CN110971551B - 一种基于无源感知技术的跨协议通信平台 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于无源感知技术的跨协议通信平台，属于物联网信息***技术领域，包括射频前段、接收器、发送器、微控器及传感设备；接收器是对接收到的信号进行解码，具体包括依次连接的检测器、峰值发现器、设置阈值电路以及比较器，发送器用来发送不同协议的通信信号，实现跨平台的通信，通过控制微控器输出的数字传输信号以及匹配网络的阻抗来进行调节，输出不同平台通信协议采用的调制方式；本发明通过反向散射技术在一个设备上实现多种调制方式，能够按照需求自适应的与多种设备进行通信，并只通过反向散射调制技术进行信号的产生，为最终提高物联网不同设备之间的相互通信起到积极作用。

Description

一种基于无源感知技术的跨协议通信平台
技术领域
本发明属于物联网信息***技术领域，涉及一种物联网通信平台，具体为一种基于无源感知技术的跨协议通信平台。
背景技术
物联网作为信息***向物理世界的延伸，拓展了人类认知和控制物理世界的能力，已被称为继计算机和互联网之后的世界信息产业的第三次浪潮，正深刻改变着人类的生存环境和生活方式。
物联网的核心任务是无处不在的数据感知、以无线为主的数据传输以及智能化的数据处理，随着5G以及大数据技术的发展，大规模的数据传输与处理不再是制约物联网应用发展的因素，实现无处不在的数据感知是物联网的关键，尤其是人工智能和工业制造4.0在国家的推动下蓬勃发展，机器人和工业物联网的相关应用越来越多，对物联网的数据感知提出了更高的要求，物联网需要实现更广泛的互连互通连接，包括手机、计算机、信息设备、所有智能、无智能物理设备之间的连接，不同的设备的通信协议不同，所以需要多样连接方式，但是现有的技术只能实现一种通信协议之间的信息交换，不能自主的在多种设备之间实现自由通信。例如RFID标签使用EPC协议与阅读器进行通信，而不能直接和手机或者电脑进行通信，一些可穿戴设备也只能使用特定的通信协议与专用设备进行通信，而不能自主选择通信协议进行通信，这就给物联网全部互通连接带来了瓶颈，为了解决这个问题，需要设计能够跨协议通信的物联网平台，能够根据需求自适应的选择通信协议，实现可以和多种通信终端的通信。此外，物联网设备的种类多元，数量达到千亿级，但存在一个重要的问题：物联网节点难以长时间供电持续运行，电池的工作方式导致了节点非常有限的工作寿命，需要大量的维护成本，而且因为需要加上电源装置，节点的外形尺寸也往往受到极大的限制，很难应用在衣物、鞋袜等穿戴物品以及其他类似的日常用品中，直接导致其***的可扩展性和实用性大幅下降，尤其是设计一个跨协议通信的物联网平台需要的算法复杂度提高，所以耗费的能量更多，能量问题也是设计跨协议通信平台的一个重要考虑因素，所以需要设计一个低耗能的并且能够实现多种设备之间的跨协议通信平台。
无源感知***的出现以及反向散射关键技术为实现跨协议通信平台提供了可能，无源感知***是指由无源感节点自身不配备或不主要依赖自身的电源设备供电，而从环境中获取能量支撑其计算、感知、通信与组网，这些能源可能来自光能、运动能以及无处不在的电磁能，无源感知***很好的解决了物联网中的能源问题，其中利用电磁能的节点甚至不需要具备一般有源设备的收发器，可以利用自身天线对电磁波信号进行信号加载并反射传输，该技术称为反向散射技术，反向散射源于雷达技术，当电磁波遇到空间目标时，能量的一部分被物体吸收，另一部分通过“天线开关”控制天线 的阻抗，改变天线的反射系数，使得能量以不同强度被散射到各个方向，散射的能量中，一部分反射到发射天线，并被接收和识别，即可获得目标的有关信息，反向散射技术既可以实现节点的能量供给，也能够实现节点的信息传输。
实现跨协议之间的通信主要需要解决的问题就是不同通信协议采用的调制解调方式不一致，例如EPC协议中规定RFID使用ASK调制，蓝牙技术BLE协议使用的是FSK调制，Wifi协议使用的是QPSK调制，广播信息采用的是FM调制，所以，如图1所示，如何设计一个跨协议通信平台能够同时产生ASK、PSK、QPSK、FSK、FM等调制方式实现不同设备之间的通信，并且考虑到能量因数，此平台不能自带能源，需要采用无源的方式进行工作，是我们需要解决的关键问题，也是实现物联网设备真正互通连接的必要课题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种基于无源感知技术的跨协议通信平台，通过反向散射技术在一个设备上实现多种调制方式，能够按照需求自适应的与多种设备进行通信，通过反向散射调制技术进行信号的产生，为最终提高物联网不同设备之间的相互通信起到积极作用。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种基于无源感知技术的跨协议通信平台，包括射频前段、接收器、发送器、微控器及传感设备；所述接收器是对接收到的信号进行解码，具体包括依次连接的检测器、峰值发现器、设置阈值电路以及比较器，所述检测器用于移除接收信号的载波部分，峰值发现器用于存储电容中接收信号的峰值；设置阈值电路确定阈值；最后比较器将接收到的信号与阈值进行比较，实现接收信号的解调；所述发送器用来发送不同协议的通信信号，实现跨平台的通信，通过控制微控器输出的数字传输信号以及匹配网络的阻抗来进行调节，输出不同平台通信协议采用的调制方式。
优选的，所述输出不同平台通信协议采用的调制方式为：ASK调制、FSK调制、QPSK调制、FM调制中的任意一种。
优选的，所述射频前段用于对能量的收集以及进行能量管理，射频前段包括天线、电容、阻抗匹配网络、升压泵、电平转换器以及能量存储器，收集的能量存储在电容中。
优选的，所述微控器为低功耗处理器，用于对解码的信号进行处理并产生发送数字信号；传感设备对环境进行感知，并将感知数据嵌入到微控器的数据中，最终通过反向散射信号进行传输。
优选的，所述通信平台采用自适应反向散射机制，所述自适应反向散射机制包括对信道状态进行测试估计和信道状态与调制方式的对应，通过判断接收信号强度以及平台传感器接收到的数据来进行信道状态的判断，采用look-up表的方式进行进行信道状态与调制方式的对应，通过传输一段数据，根据其误码率进行上调或者下调调制方式。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。
本发明设计无源感知技术设计跨协议通信平台，通过反向散射技术在一个设备上实现多种调制方式，能够按照需求自适应的与多种设备进行通信，并且考虑到该平台工作在无源环境下，只通过反向散射调制技术进行信号的产生，为最终提高物联网不同设备之间的相互通信起到积极作用。
附图说明
图1为跨协议通信模型。
图2为本发明所述跨协议通信平台总体框架图。
图3为本发明所述跨协议通信平台接收器示意图。
图4为本发明所述跨协议通信平台发送器示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
基于无源感知技术的跨协议通信平台总体框架如图2所示，该平台主要包括四个部分，分别为：（1）射频前段，负责对能量的收集以及进行能量管理，收集的能量主要存储在电容中，需要天线、阻抗匹配网络、升压泵、电平转换器以及能量存储器；（2）接收器，对接收到的信号进行解码，接收的信号中会包含下一步需要产生的通信协议类型，信号需要传输的速率等信号，考虑到能量消耗，接收机的器件均采用无源器件，解码也需要低功耗的方式。（3）发送器，发送不同协议的通信信号，实现跨平台的通信，主要可以通过控制微控器输出的数字传输信号以及匹配网络的阻抗来进行调节。（4）微控器及传感设备，实现简单的计算与感知，微控器使用MSP430低功耗处理器，主要对解码的信号进行处理并产生发送数字信号，传感设备可以对环境进行感知，并将感知数据嵌入到微控器的数据中，最终通过反向散射信号进行传输。
其中射频前段部分以及微控器及传感器部分采用已成熟的现有设计方案，本发明主要侧重于其接收器、发送器以及自适应调节机制的设计，具体的实施方式如下：
（1）跨协议通信平台接收器设计
接收机中主要包含四个部件，如图3所示，其中：包络检测器，其作用为移除接收信号的载波部分，器件包括二极管与电容，通过合理设计调试数值，使得其频率与接收信号中调制信号的频率一致，实现包络检波；峰值发现器，其主要作用为存储电容中接收信号的峰值；设置阈值电路实现阈值的减半；最后比较器将接收到的信号与阈值进行比较，当大于阈值时，输出为1，小于阈值时输出为0，实现了接收信号的解调。在设计过程中，由于平台在无源状况下进行工作，能量较少，所有的器件均为无源低功耗器件。
（2）跨协议通信平台发送器设计
通过控制微控器输出的数字传输信号以及匹配网络的阻抗来进行调节，其中匹配网络的设计如图4所示，根据需要传输的信号选择对应的阻抗，阻抗值的确定根据需要达到的雷达横截面积以及反射***，使用Smith V3.10软件计算得出。其中与RFID阅读器、Wifi设备以及蓝牙设备进行通信，均需要通过控制微控器输出的数字传输信号进行实现，分别输出普通的二进制信号、带时间延迟的信号以及频率不一致的二进制信号；实现M-QAM调制需要通过调节匹配网络的阻抗，利用单刀多掷开关选择不同的阻抗匹配所需的不同状况。
（3）自适应反向散射机制设计
为了优化跨协议通信平台的吞吐量，在保证误码率的情况下，设计能够根据实时信道状态自适应的调整调制方式来达到最大吞吐量的策略，其中包括两方面的设计，第一需要对信道状态进行测试与估计，通过判断接收信号强度以及平台传感器接收到的数据来进行信道状态的判断，第二进行信道状态与调制方式的对应，采用look-up表的方式进行，通过传输一段数据，根据其误码率进行上调或者下调调制方式。
本发明设计无源感知技术设计跨协议通信平台，通过反向散射技术在一个设备上实现多种调制方式，能够按照需求自适应的与多种设备进行通信，并且考虑到该平台工作在无源环境下，只通过反向散射调制技术进行信号的产生，为最终提高物联网不同设备之间的相互通信起到积极作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种基于无源感知技术的跨协议通信平台，其特征在于，包括射频前段、接收器、发送器、微控器及传感设备；所述接收器是对接收到的信号进行解码，具体包括依次连接的检测器、峰值发现器、设置阈值电路以及比较器，所述检测器用于移除接收信号的载波部分，峰值发现器用于存储电容中接收信号的峰值；设置阈值电路以确定阈值；最后比较器将接收到的信号与阈值进行比较，实现接收信号的解调；所述发送器用来发送不同协议的通信信号，实现跨平台的通信，通过控制微控器输出的数字传输信号以及匹配网络的阻抗来进行调节，输出不同平台通信协议采用的调制方式。
2.根据权利要求1所述的一种基于无源感知技术的跨协议通信平台，其特征在于，所述输出不同平台通信协议采用的调制方式为：ASK调制、FSK调制、QPSK调制、FM调制中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于无源感知技术的跨协议通信平台，其特征在于，所述射频前段用于对能量的收集以及进行能量管理，射频前段包括天线、电容、阻抗匹配网络、升压泵、电平转换器以及能量存储器，收集的能量存储在电容中。
4.根据权利要求1所述的一种基于无源感知技术的跨协议通信平台，其特征在于，所述微控器为低功耗处理器，用于对解码的信号进行处理并产生发送数字信号；传感设备对环境进行感知，并将感知数据嵌入到微控器的数据中，最终通过反向散射信号进行传输。
5.根据权利要求1所述的一种基于无源感知技术的跨协议通信平台，其特征在于，所述通信平台采用自适应反向散射机制，所述自适应反向散射机制包括对信道状态进行测试估计和信道状态与调制方式的对应，通过判断接收信号强度以及平台传感器接收到的数据来进行信道状态的判断，采用look-up表的方式进行信道状态与调制方式的对应，通过传输一段数据，根据其误码率进行上调或者下调调制方式。
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