CN116208849A

CN116208849A - 一种超低功耗物联网图像采集和传输系统及方法

Info

Publication number: CN116208849A
Application number: CN202310496140.1A
Authority: CN
Inventors: 王志利; 袁龙志; 姜楠; 龚伟
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2023-05-05
Filing date: 2023-05-05
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2043-05-05
Also published as: CN116208849B

Abstract

本发明公开一种超低功耗物联网图像采集和传输系统及方法，系统包括：电能提供装置为低功耗图像采集子系统和反向散射图像传输子系统供电；低功耗图像采集子系统，能按预定低功耗图像采集方式控制图像采集装置采集图像并存储；反向散射图像传输子系统，能确认收到捕获图像指令时，将接收的信号进行同步后输入处理单元处理确认同步成功，则开始进行反向散射传输图像；处理单元能在反向散射传输图像时，一边接收低功耗图像采集子系统的图像数据，一边用SubScatter反向散射方式调制将图像数据嵌入载波信号发送，使接收端以对应解调方式提取传输信号并恢复所传输图像。该系统能不限电能供给方式以超低的功耗，实现更高传输速率和更低误码率。

Description

一种超低功耗物联网图像采集和传输系统及方法

技术领域

本发明涉及图像采集、存储和传输领域，尤其涉及一种超低功耗物联网图像采集和传输系统及方法。

背景技术

图像采集和传输系统在生活中具有广泛应用，而在一些需要频繁检查或者人不方便进入的环境中，无线且超低功耗的物联网图像采集和传输系统将具有极大优势。

与一般场景中的图像采集和传输系统不同，超低功耗的物联网图像采集和传输系统对功耗有着严格的要求。在传统的应用场景中，传感器较为简单，或是利用极低功耗传感器和低数据速率来节约能源，或是从环境中获得能源，或是在能量耗尽前发送小数据包。而对于现有的图像采集和传输系统来说，采集一次图像所花费的能量很多，一般是数mJ，而非数uJ，图像数据量很大，一般是数十KB，而非数KB，因此如何实现超低功耗图像的采集和传输是需要解决的问题。

虽然目前超低功耗无线链路使反向散射在学术界和工业界越来越受欢迎，但在现有的反向散射系统中，要么吞吐量有限，如低于1Mbps，要么需要修改发送器和接收器，存在不兼容商用无线设备的问题，无法满足超低功耗的物联网图像采集和传输系统的要求。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种超低功耗物联网图像采集和传输系统及方法，能在保证传输吞吐量的情况下，利用较低的电量实现图像的采集和无线传输，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超低功耗物联网图像采集和传输系统，包括：

电能提供装置、低功耗图像采集子系统和反向散射图像传输子系统；其中，

所述电能提供装置分别与所述低功耗图像采集子系统和反向散射图像传输子系统电性连接，能分别为所述低功耗图像采集子系统和反向散射图像传输子系统供电；

所述低功耗图像采集子系统包括：微控制单元和图像采集装置；所述微控制单元分别与所述图像采集装置和反向散射图像传输子系统通信连接，能根据所述反向散射图像传输子系统的唤醒信号，按预定低功耗图像采集方式控制所述图像采集装置进行图像数据采集并对图像数据进行存储，并在进行反向散射传输图像时将采集后存储的图像数据发送至所述反向散射图像传输子系统进行传输；

所述反向散射图像传输子系统包括：处理单元、同步电路、天线和射频开关；所述处理单元经所述同步电路与天线电性连接，能根据收到的信号确认接收到捕获图像指令时，将接收的信号进行同步后确认是否同步成功，若确认同步成功则开始进行反向散射传输图像数据；

所述处理单元经所述射频开关与天线电性连接，能在进行反向散射传输图像时，一边接收来自所述低功耗图像采集子系统的图像数据，一边利用SubScatter反向散射方式将调制后的图像数据通过所述射频开关经天线发送来嵌入到载波信号中，以使接收端通过对应的解调方式提取所接收载波信号并恢复得到所传输的图像数据。

一种超低功耗物联网图像采集和传输方法，采用本发明所述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，包括以下步骤：

通过所述系统的电能提供装置分别为所述系统的低功耗图像采集子系统和反向散射图像传输子系统供电；

通过所述低功耗图像采集子系统的微控制单元根据所述反向散射图像传输子系统的唤醒信号，按预定低功耗图像采集方式控制图像采集装置进行图像数据采集并对图像数据进行存储，并在进行反向散射传输图像时将采集后存储的图像数据发送至所述反向散射图像传输子系统进行传输；

通过所述反向散射图像传输子系统的处理单元根据收到的信号确认接收到捕获图像指令时，将接收的信号进行同步后确认是否同步成功，若确认同步成功则开始进行反向散射传输图像数据；

在进行反向散射传输图像时，通过所述反向散射图像传输子系统的处理单元一边接收来自所述低功耗图像采集子系统的图像数据，一边利用SubScatter反向散射方式将调制后的图像数据通过所述射频开关经天线发送来嵌入到载波信号中，以使接收端通过对应的解调方式提取所接收载波信号并恢复得到所传输的图像数据。

与现有技术相比，本发明所提供的超低功耗物联网图像采集和传输系统及方法，其有益效果包括：

由于采用了低功耗图像采集子系统，能按预定低功耗图像采集方式进行图像采集与存储，使得能以极低功耗进行图像采集与存储；同时采用了反向散射图像传输子系统配合SubScatter反向散射方式进行调制，能实现将反向散射吞吐量提升11倍，并且兼容常用的商业无线接收器。由于图像采集和传输均为低功耗，使得该系统及方法可以根据实际环境，设计成利用环境中的光能、震动能量、热能、射频能量的装置；若使用电池，普通的AG3纽扣电池，即可为系统提供拍摄一万五千张以上图片的能量，实现超低功耗的图像采集与传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的超低功耗物联网图像采集和传输系统的构成示意图。

图2为本发明实施例提供的超低功耗物联网图像采集和传输系统应用的CCK-WiFi包结构示意图。

图3为本发明实施例提供的超低功耗物联网图像采集和传输系统的802.11b收发器和标签数据恢复过程示意图。

图4为本发明实施例提供的超低功耗物联网图像采集和传输系统的检测和读取包络电路的示意图。

图5为本发明实施例提供的方法与其他常用方法能耗对比图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，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，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明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文的限制。

下面对本发明所提供的超低功耗物联网图像采集和传输系统进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图1所示，本发明实施例提供一种超低功耗物联网图像采集和传输系统，包括：

所述反向散射图像传输子系统包括：天线、同步电路、处理单元和射频开关；所述处理单元经所述同步电路与天线电性连接，能根据收到的信号确认接收到捕获图像指令时，将接收的信号进行同步后确认是否同步成功，若确认同步成功则开始进行反向散射传输图像数据；

优选的，上述系统中，所述微控制单元按以下方式用预定低功耗图像采集方式控制所述图像采集装置进行图像采集并对图像进行存储，包括：

微控制单元首次上电时，通过SCCB总线协议与图像采集装置连接，配置图像采集装置的寄存器；

在收集到足够的电能且被IO口中断唤醒后，微控制单元通过对应的控制引脚控制图像采集装置采集图像，再通过预先配置好的DMA传输，将图像迅速存储到FRAM中，并控制关闭图像采集装置，后续传输中仅传输FRAM中的图像数据。

优选的，上述系统中，所述图像采集装置采集的是4：2：2的YUV格式图像，像素顺序为：

；

其中，Y值表示信号亮度，即为灰度值；U值即为Cr值，反映RGB输入值的红色部分与RGB信号亮度值之间的差；V值即为Cb值，反映RGB输入值的蓝色部分与RGB信号亮度之间的差；下标1、2…n表示像素的序号。

优选的，上述系统中，同步电路由并列设置的检测电路和读取包络电路组成。

优选的，上述系统中，所述处理单元包括：同步模块和调制模块；其中，

所述同步模块，通过同步电路与天线电性连接，通过天线持续接收CCK-WiFi信号，若接收到的CCK-WiFi信号为预定序列数据则确认接收到捕获图像指令；并将接收的信号进行同步后确认是否同步成功，若确认同步成功则开始进行反向散射传输图像；具体的，同步模块通过同步电路并列设置的检测电路和读取包络电路与天线电性连接，检测电路和读取包络电路分别作为同步模块的两个输入；

所述调制模块，通过射频开关与天线电性连接，并与所述低功耗图像采集子系统的微控制单元通信连接，能在进行反向散射传输图像时，一边接收来自所述低功耗图像采集子系统的图像数据，一边利用SubScatter反向散射方式将调制后的图像数据通过所述射频开关经天线发送来嵌入到载波信号中。

优选的，上述系统中，所述同步模块按以下方式处理同步信号确认是否同步成功，包括：

预先存储10us数据的前导段，并通过滑动窗口实时计算预存储的前导段和接收信号的汉明距离，当汉明距离最小时，确认同步成功。

优选的，上述系统中，所述调制模块按以下方式利用SubScatter反向散射方式调制将图像数据嵌入到载波信号上，包括：调制模块将图像数据的每个字节按照CCK调制的方式生成对应八个时隙的相位，再经由射频开关和天线对环境中的WiFi信号进行对应的相移频移操作，即完成将图像数据嵌入到载波信号上，通过上述方式修改环境中的WiFi包，使其携带需要发送的图像数据。

优选的，上述系统中，所述电能提供装置采用：太阳能电源装置、震动能电源装置、热能电源装置、射频能电源装置、电池中的任一种。实际使用中，所述电能提供装置可以根据实际环境，设计成利用环境中的光能、震动能量、热能、射频能量的装置；若使用电池，普通的AG3纽扣电池，即可为本系统提供拍摄一万五千张以上图片的能量。

优选的，上述的太阳能电源装置包括：

太阳能电板、超低功耗收集电源管理芯片、升压转换器、储电器件；其中，

所述太阳能电板依次与所述超低功耗收集电源管理芯片、升压转换器和储电器件电性连接；

所述储电器件设有电源输出端，该电源输出端经过升压转换器后分别与所述低功耗图像采集子系统和反向散射图像传输子系统电性连接。

本发明实施例还提供一种超低功耗物联网图像采集和传输方法，采用上述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，包括以下步骤：

优选的，上述方法中，所述微控制单元按以下方式用预定低功耗图像采集方式控制所述图像采集装置进行图像采集并对图像进行存储，包括：

在收集到足够的电能且被IO口中断唤醒后，微控制单元通过对应的控制引脚控制图像采集装置采集图像，再通过预先配置好的DMA传输，将图像迅速存储到FRAM中，并控制关闭图像采集装置，后续传输中仅传输FRAM中的图像数据；

所述处理单元按以下方式根据收到的信号确认接收到捕获图像指令，包括：

所述处理单元的同步模块通过天线持续接收CCK-WiFi信号，若接收到的CCK-WiFi信号为预定序列数据则确认接收到捕获图像指令；

所述处理单元按以下方式处理同步信号确认是否同步成功，包括：

所述处理单元的同步模块预先存储10us数据的前导段，并通过滑动窗口实时计算预存储的前导段和接收信号的汉明距离，当汉明距离最小时，确认同步成功；

所述处理单元的调制模块按以下方式利用SubScatter反向散射方式调制将图像数据嵌入到载波信号上，包括：

所述处理单元将图像数据的每个字节按照CCK调制的方式生成对应八个时隙的相位，再经由射频开关和天线对环境中的WiFi信号进行对应的相移频移操作，即完成将图像数据嵌入到载波信号上。其中，射频开关即是RF开关。

接收端解调时，将反向散射得到的包和发送的原始包扰码后进行对比，解出添加的相移，再根据相移解调，即得到携带的图像数据。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的超低功耗物联网图像采集和传输系统进行详细描述。

实施例1

本发明实施例提供一种超低功耗物联网图像采集和传输系统，能实现在无直接外部供能的情况下，利用环境中的光能、振动能量、热能、射频能量等能量实现图像的采集和无线传输，从而可以在需要频繁检查或者人不方便进入的环境中，对需要检测的目标实现监控；同时，使用了SubScatter的反向散射传输方法，使得传输吞吐量从1Mbps提升到大约11Mbps，降低设备工作时间，从而降低能耗，同时还兼容WIFI等商用无线设备，相比需要特定收发器的传输方法，成本更低，使用更方便，应用范围更广。

如图1所示，该超低功耗物联网图像采集和传输系统，包括：电能提供装置、低功耗图像采集子系统和反向散射图像传输子系统；

（一）首先说明作为低功耗图像采集子系统的图像采集和存储部分，包括：

（11）硬件构成：

电能提供装置使用MP3-37太阳能电板，它在阳光充足条件下可以提供高达150mW的输出功率。

储能芯片使用TI BQ25570，升压模块使用TSP73615，它们一起控制充放电，将采集的能量存储在超级电容中，在工作时放电，给系统提供足够的电压。

储能装置使用AVX BestCap超级电容，超级电容在寿命和能量效率上远超电池。超级电容在室温和低电流下，可以实现远超一个世纪的工作寿命；同时超级电容没有充放电循环中，能量转换方面的额外功率。但是超级电容也不是完美的，与电池相比，除了能量密度低，它们还会表现出不成比例的漏电流，降低电荷存储效率。

微控制单元使用MSP430FR5969，这款MCU支持16MHz的系统时钟频率，同时可以提供24MHz的DCO时钟频率，工作模式下电流约为100uA/MHz，待机模式更是达到0.4uA/MHz，同时搭载了DMA模块可以快速搬运数据。除此之外，它还搭载了FRAM这种新型的铁电介质存储器。FRAM具有FLASH数百倍的读写速率、千分之一的能耗、数十万倍的重写次数，可以以极低功耗迅速地缓存图像，从而节约能源。

图像采集装置使用OV7670摄像头，它体积小、工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能。可以以30帧/秒的速度采集和传输VGA格式图像。由于功耗限制，本系统传输单张图像而非视频。

将MSP430的时钟设置为16MHz，并输出8MHz的时钟频率用于OV7670输入。

（12）使用分辨率为144×176的QCIF格式的灰度图像作为采集的格式，一帧图像大小约为25KB，可以存入FRAM中。

本发明没有使用RGB格式来采集图像再进行转换，而是使用比例为4：2：2的YUV格式图像，像素顺序为：

，其中，Y值表示信号亮度，即为灰度值；U值即为Cr值，反映RGB输入值的红色部分与RGB信号亮度值之间的差；V值即为Cb值，反映RGB输入值的蓝色部分与RGB信号亮度之间的差；下标1、2…n表示像素的序号。因此本发明可以通过丢弃UV值，即丢弃奇数字节来实现灰度图像的高效采集。

为了更高效地将图像传入MSP430，本发明使用DMA来实现数据的搬运。DMA是一种直接存储器访问技术，可以实现在不需要CPU干预的情况下，将数据从一个地址高速转移到另一个地址的功能，在这个过程中，CPU只用对DMA进行初始化，数据传输完全由DMA控制器来完成。同时，本发明使用字长到字节传输来自动丢弃每两个字节的高位字节以实现只传输灰度图像。

此外，MSP430在空闲时将进入低功耗模式，此时CPU停止工作，本发明配置了IO口中断用于在需要工作时及时退出低功耗模式，唤醒MSP430。

（13）图像采集和存储时，由于摄像头功率远高于其他部分，图像采集和存储部分重点在于减少摄像头工作时间，降低摄像头功耗，而这部分是通过FRAM快速保存摄像头采集并传输到MCU的图像，然后关闭摄像头来实现的。

图像采集和存储的具体工作流程为：

(a1)MSP430首次上电时，通过SCCB总线协议与OV7670连接，配置OV7670寄存器；

(b1)在收集到足够的电能且被IO口中断唤醒后，MSP430通过对应的控制引脚控制OV7670采集图像；

(c1)MSP430提前配置好DMA，启用DMA传输，将图像迅速存储在FRAM中；

(d1)MSP430控制OV7670关闭以节约能耗，之后仅需传输FRAM中的图像数据，不需要摄像头继续工作，由于传输速率限制，采用“存储-关闭摄像头”方案的功耗低于使用OV7670直接进行数据传输的功耗，且传输速度越慢，功耗差距越明显；

(e1)等待传输信号，通过DMA将图像传输至传输部分，通过传输部分进行反向散射，将图像数据传输给接收器。

（二）其次说明作为传输部分的反向散射图像传输子系统，包括：

（21）使用搭载了Qualcomm Atheros AR938XNICs的笔记本作为信号的收发器件收发802.11b信号。并使用CommView控制发送内容和抓包。

使用3dBi胶棒天线、HSMS-2862二极管、NSC2250比较器和若干电容电感电阻组合而成的电路作为同步电路，负责同步信号，具体的，同步电路由检测电路和读取包络电路组成，其中，检测电路和读取包络电路并列设置都连接到作为处理单元的FPGA上，作为FPGA的两个输入，检测电路的滤波器带宽较低，在信号持续期间保持高电平；读取包络电路的滤波器带宽高，会区分出每个信号的高低电平。

使用Analog ADG902 RF-switch作为RF开关，负责调制信号。

使用Microchip AGLN250 FPGA作为处理单元，使用Analog LTC6930晶振给FPGA提供时钟源。

使用BQ25570储能芯片、MP3-37太阳能电板、TI TPS73615升压转换器、AVXBestCap超级电容、组合成电源模块，负责充放电管理。

处理单元由FPGA实现而成，其包括：基于汉明距离的同步模块和SubScatter调制模块，配置DMA用于接收MSP430传递的信号，并注意提供MSP430的IO口中断唤醒信号。同步模块使用滑动窗口，动态比较当前位置至前1100个比特的数据和WiFi前导段的模板数据，汉明距离最短的位置即同步位置，确定同步位置后，可以根据头部持续时间计算出数据字段开始时间，从而知道WiFi包数据字段的开始位置，并将其作为调制的开始位置；SubScatter调制模块根据CCK调制方法将调制数据从开始位置调制。

采用图4所示结构的同步电路，它由一个匹配电路、整流器、信号平均器、比较器以及若干电容电感电阻组成，同步电路与FPGA编写的处理单元相连，为了同步的准确率和速度，本发明选用了25MHz的整流器带宽和2MHz的信号平均器带宽。

（22）选择合适的载波：

Bluetooth、ZigBee、DSSS-802.11b WiFi以及LoRa等信号吞吐量最大只有2Mbps，不是合适的选择。OFDM信号广泛应用于WiFi、LTE和5G等场景，但由于反向散射标签有限的Q值，无法区分过于接近的子载波，容易造成自我干扰，因此也不是合适的选择。

CCK-modulated 802.11b WiFi 信号，以下称CCK-WiFi信号，CCK-WiFi信号支持高达11Mbps的吞吐量。不像OFDM信号作用于频域，CCK-WiFi信号作用于时域，每个符号持续

us，且被分为8个时隙。在每个时隙，信号使用DQPSK调制或QPSK调制。于是，反向散射标签只用根据CCK的规则将比特映射到对应的相然后嵌入到相应时隙中即可。因此CCK-WiFi信号是合理的选择。

（23）发送指令部分：

因为功率限制，反向散射标签无法做到感知和占用无线信道，因此本发明需要使用另外的方法使得系统知道何时应该捕获一帧图像。

为了给标签发送捕获图像指令，发送器发送一个预先确定的802.11b短序列数据包P₁,P₂…,p_n，然后通过这些序列的存在与否来发送0和1，这些0和1是可以通过包络检测器来使得反向散射标签识别的。包络检测器在反向散射标签上连续运行，当检测信号的振幅大于阈值时，视为接收到1，反之接收到0。一旦标签从发送端接收的802.11b信号被解码为预定的序列，系统开始工作，即认为接收到捕获一帧图像的指令。

（24）调制和解调：

CCK-WiFi以包为单位进行传输，参见图2，每个包由144us长的用于检测和同步的前导段、48us长的包含数据速率和包长等必要信息的头部组成、PSDU即协议服务数据单元、CRC即循环冗余编码组成。

（241）CCK-WiFi信号的传输：

下述内容主要分析802.11b中CCK-WiFi信号的传输，即作为载波的CCK-WiFi信号如何调制和解调。在CCK-WiFi信号中，整个包会先进行扰码，然后扰码后PSDU的每个字节将被映射到四个相位项

，每个字节8位，分别为/>

，其中d₁首先进行传输，用/>

来表示他们。其中相位项/>

由/>

通过DQPSK编码而来，其余相位项通过QPSK编码而来。发送端需要用这四个相位项生成/>

us的激励信号。每个激励信号被划分为8个/>

us的时隙，每个时隙对应的激励相为/>

，其中/>

对应第一个时隙的激励相，用/>

来表示他们，并用

来表示载波信号传播时对应时隙的相位，其中。而/>

由以下公式生成：

；

；

其中，A和

为WiFi标准中定义的，适用于所有WiFi设备，可以从802.11b的文档中获得。具体来说, />

，/>

，

，/>

，

。同时由于/>

和/>

为线性关系，接收方可以通过如下公式由/>

解出/>

：

；

最终，通过对

的逆映射和解扰，可以得出PSDU比特。

（242）SubScatter反向散射调制：

反向散射标签通过修改CCK-WiFi信号来传输数据，但是由于使用商用无线设备，所以本发明无法得到

和/>

，只能得到解码后的PSDU。因此，本发明需要设计对应的调制方法，使得调制后的信号可以被商用无线设备接收和恢复。根据HitchHike和SyncScatter的“码字转换”观点，符号的相位需要根据标签比特映射的相位/>

旋转，从而携带标签比特的信息。若对载波信号的整个符号/>

进行相移，/>

为载波信号传输时的相位，本发明可以得出反向散射的信号为/>

，对接收到的信号提取和恢复后的结果为/>

。这意味着只有一个相被使用，只能达到/>

Mbps的吞吐量，远低于预期的11Mbps。

本发明将标签数据完全按照CCK的方式进行调制，将调制精度从符号级提升到子符号级，即对每个相位项进行相移，令

，其中/>

为标签信号按照上文CCK-WiFi的调制方式生成的对应四个相位项，使用/>

代替公式中的/>

，得到：

；

；

其中

为接收到的八个时隙对应的激励信号的相位，这意味着反向散射得到的信号是原始的激励相和标签相的和，使用/>

来表示接收端接从接收到的激励信号中提取的相位项，本发明可以通过以下公式来通过/>

提取/>

：

；

；

；

；

经过验证，调制后的反向散射信号依然是合法的CCK调制信号，本发明可以使用商用无线设备来简单地解调，对数据进行提取和恢复。由于调制深入到子符号级别，完全利用了四个相，因此传输速率达到接近11Mbps。

（25）同步设计：

本发明通过可以部署在反向散射系统中的基于最小汉明距离的方法来实现标签调制信号和激励信号的同步，能保证标签的相在准确的时刻添加进对应的时隙之中，综合考虑硬件和FPGA的处理延时，该方式同步效果明显，并将误码率降低至1%。

（26）该传输部分的工作流程参见图3，包括：

（a2）空闲时，反向散射系统通过天线持续接收802.11b信号，并通过包络检测器解码接收到的802.11b信号，和预设的短序列进行比较，一旦重合，则代表接收到捕获图像的指令，系统开始工作。

（b2）首先通过同步电路进行同步，FPGA会预先存储10us数据的前导段，并通过滑动窗口实时计算预存储和接收信号的汉明距离，当汉明距离最小时，同步成功，系统开始通过反向散射传输数据。

（c2）传输数据时，FPGA一边接收来自MSP430的图像数据，一边通过SubScatter对发送端发送的信号进行调制。

（d2）接收端通过下文中将要提到的解调方法提取传输的信号并恢复为原始比特。

图3示意了802.11b收发器和标签数据恢复。包含PSDU的包经过扰码、映射到相位、发送后被tag的接收，tag将标签数据生成的对应时隙的相以一定频率发送出去，从而对载波的相进行对应的相移频移等操作，完成反向散射接收器对接收的信号进行逆映射、解扰后得到携带标签信息的PSDU，最后进行数据的恢复，提取出标签信息对应的相，通过与载波信号比较得到标签希望发送的原始信息。

经过上述设计的存储和传输方案可以极大降低图像采集、存储和传输的功耗。本发明的系统至少具有以下有益效果：

(1)更高的传输速率和更低的误码率：

传输方面，使用SubScatter，实现了是当前最好的工作约11倍的吞吐量，这是通过使用802.11b WiFi载波和特别设计的调制方法来实现的。由于在802.11 WiFi中，每个符号持续时间不是1us，而是

us，因此速度提升为原来的/>

，而每个符号分为8个时隙，可以携带8个比特，而非传统载波下的1个比特，因此又将速度提升为原来的8倍，综合二者，最终将反向散射吞吐量提升了11倍。并且兼容常用的商业无线接收器。

同时，本发明使用最小汉明距离同步，综合考虑前导段的同步和FPGA等硬件的处理延迟，使得需要携带的数据精确地嵌入对应的时隙中，最终将误码率从10%降低至1%。

(2)更低的功耗：

系统功耗和存储时间、传输速度等因素密切相关。在正常工作时，反向散射部分的功率约为25.4mW，图像采集和存储部分除摄像头外的功率约为14mW，摄像头功率约为60mW。下面将以分辨率为176×144的QCIF格式的灰度图像为例，对各个情况下的功耗进行讨论。

如果不需要断电重传，则可以直接使用反向散射进行传输，当使用传统的反向散射方法时，吞吐量大约为1Mbps，采集图像需要110ms时间，而传输需要185ms时间，在此期间，大约需要消耗26.43mJ能量。当使用SubScatter进行传输时，反向散射吞吐量接近11Mbps，采集需要110ms时间，传输需要花费18.5ms时间，消耗9.97mJ能量。SubScatter的使用，使得直接传输的能耗降低为传统反向散射方式的37.7%。

如果需要断电重传，则需要使用非易失存储器来进行图像的临时存储。若使用FLASH，FLASH的写入速度约为10KB/s，传输过程中摄像头将全程保持开启，总计需要额外开启2534ms时间，消耗187.5mJ能量，加上拍照消耗8.14mJ、写入消耗2.5mJ、传输消耗96.29mJ的能耗，总共大约消耗294.43mJ能量，这显然不可接受。本发明使用FRAM作为替代，FRAM的写入速度为6MB/s，存储一帧图像需仅要大约4ms的时间，而拍摄加存储一张图像需要花费115ms时间，消耗8.51mJ能量，其中MCU消耗1.61mJ，摄像头消耗6.9mJ，传输需要18.5ms，花费大约9.21mJ能量，略低于使用SubScatter直接传输的时间，而且支持断电重传，防止数据因为断电意外丢失。

具体对比结果如图5所示，图5示意了不同存储方案能耗对比。可以看到拍摄阶段的能耗是固定的，更快的存储器通过降低摄像头开启时间，极大地降低存储阶段耗能，而更快地传输速度可以极大地降低传输阶段的耗能。

实施例2

(1)系统搭建：

首先根据图1所示的系统框图搭建整个系统，较为复杂的同步电路图单独给出，见图5。

系统可以分为图像采集和存储部分和传输部分，两部分有较强独立性，可以分别测试之后再组合在一起，降低调试难度。两部分之间通过SPI通讯，并配置IO口中断用于唤醒MSP430。工作流程按上述给出的流程进行。

(2)系统部署：

实施环境为办公区域的走廊上；

在实验中，用搭载了Qualcomm Atheros AR938XNICs网卡的笔记本，使用CommView软件发送载波信号，用功率放大器使发射器功率提升至20dBm，经由3dBi胶棒天线发送放大后的WiFi信号，他们组合成发送端。用另一台含相同网卡的笔记本电脑作为接收器，它可以通过CommView软件接收反射到的包。将标签放置在距离发射器0.2m的位置，然后使接收器逐渐远离标签直至20m。

(3)实施方式：

系统上电后，同步电路持续工作，接收信号；

首先在发送端上运行CommView，发送经过调制的预先确定的短序列数据包，当同步电路解调解码后，若发现接收的信号为预先确定的短序列数据包，系统开始准备捕获图像的工作。

在首次接收到信号时，MSP430将通过SCCB总线协议配置OV7670寄存器，设置图像格式为QCIF，即分辨率为144×176，色彩模式为4：2：2的YUV模式，便于采集灰度图像。此外还需要配置摄像头时钟分频、缩放系数等、色度、亮度、对比度等一系列成像相关的寄存器。这些寄存器已在“图像采集和存储”部分经过测试和验证。由于一次存储的图像并不足以支撑初始化后继续捕获图像，当寄存器配置完成后，会将摄像头断电，MSP430进入低功耗模式。

依据摄像头手册的说明：摄像头在初始化寄存器后，前十帧图像不够稳定，建议丢弃。经过实测，初始化后的第一帧大概率会出现时间和成像问题，其余成像正常。为节约时间，这里仅丢弃前三帧，并且不进行传输。

在丢弃完前三帧后，开始进行真正的采集。FPGA接收到捕获图像的指令后，通过预先设置的MSP430的IO口中断唤醒MSP430，MSP430退出低功耗模式后将控制OV7670捕获一帧图像。控制流程如下：

(a)初始化DMA，使用单循环传输，上升沿传输，源地址为&P3IN，目的地址为0x4C00，源地址不变，目的地址自增，传输量为176，即一行。使用外部中断口DMAE0用来触发DMA传输。DMAE0和OV7670的PCLK像素信号相连；

(b)配置拍照指令的中断服务程序，在收到拍照指令时产生中断，将拍照标记（cap）置“1”，MSP430等待帧同步信号，即VSYNC；

(c)配置帧同步信号的中断服务程序，在输入的VSYNC信号上升沿时产生中断，将帧同步成功标记，即vsync置为“1”，MSP430等待行同步信号，即HREF；

(d)配置行同步信号的中断服务程序，在输入的HREF信号上升沿时产生中断，启用DMA传输一行；

(e)在每一行结束时，停止DMA传输，更新目的地址为下一行；

(f)循环对应的行数的次数，这里是144次，初始化cap、vsync和行数，完成一次图像采集和存储；

(g)传输图像：通过DMA将图像传输至FPGA，使用字节到字节传输，搬运时MSP430进入低功耗模式以节约能耗，等待下一次采集图像被唤醒；

(h)FPGA接收来自MSP430的数据时，先进行同步，以确保可以将数据嵌入对应的时隙中，再按照上文描述的方法控制RF-Switch开关通过反向散射将数据添加到WiFi信号中，等待接收端接收与解调，并最终显示采集到的图像。

(4)实施结果：

通过反向散射，将数据成功发送至接收端。经过测试，传输吞吐量为10.9Mbps，总共消耗约10mJ能量。

为了在更复杂的场景中测试本发明的性能，将木板或金属板阻隔在接收器和标签之间，标签和接收器距离为2m。最后发现，有木制障碍时，BER上升1%，有金属障碍时，BER上升3.2%；这是因为障碍物，尤其是金属，会降低接收功率，使得解码困难。

综上，理想状况下，本发明系统及方法能从环境光中采集能量，通过WiFi信号控制摄像头捕获一帧QCIF格式的灰度图像，并具有传输吞吐量高，约为11Mbps，能耗低的优点，约为10mJ，具有广泛应用价值。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims

1.一种超低功耗物联网图像采集和传输系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，其特征在于，所述微控制单元按以下方式用预定低功耗图像采集方式控制所述图像采集装置进行图像采集并对图像进行存储，包括：

3.根据权利要求2所述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，其特征在于，所述图像采集装置采集的是4：2：2的YUV格式图像，像素顺序为：

；

4.根据权利要求1-3任一项所述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，其特征在于，所述处理单元包括：同步模块和调制模块；其中，

所述同步模块，通过同步电路与天线电性连接，通过天线持续接收CCK-WiFi信号，若接收到的CCK-WiFi信号为预定序列数据则确认接收到捕获图像指令；并将接收的信号进行同步后确认是否同步成功，若确认同步成功则开始进行反向散射传输图像；

所述调制模块，通过射频开关与天线电性连接，并与所述低功耗图像采集子系统的微控制单元通信连接，能在进行反向散射传输图像时，一边接收来自所述低功耗图像采集子系统的图像数据，一边利用SubScatter反向散射方式调制将图像数据通过所述射频开关经天线发送嵌入到载波信号上，以使接收端通过对应的解调方式提取所接收载波信号并恢复得到所传输的图像数据。

5.根据权利要求4所述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，其特征在于，所述同步模块按以下方式处理同步信号确认是否同步成功，包括：

同步模块预先存储10us数据的前导段，并通过滑动窗口实时计算预存储的前导段和接收信号的汉明距离，当汉明距离最小时，确认同步成功。

6.根据权利要求4所述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，其特征在于，所述调制模块按以下方式利用SubScatter反向散射方式调制将图像数据嵌入到载波信号上，包括：

所述调制模块将图像数据的每个字节按照CCK调制的方式生成对应八个时隙的相位，再经由射频开关和天线对环境中的WiFi信号进行对应的相移频移操作，即完成将图像数据嵌入到载波信号上。

7.根据权利要求1-3任一项所述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，其特征在于，所述电能提供装置采用：太阳能电源装置、震动能电源装置、热能电源装置、射频能电源装置、电池中的任一种。

8.根据权利要求7所述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，其特征在于，所述太阳能电源装置包括：

所述储电器件设有电源输出端，该电源输出端分别与所述低功耗图像采集子系统和反向散射图像传输子系统电性连接。

9.一种超低功耗物联网图像采集和传输方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的超低功耗物联网图像采集和传输系统，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的超低功耗物联网图像采集和传输方法，其特征在于，

所述微控制单元按以下方式用预定低功耗图像采集方式控制所述图像采集装置进行图像采集并对图像进行存储，包括：

所述处理单元按以下方式利用SubScatter反向散射方式调制将图像数据嵌入到载波信号上，包括：

所述处理单元将图像数据的每个字节按照CCK调制的方式生成对应八个时隙的相位，再经由射频开关和天线对环境中的WiFi信号进行对应的相移频移操作，即完成将图像数据嵌入到载波信号上。