一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统及其运行方法

1.本发明涉及一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统及其运行方法，属于无线传感技术领域。


背景技术：

2.近年来随着微电子、无线通信和低功耗传感器的发展，无线传感网络技术得到了极大的发展。
3.无线传感网络由大量廉价传感器节点组成，节点是同构的，成本低，体积小，且大部分节点不移动。用来监测节点周围的环境数据，并通过无线的方式发出。节点体积较小，通常携带能量十分有线的电池，且部署环境复杂，无法通过换电池的方式补充能量。
4.可以通过唤醒的方式实现无线传感节点的采集和发射控制，目前常见的唤醒方式有无线传感节点周期性自唤醒(使用定时器或rtc)，远程连接唤醒等。以上方式在两次唤醒之间，都需要mcu或无线通信模块工作以响应下次唤醒信号的到来，造成了大量的不必要的待机功耗。
5.通过在无线传感节点上加入接收天线，使用射频能注入的方式，可以实现外界能量注入类型的唤醒，在两次唤醒之间无需无线传感节点耗能等待，减少了两次唤醒之间的待机功耗。
6.无人机不受地域限制，且具有一定的荷载能力，若在无人机上挂载射频发射天线和信息接收单元，并设计带有射频接收天线的可由射频能量唤醒的无线传感节点，则可由无人机控制无线传感节点的数据采集和发送周期，极大的提升无线传感节点的使用寿命。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提出一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统及其运行方法，解决了现有技术中，两次唤醒之间会造成大量的不必要的待机功耗的问题。
8.一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统，包括无人机和多个无线传感节点，无人机包括无人机主体和无线收发装置，无线收发装置安装在无人机主体上，无线收发装置用于通过向任一无线传感节点发送射频能量，从而唤醒无线传感节点并采集数据。
9.进一步的，无线收发装置包括无线发射器、无线通信模块、信号处理单元和电源模块，信号处理单元和无线通信模块双向连接，与无人机主体双向连接，还与无线发射器连接，电源模块为无线收发装置供电。
10.进一步的，无线发射器，用于向任一无线传感节点发送射频能量；
11.信号处理单元，用于受无人机主体的命令控制无线发射器发射射频能量，通过无线通信模块与对应的无线传感节点进行数据的收发，并处理收发数据；
12.无线通信模块，用于与对应的无线传感节点无线连接及数据传输。
13.进一步的，每个无线传感节点均包括射频能量输入模块、pmic、或门、锂电池、第一
负载开关、第二负载开关、传感器、mcu和第二无线通信模块，其中，射频能量输入模块与pmic连接，pmic与或门连接，或门与第一负载开关连接，第一负载开关同时与mcu和第二无线通信模块连接，mcu同时与或门和第二负载开关连接，mcu同时与传感器和无线通信模块双向连接。
14.进一步的，在每个无线传感节点中，
15.pmic，用于将无线发射器输入的射频能量转换为高电平信号至或门；
16.或门，用于受pmic控制输出高电平信号至第一负载开关；
17.第一负载开关，用于在接收到高电平信号后闭合导通，唤醒mcu和传感器；
18.锂电池，用于为第一负载开关供电，进而为mcu、传感器、第二负载开关和无线通信模块供电；
19.mcu，用于在唤醒后对传感器进行数据采集，得到采集信息，并在采集完成后控制第二负载开关导通开启第二无线通信模块，进而通过第二无线通信模块向第一无线通信模块发送采集信息；
20.mcu，还用于通过第二无线通信模块接收无人机主体回发的确认信息，并使所在无线传感节点进入休眠状态；
21.传感器，用于向mcu提供采集信息；
22.第二无线通信模块，用于受mcu控制与第一无线通信模块无线通信。
23.进一步的，在射频能量输入模块包括接收天线和整流匹配模块，接收天线与整流匹配模块连接，其中，
24.无线天线，用于接收射频能量；
25.整流匹配模块，用于将射频能量整流为适用于pmic的形式。
26.一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统的运行方法，基于上述的一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统，运行方法包括以下步骤：
27.步骤一、无人机使用机器视觉和定位技术找到需要唤醒的无线传感节点；
28.步骤二、姿态调整完成后，无人机主体发送采集开始指令至无线收发装置中的信号处理单元，信号处理单元控制无线发射器发射射频能量至对应的无线传感节点，无线传感节点的接收天线吸收无人机发射的射频能量，经整流匹配模块做整流处理后输出给pmic；
29.步骤三、pmic转换射频能量，并输出电压达到或门控制脚高电平阈值后，或门输出高电平信号，第一负载开关导通，锂电池为传感器、mcu和第二负载开关供电，该无线传感节点完成唤醒；
30.步骤四、无线传感节点完成唤醒后，mcu开始通过传感器进行数据采集，采集完成后mcu控制第二负载开关导通，并通过第二无线通信模块将采集信息发送至无线收发装置，无线收发装置中的信号处理单元通过第一无线通信模块接收到采集信息后，关闭无线发射器，并通过第一无线通信模块向对应的无线传感节点回发确认信息；
31.步骤五、无线收发装置通知无人机主体飞至下一个无线传感节点；
32.步骤六、mcu接收到无线收发装置回发的确认信息后，控制第二负载开关关断，并控制连接或门的引脚为低电平，其后mcu进入休眠；
33.步骤七、无人机飞走后，pmic输出电压消耗到或门控制脚的低电平阈值，或门输出
置低，负载开关关闭，锂电池不再为传感器、mcu和第二无线通信模块供电，当前无线传感节点进入极低功耗模式，并等待无人机的下次唤醒。
34.本发明的有以下有益效果：
35.(1)本发明实现了无人机唤醒无线传感节点并采集无线传感节点的传感器信息，提出了射频唤醒用无人机的结构和被唤醒的无线传感节点的结构，使用无人机唤醒不受地形限制，且可以通过无人机控制无线传感节点的工作周期，可根据每个工作周期的能耗实现无线传感节点使用寿命的精细控制；
36.(2)本发明提出的无人机唤醒用无线收发装置与无人机主体分离，具有即插即用的特点，方便使用维护，无人机主体的程序与无线收发装置的程序独立升级，互不干扰；
37.(3)使用射频能量远程唤醒，而非无线通信的方式唤醒或依靠无线传感节点自唤醒，无线传感节点在未唤醒状态下的漏电流仅为负载开关的关断漏电流，极大的延长无线传感节点的使用寿命；
38.(4)通过pmic输出电压与mcu取或的方式控制锂电池为mcu、传感器、第二无线通信模块供能，pmic可唤醒无线传感节点工作，在无线传感节点唤醒后，由mcu控制系统何时停止工作，保证了数据采集发送的可靠性；
39.(5)通过加入第二负载开关精细控制高能耗的无线通信模块的使用时长，延长了无线传感节点的寿命。
附图说明
40.图1为本发明提供的唤醒用无人机的示意图；
41.图2为无人机主体和无线收发装置的结构示意图；
42.图3为无线传感节点的结构示意图；
43.图4为本发明提供的一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统的应用场景示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
45.本发明提出了一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统的实施例，包括无人机和多个无线传感节点，无人机包括无人机主体和无线收发装置，无线收发装置安装在无人机主体上，无线收发装置用于通过向任一无线传感节点发送射频能量，从而唤醒无线传感节点并采集数据。
46.具体的，如图1所示，唤醒用无人机包括无人机主体和无线收发装置，无线收发装置可与无人机主体共用电源或使用独立电源。
47.进一步的，无线收发装置包括无线发射器、无线通信模块、信号处理单元和电源模块，信号处理单元和无线通信模块双向连接，与无人机主体双向连接，还与无线发射器连接，电源模块为无线收发装置供电。
48.进一步的，无线发射器，用于向任一无线传感节点发送射频能量；
49.信号处理单元，用于受无人机主体的命令控制无线发射器发射射频能量，通过无线通信模块与对应的无线传感节点进行数据的收发，并处理收发数据；
50.无线通信模块，用于与对应的无线传感节点无线连接及数据传输。
51.具体的，如图2所示，无人机通过无线发射器发射射频能量，通过无线通信模块和信号处理单元实现数据收发和处理。无线传感节点的能量接收天线与无人机载无线发射器工作在同一频段。无线传感节点的第二无线通信模块与无人机载信号接收天线工作在同一频段。无线传感节点的能量接收频段和无线通信频段尽量不在同一频段，以免产生通信干扰导致数据丢失。
52.无人机主体通过一条信号线与无线收发装置的信号处理单元通信。该信号线具有两个作用：1)无人机主体通知无线收发装置已定位到无线传感节点；2)无线收发装置通知无人机主体已完成该节点的唤醒和数据采集，前往下一个无线传感节点。
53.进一步的，参照图3所示，每个无线传感节点均包括射频能量输入模块、pmic、或门、锂电池、第一负载开关、第二负载开关、传感器、mcu和第二无线通信模块，其中，射频能量输入模块与pmic连接，pmic与或门连接，或门与第一负载开关连接，第一负载开关同时与mcu和第二无线通信模块连接，mcu同时与或门和第二负载开关连接，mcu同时与传感器和无线通信模块双向连接。
54.具体的，在图3中，图3中实线表示能量流动，虚线表示信号传递。
55.进一步的，在每个无线传感节点中，
56.pmic，用于将无线发射器输入的射频能量转换为高电平信号至或门；
57.或门，用于受pmic控制输出高电平信号至第一负载开关；
58.第一负载开关，用于在接收到高电平信号后闭合导通，唤醒mcu和传感器；
59.锂电池，用于为第一负载开关供电，进而为mcu、传感器、第二负载开关和无线通信模块供电；
60.mcu，用于在唤醒后对传感器进行数据采集，得到采集信息，并在采集完成后控制第二负载开关导通开启第二无线通信模块，进而通过第二无线通信模块向第一无线通信模块发送采集信息；
61.mcu，还用于通过第二无线通信模块接收无人机主体回发的确认信息，并使所在无线传感节点进入休眠状态；
62.传感器，用于向mcu提供采集信息；
63.第二无线通信模块，用于受mcu控制与第一无线通信模块无线通信。
64.进一步的，在射频能量输入模块包括接收天线和整流匹配模块，接收天线与整流匹配模块连接，其中，
65.无线天线，用于接收射频能量；
66.整流匹配模块，用于将射频能量整流为适用于pmic的形式。
67.具体的，无线传感节点的接收天线可吸收无人机无线发射器的射频能量，经整流匹配模块、pmic转换升压输出唤醒信号。同时pmic输出电压与mcu输出信号共同输入到或门控制端，或门输出端连接到第一负载开关使能端，第一负载开关由锂电池供能，第一负载开关能量输出连接传感器、mcu和第二负载开关，第二负载开关由mcu控制通断，在两次唤醒之
间无能耗。
68.如图4所示，当无人机带着无线收发装置飞到无线传感节点附近，无人机经过定位算法和机器视觉处理，通过姿态调整，将无线发射器对准无线传感节点，之后通过信号线通知无线收发装置，无线收发装置中的信号处理单元控制无线发射器发射射频能量，发射天线的能量被无线传感节点的接收天线吸收，pmic转换射频能量输入，输出电压达到或门控制脚高电平阈值后，或门输出高，第一负载开关导通，锂电池为传感器、mcu和第二负载开关供电，系统完成唤醒。
69.无人机在找到无线传感节点后，控制无线发射器发射射频能量，同时开启数据接收，等待无线传感节点唤醒后发过来的采集信息。
70.无线传感节点中，pmic输出电压与mcu控制信号共同接到或门控制端，控制负载开关1的通断。无线传感节点完成唤醒后，mcu开始数据的采集工作，采集完成后mcu控制负载开关2导通，并通过无线通信模块将采集信息发送至无线收发装置，无线收发装置接收到采集信息后，关闭无线发射器，并通过无线通信模块向无线传感节点回发确认信息，之后通知无人机主体，飞去下一个无线传感节点。
71.mcu接收到无人机回发的确认信息后，认定当次唤醒后采集和发送工作已完成，控制第二负载开关关断，并控制连接或门的引脚为低电平，其后mcu进入休眠，无人机飞走后，pmic输出电压消耗到或门控制脚的低电平阈值，或门输出置低，第一负载开关关闭，锂电池不再为传感器、mcu和第二无线通信模块供电，系统将进入极低功耗模式，只有负载开关的关断漏电流消耗，并等待无人机下次唤醒。
72.如图4所示，图中每个无线传感节点的距离较远，可达几百米到几公里，基于无线发射器的功率，无人机的发射天线的唤醒距离最远约5m，因此无人机将逐个唤醒每个节点，两次唤醒之间不会存在同时唤醒产生干扰的问题。
73.本发明还提出了一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统的运行方法的实施例，基于上述的一种基于无人机唤醒和数据采集的无线传感系统，运行方法包括以下步骤：
74.步骤一、无人机使用机器视觉和定位技术找到需要唤醒的无线传感节点；
75.步骤二、姿态调整完成后，无人机主体发送采集开始指令至无线收发装置中的信号处理单元，信号处理单元控制无线发射器发射射频能量至对应的无线传感节点，无线传感节点的接收天线吸收无人机发射的射频能量，经整流匹配模块做整流处理后输出给pmic；
76.步骤三、pmic转换射频能量，并输出电压达到或门控制脚高电平阈值后，或门输出高电平信号，第一负载开关导通，锂电池为传感器、mcu和第二负载开关供电，该无线传感节点完成唤醒；
77.步骤四、无线传感节点完成唤醒后，mcu开始通过传感器进行数据采集，采集完成后mcu控制第二负载开关导通，并通过第二无线通信模块将采集信息发送至无线收发装置，无线收发装置中的信号处理单元通过第一无线通信模块接收到采集信息后，关闭无线发射器，并通过第一无线通信模块向对应的无线传感节点回发确认信息；
78.步骤五、无线收发装置通知无人机主体飞至下一个无线传感节点；
79.步骤六、mcu接收到无线收发装置回发的确认信息后，控制第二负载开关关断，并
控制连接或门的引脚为低电平，其后mcu进入休眠；
80.步骤七、无人机飞走后，pmic输出电压消耗到或门控制脚的低电平阈值，或门输出置低，负载开关关闭，锂电池不再为传感器、mcu和第二无线通信模块供电，当前无线传感节点进入极低功耗模式，并等待无人机的下次唤醒。
81.以上实施示例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。