一种地下传感器的无线充电装置、方法及无线地下传感器网络系统

本发明属于地下无线充电，更具体地，涉及一种地下传感器的无线充电装置、方法及无线地下传感器网络系统。

背景技术：

1、无线地下传感器网络(wireless underground sensornetworks,wusns)由多个埋在地下的传感器节点(wireless underground sensor，wus)组成，在地下环境(如土壤水分)和地下基础设施(如地下管线)的观测，以及地质灾害(如滑坡、城市天坑)的监测和防治中发挥重要作用，近年来受到人们极大关注。但是wusns一般工作于地下或者极端环境，无法人工频繁更换电池导致其工作寿命通常被电池容量所限制。

2、为wusns能够长久工作，打破电池容量的桎梏，研究人员提出地下传感器的无线充电方式，采用射频(radio frequency，rf)能量为地下传感器节点供电，由于非均匀土壤介质对射频能量衰减较大，所以现有技术多采用单输入多输出技术向地下传感器节点发射信号，而为了获取稳定的、且功率较高的电磁波束，该方法往往在地下设置有源信号发射器来获取信道信息，进而通过优化波束成形对上、下行时隙进行分配。但是有源信号发射器同样被电池容量所限制，因此，对于地下传感器工作寿命的提高效果有限。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种地下传感器的无线充电装置及方法，其目的在于，在保证地下传感器充电性能的条件下，进一步提高地下传感器的工作寿命。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种地下传感器的无线充电装置，包括：地上发射设备、地上接收设备、设置在地下传感器上的背向散射模块、和地下能量收集模块；地上发射设备包括：多根发射天线；

3、地上发射设备控制各发射天线依次向地下发射lora信号；背向散射模块在接收到第i根发射天线发射的lora信号后，对该lora信号进行频移操作，并将频移操作后的信号反射回地上；地上接收设备接收到背向散射模块反射回来的信号yi后，基于yi对第i个信道信息进行估计，并将所得信道信息发送至地上发射设备；其中，第i个信道信息为第i根发射天线途径背向散射模块到达地上接收设备的信道信息；i＝1,2,…,m；m为发射天线的数量；

4、地上发射设备控制各发射天线同时向地下发射lora信号，并对每根发射天线所发射的lora信号基于对应的信道信息进行波束成形，将成形后的电磁波束发送至地下能量收集模块，以对地下传感器进行充电；

5、其中，基于yi对第i个信道信息进行估计包括：将yi与第i根发射天线发射的lora信号进行包同步，并将包同步后的yi中的啁啾符号与地上接收设备的接收窗口对齐，将对齐后的啁啾符号与其所对应的下啁啾相乘，并对所得结果进行傅里叶变换，得到第i条信道信息。

6、进一步优选地，第i个信道信息为：

7、

8、其中，n为傅里叶变换的采样点数；yi(nt)为上述对齐后的啁啾符号；为yi(nt)所对应的下啁啾；n表示第n个采样点；t＝1/fs；fs为采样率；fm为第i根发射天线所发射的lora信号的频率偏移；bw为传输带宽；j为虚数符号。

9、进一步优选地，上述基于yi对第i个信道信息进行估计还包括：

10、计算yi的数据包中的前导码的上啁啾频率的平均值

11、计算yi的数据包中的开始帧分割符的下啁啾频率的平均值

12、将与的平均值作为yi的载波频率偏移

13、计算yi的啁啾时间偏移其中，n为傅里叶变换的采样点数；fs为采样率；bw为传输带宽；

14、在将yi与第i根发射天线发射的lora信号进行包同步之前，将yi的载波频率偏移与相加，以去除yi中载波频率偏移影响；

15、在将包同步后的yi中的啁啾符号与地上接收设备的接收窗口对齐之前，基于对接收窗口进行矫正，以去除啁啾时间偏移的影响。

16、进一步优选地，第i个信道信息为：

17、

18、其中，yi(nt)为上述对齐后的啁啾符号；为yi(nt)所对应的下啁啾；n表示第n个采样点；t＝1/fs；fm为第i根发射天线所发射的lora信号的频率偏移；j为虚数符号。

19、进一步优选地，上述地上发射设备对第i根发射天线所发射的lora信号进行波束成形的过程包括：

20、计算第i根发射天线所发射的lora信号的波束成形矢量并将第i根发射天线所发射的lora信号的相位调制为波束成形矢量中的相位值φi，从而实现对第i根发射天线所发射的lora信号的波束成形；

21、其中，为第i个信道信息，为的共轭复数。

22、进一步优选地，上述背向散射模块包括：第一天线、第二天线、第一阻抗匹配电路、多阶倍压整流电路、有源晶振和开关；

23、第一天线和第二天线均用于接收地上发射设备发射的lora信号；

24、第一阻抗匹配电路用于对第一天线与多阶倍压电路进行阻抗匹配；

25、多阶倍压整流电路用于对第一天线接收的信号进行整流升压，并为有源晶振和开关进行供电；

26、有源晶振用于产生方波，以控制开关变换其内部阻抗，从而对第二天线接收的信号进行移频，并再次通过第二天线反射回地上。

27、进一步优选地，能量收集模块包括：第三天线、第二阻抗匹配电路、倍压整流电路和能量管理模块；

28、第三天线用于接收地上接收设备发射的电磁波束；

29、第二阻抗匹配电路用于对第三天线与倍压整流电路进行阻抗匹配；

30、倍压整流电路用于对电磁波束进行倍压整流，以为能量管理模块中的储能单元进行充电；

31、储能单元用于对地下传感器充电。

32、第二方面，本发明提供了一种地下传感器的无线充电方法，包括：

33、利用地上发射设备控制各发射天线同时向地下发射lora信号，并对每根发射天线所发射的lora信号基于对应的信道信息进行波束成形，将成形后的电磁波束发送至地下能量收集模块，以对地下传感器进行充电；

34、其中，第i个信道信息通过以下方式获取：

35、利用地上发射设备控制第i根发射天线向地下发射lora信号；利用设置在地下传感器上的背向散射模块接收第i根发射天线发射的lora信号，并对该lora信号进行频移操作后反射回地上；利用地上接收设备接收背向散射模块反射回来的信号yi，并基于yi对第i个信道信息进行估计，并将所得信道信息发送至地上发射设备；

36、上述基于yi对第i个信道信息进行估计包括：将yi与第i根发射天线发射的lora信号进行包同步，并将包同步后的yi中的啁啾符号与地上接收设备的接收窗口对齐，将对齐后的啁啾符号与其所对应的下啁啾相乘，并对所得结果进行傅里叶变换，得到第i条信道信息；

37、第i个信道信息为第i根发射天线途径背向散射模块到达地上接收设备的信道信息；i＝1,2,…,m；m为发射天线的数量。

38、进一步优选地，上述基于yi对第i个信道信息进行估计还包括：

39、计算yi的数据包中的前导码的上啁啾频率的平均值

40、计算yi的数据包中的开始帧分割符的下啁啾频率的平均值

41、将与的平均值作为yi的载波频率偏移

42、计算yi的啁啾时间偏移其中，n为傅里叶变换的采样点数；fs为采样率；bw为传输带宽；

43、在将yi与第i根发射天线发射的lora信号进行包同步之前，将yi的载波频率偏移与相加，以去除yi中载波频率偏移影响；

44、在将包同步后的yi中的啁啾符号与地上接收设备的接收窗口对齐之前，基于对接收窗口进行矫正，以去除啁啾时间偏移的影响。

45、进一步优选地，对第i根发射天线所发射的lora信号进行波束成形的过程包括：

46、计算第i根发射天线所发射的lora信号的波束成形矢量并将第i根发射天线所发射的lora信号的相位调制为波束成形矢量中的相位值φi，从而实现对第i根发射天线所发射的lora信号的波束成形；

47、其中，为第i个信道信息，为的共轭复数。

48、第三方面，本发明提供了一种无线地下传感器网络系统，包括：f个地下传感器和与f个地下传感器一一对应的f个无线充电装置；f为正整数；

49、无线充电装置为本发明第一方面所提供的无线充电装置；其中，无线充电装置中的背向散射模块设置在对应的地下传感器上。

50、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

51、1、本发明提供了一种地下传感器的无线充电装置，包括地上发射设备、地上接收设备、设置在地下传感器上的背向散射模块、和地下能量收集模块；通过地上发射设备发射信号激活地下传感器上的无源背向散射反射移频信号，地上接收设备接收反射信号，通过信道估计获取信道信息，以在后续过程中，基于信道信息对发射天线所发射的lora信号进行波束成形，从而使得电磁信号功率达到地下能量收集模块的启动阈值，实现地下传感器的充电；背向散射模块的接收灵敏度高、且无源低能耗，能够进一步提高地下传感器的工作寿命。在这个过程中，考虑到地下环境信号衰减较大，噪声可能会淹没信号，严重影响接收信号强度的准确性，本发明采用lora信号，并设计了对应的信道估计方法进行信道估计，由于lora信号在相位灵敏度上相比信号强度较高，可以有效降低噪声的影响，因此大大减小信道估计误差。基于此，本发明能够在保证地下传感器充电性能的条件下，进一步提高了地下传感器的工作寿命。

52、2、进一步地，本发明所提供的地下传感器的无线充电装置，考虑到地上接收设备容易受到载波频率偏移cfo和啁啾时间偏移cto的影响，需要对cfo和cto进行估计，以消除二者的影响，从而进一步提高信道估计的准确性。具体地，本发明考虑到载波频率偏移cfo和啁啾时间偏移cto对接收的符号频率有不同影响，一个正的cfo会导致上啁啾和下啁啾的正频率偏移，而一个正的cto会导致上啁啾的正频率偏移和下啁啾的负频率偏移，因此，基于yi的数据包中的前导码的上啁啾频率和开始帧分割符的下啁啾频率，计算得到yi的载波频率偏移和啁啾时间偏移，进而分别对yi的载波频率和接收窗口进行矫正，从而消除了cfo和cto的影响，实现了更加准确地信道信息估计。

53、3、进一步地，本发明所提供的地下传感器的无线充电装置，在对发射天线所发射的lora信号进行波束成形以最大化地下传感器的接收功率的过程中，通过分析发现，由于从背向散射模块到达地上接收设备的信道信息固定不变，最大化地下传感器的接收功率等价于最大化地上接收设备的接收功率，因此，无需再另外根据所估计的信道信息来求取地上发射设备的信道信息到达背向散射模块的信道信息，来获取地下传感器的接收功率的表达式以进行最大化，直接最大化地上接收设备的接收功率即可，整个过程更加简单，提高了计算效率。

54、4、进一步地，在本发明所提供的地下传感器的无线充电装置中，上述背向散射模块包括：第一天线、第二天线、第一阻抗匹配电路、多阶倍压整流电路、有源晶振和开关；其中，第一天线用于能量收集，第二天线用于信息传递，保证信能传输的稳定性；第一阻抗匹配电路用于第一天线与多阶倍压整流电路的阻抗匹配，提高能量转化效率；多阶倍压整流电路用于将高频交流电转化直流电，并提高输出电压；低功率有源晶振相比微型控制器消耗更低，且控制信号稳定；基于此，背向散射模块的整体性能较好。

55、5、进一步地，在本发明所提供的地下传感器的无线充电装置中，能量收集模块包括：第三天线、第二阻抗匹配电路、倍压整流电路和能量管理模块；其中，第二阻抗匹配电路用于第三天线与倍压整流电路的阻抗匹配，提高能量转化效率，使得能量收集模块的整体性能较好。

56、6、本发明提供了一种无线地下传感器网络系统，包括多个地下传感器和多个无线充电装置，每个地下传感器均对应一个本发明第一方面所提供的无线充电装置，使得该无线地下传感器网络系统具有能耗低还能自充电的特点，在地下环境里，可以工作时间长达数年，不需要频繁被挖出以更换电池，可以极大节约金钱和人力资源。