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CN114841179A - 基于rfid和时间反演电磁学的传感系统 - Google Patents

基于rfid和时间反演电磁学的传感系统 Download PDF

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CN114841179A
CN114841179A CN202210609691.XA CN202210609691A CN114841179A CN 114841179 A CN114841179 A CN 114841179A CN 202210609691 A CN202210609691 A CN 202210609691A CN 114841179 A CN114841179 A CN 114841179A
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Abstract

本发明公开基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，属于传感技术领域，包括多个阵列排布的RFID天线传感器和其周围的多个TRM收发一体单元，各RFID天线传感器均对应一个空间位置，内部存储所有空间位置的仿真时间反演信号；对一待测空间位置，各TRM收发一体单元将对应仿真时间反演信号进行处理，发射后在待测空间位置汇聚成高斯脉冲电磁波信号，待测空间位置处的RFID天线传感器反射回蕴含当前环境位置信息的天线反射电磁波，经各TRM收发一体单元实时处理后，获得待测空间位置的环境变化。本发明可实现对空间中任意位置传感器的实时读取，进而获取环境信息，具有高信息保留度、高空间分辨率和高能量利用率的特点。

Description

基于RFID和时间反演电磁学的传感系统
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及基于RFID和时间反演电磁学的传感系统。
背景技术
目前各种传感系统通过多种方式将感知器件连接起来完成信息交互，实现智能监测、控制、识别、定位、追踪等功能。但是传统感知器件多为有源有线传感器，其面临着体积较大，后期需要更换电池，维护困难，安置环境受限等问题。而基于射频识别(RadioFrequency Identification，RFID)的无源探测器可以解决上述问题，是实现无源无线传感器系统的核心技术。
通过RFID技术可以很容易读取单一传感器的信息，被应用在货物监测、冷链运输、身份识别等多种识别目标场景。但这些应用场景都需要人员靠近读取端雷达进行一对一的读取，或者利用窄方向型的天线并结合信号处理技术对接收端接收到的信号进行分解，以分辨不同天线传回的信息。当RFID技术应用在传感系统中时，前一种分辨不同传感器的方法大大限制了传感器的数量，或是要求人员手持接收端一一对每个传感器进行读取。后一种则会由于在信号分解处理过程中损失部分信息，而不利于传感器读取全部信息，同时时空分辨率较低，使得传感器之间安放距离受限。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，可实现在任意空间中对任意数量和任意位置的RFID天线传感器的实时读取。
本发明所采用的技术方案如下：
基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，其特征在于，包括传感器阵列和位于传感器阵列周围的多个TRM(时间反演镜)收发一体单元，所述传感器阵列由多个阵列排布的RFID天线传感器组成，各RFID天线传感器均对应一个空间位置；
各TRM收发一体单元内存储通过电磁场仿真获得的所有空间位置的仿真时间反演信号；
对一待测空间位置，各TRM收发一体单元将内部存储的对应仿真时间反演信号进行处理，发射后在待测空间位置汇聚形成高斯脉冲电磁波信号，待测空间位置处的RFID天线传感器反射回蕴含当前环境位置信息的天线反射电磁波，各TRM收发一体单元对接收的天线反射电磁波进行实时处理，即可获得待测空间位置的环境变化。
进一步地，各TRM收发一体单元在传感器阵列周围共同构成传感器读取系统。
进一步地，所述仿真时间反演信号的获取方式为：通过电磁场仿真，在一个空间位置发射高斯脉冲电磁波信号，各TRM收发一体单元将接收到的高斯脉冲电磁波信号进行时间反演处理，获得仿真时间反演信号，并反射回该空间位置，各TRM收发一体单元反射的仿真时间反演信号将在该空间位置汇聚形成高斯脉冲电磁波信号。
进一步地，所述RFID天线传感器包括相连的Inlay天线和灵敏探测器；所述Inlay天线为对称结构，包括圆环匹配段，以及依次位于圆环匹配段两端的弯折偶极子天线段和末端加载阻抗，圆环匹配段的开口端与灵敏探测器相连；所述灵敏探测器用于感知环境位置信息，当所处环境位置信息改变时，灵敏探测器中敏感材料的电导率、介电常数等特性会发生改变，从而影响反射的天线反射电磁波的特性，包括频率和幅值，以此反映当前环境位置信息。
进一步地，所述灵敏探测器包括热敏型、光敏型、压敏型、湿敏型或气敏型等。
进一步地，所述TRM收发一体单元包括天线、发射支路、接收支路、第一低通滤波器和0～1GHz振荡器；所述发射支路包括依次连接的寄存器、微控制器、直接数字频率合成器(DDS)、第一混频器、第一带通滤波器和功率放大器；所述发射支路包括依次连接的低噪声放大器、第二带通滤波器、第二混频器、第二低通滤波器和模数转换器；
寄存器内存储所有空间位置的仿真时间反演信号，微控制器将仿真时间反演信号传输至DDS处理后，在第一混频器与0～1GHz振荡器发出的经第一低通滤波器滤波后的信号进行混频调制处理，之后经第一带通滤波器、功率放大器传输至天线发射；
天线接收到的天线反射电磁波经低噪声放大器、第二带通滤波器传输至第二混频器，与0～1GHz振荡器发出的经第一低通滤波器滤波后的信号进行混频解调处理，之后经第二低通滤波器传输至模数转换器转换为数字信号，发送至微控制器分析，获得待测空间位置的环境变化。
进一步地，所述高斯脉冲电磁波信号的频段为840～925MHz。
进一步地，所述传感器阵列中相邻RFID天线传感器的最小距离为λ/2；在840～925MHz频段，相邻RFID天线传感器的最小距离为0.16～0.18m。
本发明的有益效果为：
本发明提出了基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，实现对空间中任意位置传感器的实时读取，进而获取传感器所处环境的信息，并通过依次扫描多个传感器，实现对任意数量传感器的读取；相较于传统传感系统，本发明提出的传感系统具有高信息保留度、高空间分辨率和高能量利用率的特点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于RFID和时间反演电磁学的传感系统的示意图；
图2为本发明实施例1中RFID天线传感器的示意图；
图3为本发明实施例1中TRM收发一体单元的示意图；
图4为本发明实施例1中各TRM收发一体单元发射的信号在待测空间位置汇聚形成的信号波形；
图5为本发明实施例1中各TRM收发一体单元发射的信号在待测空间位置附近形成的信号波形；
图6为本发明实施例1中TRM收发一体单元发射的信号波形；
附图中各标记的说明如下：
1：RFID天线传感器；2：TRM收发一体单元；3：末端加载阻抗；4：弯折偶极子天线段；5：圆环匹配段。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，结构如图1所示，包括传感器阵列和位于传感器阵列周围的多个TRM收发一体单元2，各TRM收发一体单元2在传感器阵列周围共同构成传感器读取系统。所述传感器阵列由多个阵列排布的RFID天线传感器1组成，各RFID天线传感器1均对应一个空间位置，相邻RFID天线传感器1的最小距离为0.16～0.18m。
所述RFID天线传感器1包括相连的Inlay天线和灵敏探测器，如图2所示。所述Inlay天线为对称结构，包括圆环匹配段5，以及依次位于圆环匹配段5两端的弯折偶极子天线段4和末端加载阻抗3，圆环匹配段5的开口端与灵敏探测器相连。所述灵敏探测器用于感知环境位置信息，当所处环境位置信息改变时，灵敏探测器中敏感材料的电导率、介电常数等特性会发生改变，从而影响反射的天线反射电磁波的特性，包括频率和幅值，以此反映当前环境位置信息。所述灵敏探测器包括热敏型、光敏型、压敏型、湿敏型或气敏型等。
如图3所示，所述TRM收发一体单元2包括天线、发射支路、接收支路、第一低通滤波器和0～1GHz振荡器；所述发射支路包括依次连接的寄存器、微控制器、DDS、第一混频器、第一带通滤波器和功率放大器；所述发射支路包括依次连接的低噪声放大器、第二带通滤波器、第二混频器、第二低通滤波器和模数转换器。
各TRM收发一体单元2内存储通过电磁场仿真获得的所有空间位置的仿真时间反演信号，获取一个空间位置的仿真时间反演信号的具体过程为：通过电磁场仿真，在一个空间位置发射频段为840～925MHz的高斯脉冲电磁波信号，各TRM收发一体单元2将接收到的高斯脉冲电磁波信号进行时间反演处理，获得仿真时间反演信号，并反射回该空间位置，各TRM收发一体单元2反射的仿真时间反演信号将在该空间位置汇聚形成高斯脉冲电磁波信号。
本实施例提出的基于RFID和时间反演电磁学的传感系统的工作原理如下：
各TRM收发一体单元2中的寄存器内存储所有空间位置的仿真时间反演信号，微控制器将仿真时间反演信号传输至DDS处理后，在第一混频器与0～1GHz振荡器发出的经第一低通滤波器滤波后的信号进行混频调制处理，之后经第一带通滤波器、功率放大器传输至天线发射，其中一个TRM收发一体单元2发出的信号波形如图6所示；
各TRM收发一体单元2发射的信号在待测空间位置汇聚形成频段为840～925MHz的高斯脉冲电磁波信号，波形如图4所示，波形较为集中，待测空间位置附近形成的信号波形如图5所示，可见振幅较待测空间位置的信号有大幅降低，表明本实施例所提出的传感系统在时间和空间上都具有良好的分辨能力；待测空间位置处RFID天线传感器1的Inlay天线接收到高斯脉冲电磁波信号后，反射回蕴含当前环境位置信息的天线反射电磁波；
各TRM收发一体单元2中的天线接收到天线反射电磁波，经低噪声放大器、第二带通滤波器传输至第二混频器，与0～1GHz振荡器发出的经第一低通滤波器滤波后的信号进行混频解调处理，之后经第二低通滤波器传输至模数转换器转换为数字信号，发送至微控制器进行实时分析，此时通过分析天线反射电磁波的信号变化，即可获得待测空间位置的环境变化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，其特征在于，包括传感器阵列和位于传感器阵列周围的多个TRM收发一体单元，所述传感器阵列由多个阵列排布的RFID天线传感器组成，各RFID天线传感器均对应一个空间位置；
各TRM收发一体单元内存储通过电磁场仿真获得的所有空间位置的仿真时间反演信号；
对一待测空间位置，各TRM收发一体单元将内部存储的对应仿真时间反演信号进行处理，发射后在待测空间位置汇聚形成高斯脉冲电磁波信号，待测空间位置处的RFID天线传感器反射回蕴含当前环境位置信息的天线反射电磁波，各TRM收发一体单元对接收的天线反射电磁波进行实时处理，获得待测空间位置的环境变化。
2.根据权利要求1所述基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，其特征在于，所述仿真时间反演信号的获取方式为：通过电磁场仿真，在一个空间位置发射高斯脉冲电磁波信号，各TRM收发一体单元将接收到的高斯脉冲电磁波信号进行时间反演处理，获得仿真时间反演信号，并反射回该空间位置，各TRM收发一体单元反射的仿真时间反演信号将在该空间位置汇聚形成高斯脉冲电磁波信号。
3.根据权利要求1所述基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，其特征在于，所述RFID天线传感器包括相连的Inlay天线和灵敏探测器；Inlay天线为对称结构，包括圆环匹配段，以及依次位于圆环匹配段两端的弯折偶极子天线段和末端加载阻抗，圆环匹配段的开口端与灵敏探测器相连；灵敏探测器用于感知环境位置信息。
4.根据权利要求3所述基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，其特征在于，所述灵敏探测器包括热敏型、光敏型、压敏型、湿敏型或气敏型。
5.根据权利要求1所述基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，其特征在于，所述TRM收发一体单元包括天线、发射支路、接收支路、第一低通滤波器和0～1GHz振荡器；发射支路包括依次连接的寄存器、微控制器、DDS、第一混频器、第一带通滤波器和功率放大器；发射支路包括依次连接的低噪声放大器、第二带通滤波器、第二混频器、第二低通滤波器和模数转换器；
寄存器内存储所有空间位置的仿真时间反演信号，微控制器将仿真时间反演信号传输至DDS处理后，在第一混频器与0～1GHz振荡器发出的经第一低通滤波器滤波后的信号进行混频调制处理，之后经第一带通滤波器、功率放大器传输至天线发射；
天线接收到的天线反射电磁波经低噪声放大器、第二带通滤波器传输至第二混频器，与0～1GHz振荡器发出的经第一低通滤波器滤波后的信号进行混频解调处理，之后经第二低通滤波器传输至模数转换器转换为数字信号，发送至微控制器分析，获得待测空间位置的环境变化。
6.根据权利要求1所述基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，其特征在于，所述高斯脉冲电磁波信号的频段为840～925MHz。
7.根据权利要求1所述基于RFID和时间反演电磁学的传感系统，其特征在于，所述传感器阵列中相邻RFID天线传感器的最小距离为λ/2。
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