集到的能量为4mW，计算出充电时间为6.525s，因此duty-cycle的比例为6.525:0.3728＝17.5。用低功耗ADC测量超级电容两端的电压可计算系统剩余的电量。
进一步地，所述通信模块采用背向散射通信电路，设计背向散射通信电路在不同阻抗间切换，实现对电磁波的发射和接收，如图3所示。本实施例实现阻抗的切换可以通过集成射频开关ADG902实现。
进一步地，本发明的无源无线图像采集系统还包括信号检测电路，所述信号检测电路用于检测信道的状态信息，并传递给主控模块。
所述主控模块用于根据检测的信道状态信息，进而对下个周期图像传输的压缩与编码参数做调整，使系统能效最大化。本发明在保证系统能效最大化时，可以根据需要对图像传输的压缩与编码参数做调整，具体调整策略根据需要设定。
进一步地，所述信号检测电路包括包络检波器、阈值计算电路和第二比较器，所述包络检波器的输入端与用于接收射频信号的第二天线连接，所述包络检波器的输出端与阈值计算电路的输入端、第二比较器的第一输入端连接，所述阈值计算电路的输出端与第二比较器的第二输入端连接，所述第二比较器的输出端与主控模块的第二输入端连接。
阈值计算电路和第二比较器用于对包络检波得到的数字信号进行整形，使输出符合主控模块的电平标准。本发明的信号检测电路采用的整形方案就是运用比较器，将包络检波输出的信号与其平均值(平均值是通过阈值计算电路低通滤波得到的)进行比较。且本发明在此处整形用的比较器参考电压是比较器另一端输入信号的平均值，即采用与其平均值比较，该平均值是变化的(因为这里包络检波输出的信号强度与天线的接收功率强度有关)，不是固定的。
进一步地，所述包络检波器包括二极管D1，所述二极管D1的正极用于接收射频信号，所述二极管D1的负极分别与电容C1的一端、电阻R1的一端、第二比较器的第一输入端连接，电容C1的另一端接地，电阻R1的另一端分别与电容C2的一端、电阻R2的一端、第二比较器的第二输入端连接，电容C2的另一端、电阻R2的另一端接地。
本发明的包络检波得到的信息代表信道的状态信息，例如上个周期内传输图像信息的误码率，丢包率等等，若检测到上个周期的误码率、丢包率较高，就说明此时的信道状态较差，那么下个周期就做出减少数据包的长度等措施来保证图像传输的效果；若检测到上个周期的误码率，丢包率较低，就说明此时的信道状态较好，那么下个周期就做出增加数据包的长度等调整措施。
进一步地，能量收集模块外接储能单元；所述储能单元的一端与能量收集模块连接，储能单元的另一端接地；所述充电检测模块包括ADC模块，所述ADC模块的输入端与储能单元的一端连接，ADC模块的输出端与主控模块的第三输入端连接；所述储能单元为超级电容。本实施例的能量收集模块的型号为P2110B。
优选地，本实施例的主控模块采用低功耗微处理器。
进一步地，所述图像采集模块用于通过摄像头采集的图像信息，并将采集的模拟电压值进行PWM调制，实现像素值PWM调制。具体原理过程为：模拟图像信息与方波滤波之后的三角波经过比较器进行比较，得到的PWM信号的占空比就代表了图像信息，也就是对模拟电压值进行了PWM调制。
进一步地，所述图像采集模块用于通过摄像头采集的图像信息，并将采集的模拟电压值进行PWM调制。所述图像采集模块包括滤波电路与第一比较器，所述第一比较器的第一输入端与摄像头连接，所述滤波电路的输入端连接方波(可以通过主控模块或波形发生器等输出方波，本实施例通过主控模块输出方波)，所述滤波电路的输出端与第一比较器的第二输入端连接，所述第一比较器的输出端与主控模块的第一输入端连接。
进一步地，所述第一比较器的输出端设有上变频模块，所述上变频模块用于对第一比较器输出的信号进行上变频；上变频模块可以位于主控模块内，也可以位于主控模块外，当上变频模块位于主控模块外时，上变频模块的输入端与第一比较器的输出端连接，上变频模块的输出端与主控模块的第一输入端连接。
进一步地，对于图像采集模块，其具体电路图如图4所示，所述滤波电路采用无源RC电路；无源RC电路包括电阻R4、电容C3，所述第一比较器的第二输入端分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端、电容C3的一端连接，电阻R3的另一端与主控模块的第一输出端或波形发生器连接，所述电阻R4的另一端、电容C3的另一端接地；所述第一比较器的输出端与异或门的第一输入端连接，异或门的第二输入端连接副载波，所述异或门的输出端与主控模块的第一输入端连接。本实施例的上变频是在主控模块内进行的，所以副载波由主控提供。此时，本实施例的异或门是主控里面自带的异或门。
本发明选择模拟摄像头采集图像信息，对输出的模拟值用无源RC器件与比较器经PWM调制，输出占空比代表了模拟像素值的大小，并且为了消除带内干扰，再对此PWM进行上变频，本发明的上述方案取代了能耗较大的ADC电路进而大大降低能耗。本发明主要专注于整个系统的底层设计，本发明搭建的系统能够低功耗的采集图像信息，并且监测系统的能量模型实现能效最大化。
本发明的创新主要在于使用低功耗器件和电路搭建系统，系统包括两个天线，分别为第一天线和第二天线，其中第一天线用于发送图像信息，将图像信息进行压缩与编码后可通过背向散射通信进行通信，通过射频开关切换阻抗，进而对信息进行调制并发送；第二天线用于吸收环境中的射频信号同时解调出信道的状态信息。
其次，本发明利用充电检测模块检测储能单元两端的电压，根据射频能量收集模块收集的能量值与系统的能耗按照能量守恒的规律计算duty-cycle占空比，即系统充放电的时间，使系统按照duty-cycle机制工作。根据系统的充电状态设计图像压缩与编码策略，保证系统在低功耗的条件下高质量传输图像。
本发明的系统能够利用射频能量收集模块P2110B收集能量，并且利用外接超级电容存储与释放能量，测量超级电容两端的电压可以检测系统的电量状态并计算出该工作周期内图像传输所消耗的能量，同时接收端利用信号检测电路即包络检波电路检测出信道的状态信息，进而对下个周期图像传输的压缩与编码参数做调整使系统能效最大化。
系统的通信选择能耗较低的背向散射通信方式，设计电路在不同阻抗间切换，从而实现对电磁波的弹射和吸收。
本发明的无源无线图像采集系统实现了低功耗的采集图像，通过检测充电状态调整系统工作方式以适应环境的变化，有利于系统稳定的工作，且功耗低，体积小，易实现和部署。
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)

1.一种无源无线图像采集系统，其特征在于：包括主控模块、能量收集模块、图像采集模块、通信模块，所述能量收集模块用于收集能量，并利用储能单元存储能量以及释放能量给整个系统供电，所述图像采集模块用于采集图像信息并传递给主控模块，所述主控模块用于将图像信息进行压缩与编码后通过通信模块进行发送。
2.如权利要求1所述的无源无线图像采集系统，其特征在于：所述图像采集模块用于通过摄像头采集的图像信息，并将采集的模拟电压值进行PWM调制；所述图像采集模块包括滤波电路与第一比较器，所述第一比较器的第一输入端与摄像头连接，所述滤波电路的输入端与主控模块或波形发生器连接，用于接收主控模块或波形发生器输出的方波，所述滤波电路的输出端与第一比较器的第二输入端连接，所述第一比较器的输出端与主控模块的第一输入端连接。
3.如权利要求2所述的无源无线图像采集系统，其特征在于：所述第一比较器的输出端设有上变频模块，所述上变频模块用于对第一比较器输出的信号进行上变频；上变频模块位于主控模块内或外，当上变频模块位于主控模块外时，上变频模块的输入端与第一比较器的输出端连接，上变频模块的输出端与主控模块的第一输入端连接。
4.如权利要求2所述的无源无线图像采集系统，其特征在于：所述滤波电路采用无源RC电路；无源RC电路包括电阻R4、电容C3，所述第一比较器的第二输入端分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端、电容C3的一端连接，电阻R3的另一端与主控模块的第一输出端或波形发生器连接，所述电阻R4的另一端、电容C3的另一端接地；所述第一比较器的输出端与异或门的第一输入端连接，异或门的第二输入端连接副载波，所述异或门的输出端与主控模块的第一输入端连接。
5.如权利要求1所述的无源无线图像采集系统，其特征在于：还包括充电检测模块，所述充电检测模块用于检测储能单元两端的电压，并传递给主控模块；所述主控模块用于根据检测到的储能单元两端的电压，计算储能单元储存的能量，根据储能单元储存的能量调整系统工作方式，使系统按照duty-cycle机制工作。
6.如权利要求1所述的无源无线图像采集系统，其特征在于：所述通信模块采用背向散射通信电路，设计背向散射通信电路在不同阻抗间切换，实现对电磁波的发射和接收。
7.如权利要求1所述的无源无线图像采集系统，其特征在于：还包括信号检测电路，所述信号检测电路用于检测信道的状态信息，并传递给主控模块。
8.如权利要求7所述的无源无线图像采集系统，其特征在于：所述信号检测电路包括包络检波器、阈值计算电路和第二比较器，所述包络检波器的输入端与用于接收射频信号的第二天线连接，所述包络检波器的输出端与阈值计算电路的输入端、第二比较器的第一输入端连接，所述阈值计算电路的输出端与第二比较器的第二输入端连接，所述阈值计算电路用于对包络检波器输出的信号进行低通滤波得到其平均值，所述第二比较器用于将包络检波器输出的信号与其平均值进行比较，对包络检波器得到的数字信号进行整形，所述第二比较器的输出端与主控模块的第二输入端连接。
9.如权利要求8所述的无源无线图像采集系统，其特征在于：所述包络检波器包括二极管D1，所述二极管D1的正极用于接收射频信号，所述二极管D1的负极分别与电容C1的一端、电阻R1的一端、第二比较器的第一输入端连接，电容C1的另一端接地，电阻R1的另一端分别与电容C2的一端、电阻R2的一端、第二比较器的第二输入端连接，电容C2的另一端、电阻R2的另一端接地。
10.如权利要求1所述的无源无线图像采集系统，其特征在于：能量收集模块外接储能单元；所述储能单元的一端与能量收集模块连接，储能单元的另一端接地；所述充电检测模块包括ADC模块，所述ADC模块的输入端与储能单元的一端连接，ADC模块的输出端与主控模块的第三输入端连接；所述储能单元为超级电容；所述主控模块采用低功耗微处理器。
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