关键词：
反向散射通信
无线供电
感测标签
真随机数产生方法
防碰撞算法
摘要：
无线传感网络是构建物联网感知层的基础,其通过海量感知节点(亦称为感测标签)实现各类目标对象的动静态参量、位置、身份等信息感知、采集、融合处理与传输等功能,已被广泛用于战场态势感知、生命体征监测、电网安全检测等军民用领域。然现有感知节点通常采用电池供电,其有效工作时间受限于电池容量;用于原始森林防火、人体内体征量监测等场景的感知节点,常因难以及时更换电池导致无线传感网络失效。因此,研究和发展电磁、热、振动等环境能量收集式自供电感知节点及其网络技术,具有重要科学意义和广泛应用需求。基于反向散射通信机制的射频识别标签与读写器(又称采集器)构成的无源无线识别系统中,标签接收射频信号部分转换为直流能量实现自供电通信功能,这一典型的无线数能同传技术已得到广泛应用。融合识别、传感等技术为一体的无线供电感测标签及系统,具有低功耗、长寿命、免维护等优势,其关键技术已成为学术界和产业界的研究热点。然而,现有无线供电感测系统仍存在通信距离短、数据吞吐率低、感测灵敏度低、接入公平性差及效率低等问题,限制了其广泛应用。本论文在深入分析反向散射通信、无线感测、大容量接入等机制基础上,采用理论分析、数值仿真、实验研究相结合的方法,对无线供电感测标签及系统的信息感测、收集、通信、接入等关键技术进行了系统深入研究,旨在提升感测系统的通信距离、数据吞吐率、感测灵敏度、接入公平性及效率等,增强其实用性,推动其广泛应用。本论文的主要研究内容及创新贡献如下:1.针对多标签系统中未被选中的标签须持续处理接收的命令而耗能量高于单标签耗能量,其所需储能量的充电时间长而致系统数据收集间隔时间长、数据吞吐率低等问题,提出了动态调节标签内MCU的时钟频率及其深度休眠时间的低功耗处理方法,降低了标签的平均功耗;集成应用标签的无线充电效率随其与采集器的间距变化特性、耗能量及系统中标签总数量等信息,基于非线性充放电理论建立起一种标签所需储能量补充时间的预测模型,其能显著降低各标签的充电时间,缩短其数据收集的时间间隔,提高了系统的数据吞吐率。研制出基于钯合金的无源无线氢气浓度感测标签及系统,测试结果表明各标签平均功耗为0.43m W,其较无线识别感测平台(WISP)中同类感测标签的平均功耗降低了20%;50枚标签均距采集器4米时,模型预测的标签所需最大充电时间为49秒,与实测的47秒具有良好的一致性,系统的数据吞吐率提升了90%。研制出光能收集式内置负阻反射放大器的无线氢气浓度感测标签,实测标签接收-60 d Bm@919 MHz信号的反射增益达44 d B,其与-84 d Bm接收灵敏度的采集器间通信距离达96米。2.针对单谐振型磁场强度传感器的灵敏度低及其无线感测标签功耗高等问题,提出了一种基于双谐振型磁场强度传感器输出产生的差分信号再异或门处理的检测电路,其输出信号的频率变化范围显著高于单谐振型传感器的输出频率变化范围,提升了磁场强度的感测灵敏度;采用检测电路输出的方波信号直接调制标签的射频端口阻抗实现反向散射通信,有效降低了感测标签功耗;研制出基于双谐振型磁场强度传感器的无源无线感测标签及系统,实测磁场强度感测灵敏度达58.7 Hz/m T,较单传感器提升了80.6%,标签的平均功耗仅为0.27 m W。针对轮询式无源无线磁场强度感测系统的数据吞吐率低等问题,提出了一种群测和循环序列校验的感测数据收集方法,通过各标签同时感测数据的群测方式减少了感测数据采集时间,提升了系统数据吞吐率;通过循环序列校验判定采集器收集的标签感测数据有效性,增强了数据收集的可靠性。设计出一种无源无线阻抗型磁场强度感测标签及系统,实测收集10枚标签的磁场数据耗时2.2秒,仅为轮询式数据收集时间的25.9%,且磁场强度感测性能不随标签-采集器间距改变而变化。3.针对真随机数产生电路复杂且难适用于低功耗标签等问题,提出了基于ADC转换误差和混沌映射的真随机数产生方法,采用ADC输出数据寻址存储的随机数以产生时变型高/低阈值与时间参数,使ADC输入电压在动态高/低阈值间连续变化,且随机延迟ADC采样时刻,ADC转换误差与电路热噪声效应使其输出数据不可预测;通过电路产生的随机数实时更新和循环迭代,增强了数据的真随机性。仿真和测试数据均通过了NIST统计验证,表明该方法使内置ADC的感测标签能产生真随机数而提高无线感测系统中标签接入的公平性。4.针对多感测标签接入采集器时因信号碰撞而接入效率低等问题,提出了一种动态多进制查询树防碰撞算法,其根据总碰撞位数生成时变查询前缀并确定数据碰撞位置,指令匹配的标签按映射规则返回查询前缀对应的比特位,解析比特位分布特征后有序识别标签,消除了空闲时隙并减少了碰撞时隙,且无需估计标签数量,提高了识别效率和系统吞吐率。理论分析和仿真结果表明2000枚标签时系统吞吐率达89.2%,较位
