用于无线被动式环境状态检测的超材料物联网系统及方法转让专利
申请号 : CN202110315965.X
文献号 : CN113138201B
文献日 : 2022-05-20
发明人 : 宋令阳 , 胡敬植 , 张泓亮
申请人 : 北京大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于无线被动式环境状态检测的方法,其特征在于,所述方法包括:获取信号功率谱数据,所述信号功率谱数据是由超材料传感器反射回无线信号收发机的各频率成分功率数据;
对所述信号功率谱数据进行处理,得到接收信号功率向量;
将所述接收信号功率向量输入训练好的最优状态感知模型,得到环境状态信息;
其中,所述最优状态感知模型由以下方法训练得到:获取多个不同的温湿度情况下,实际测量的多个信号功率谱历史数据;
对所述多个信号功率谱历史数据进行对应的温湿度的标签标注,得到带标注的训练集数据;
采用所述训练集数据,对初始状态感知模型进行训练,得到训练好的最优状态感知模型;
其中,所述初始状态感知模型由以下方法得到:建模超材料传感器反射功率谱与超材料感传结构之间的关系,得到初始超材料反射系数拟合方程;
优化所述初始超材料反射系数拟合方程,得到最优超材料反射系数拟合方程;
根据所述最优超材料反射系数拟合方程,对所述超材料感传结构进行优化,得到最优超材料感传结构;
根据所述最优超材料感传结构,建立状态感知方程,得到所述初始状态感知模型。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,优化所述初始超材料反射系数拟合方程,得到最优超材料反射系数拟合方程,包括:通过系数多项式建模误差,通过优化多项式参数,使通过所述初始超材料反射系数拟合方程和通过有限元数值仿真得到的超材料反射功率谱之间的误差最小,得到最优超材料反射系数拟合方程。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述最优超材料反射系数拟合方程,对所述超材料感传结构进行优化,得到最优超材料感传结构,包括:
根据所述最优超材料反射系数拟合方程,得到多个温湿度下的接收信号功率谱;
选定不同温湿度下接收信号功率谱可区分性的测度,建立超材料传感结构和可区分性测度的关系;
优化超材料传感结构,最大化不同温湿度条件下接收反射信号功率谱之间的可区分性测度,得到最优的超材料传感结构。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述最优超材料感传结构,建立状态感知方程,得到所述初始状态感知模型,包括:
根据所述最优超材料感传结构,利用所述训练集数据以及全连接神经网络回归器模型,构建状态感知方程,得到所述初始状态感知模型。
5.一种用于无线被动式环境状态检测的超材料物联网系统,其特征在于,所述系统用于执行如权利要求1至4任一项所述的用于无线被动式环境状态检测的方法,所述系统包括:铺设于环境平面上的超材料传感器、无线信号收发机、计算机以及两根定向天线;
两根所述定向天线连接在所述无线信号收发机上,所述无线信号收发机与所述超材料传感器信号连接,所述计算机与所述无线信号收发机通信连接。
6.一种电子设备,其特征在于,包括:存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现如权利要求1至
4中任一项所述的用于无线被动式环境状态检测的方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1 至4中任一项所述的用于无线被动式环境状态检测的方法的步骤。
说明书 :
用于无线被动式环境状态检测的超材料物联网系统及方法
技术领域
背景技术
高;对于光纤传感器系统,依赖于一维的单根光纤对环境进行感知,对于大尺寸的二维平面
的感知则会需要大量的光纤密铺,以及价格高昂的多通道的光频段分析仪器,成本也较高,
而且获取的检测数据不够精确。
发明内容
材料反射系数拟合方程。
所述系统包括:铺设于环境平面上的超材料传感器、无线信号收发机、计算机以及两根定向
天线;
行时,实现上述第一方面所述的用于无线被动式环境状态检测的方法的步骤。
的用于无线被动式环境状态检测的方法的步骤。
在无线信号收发机上,无线信号收发机与超材料传感器信号连接,计算机与无线信号收发
机通信连接,用于无线被动式环境状态检测的超材料物联网系统通过获取信号功率谱数
据,信号功率谱数据是由超材料传感器反射回无线信号收发机不同频率成分的功率数据,
然后对信号功率谱数据进行处理,得到接收信号功率向量,再将接收信号功率向量输入训
练好的最优状态感知模型,得到环境状态信息。
发机和计算机,可以实现对室内环境温湿度的感知、结构体内温湿度异常的检测等功能,此
外,由于无线信号的覆盖范围广,用于无线被动式环境状态检测的超材料物联网系统的测
量范围比传统光纤嵌入式温湿度测量系统更广,更适用于大范围平面监测,且通过训练好
的最优状态感知模型对接收信号功率向量进行数据处理,能够得到更为精确的环境状态信
息。
附图说明
例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获
得其他的附图。
具体实施方式
明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
高;对于光纤传感器系统,依赖于一维的单根光纤对环境进行感知,对于大尺寸的二维平面
的感知则会需要大量的光纤密铺,以及价格高昂的多通道的光频段分析仪器,成本也较高,
而且获取的检测数据不够精确。
精确度。
振环型结构)的电路单元以及支撑基底(如电路板材FR‑4)组成。超材料的原理是,当超材料
上周期性排布的电路的单元尺寸小于电磁波波长的一半时,该电路对于该频段内的电磁波
可以视为一种均一的材料,即不存在衍射特征,此时周期性排布的单元可以被赋予均一的
电学性质,因此可称为一种材料。通过特殊设计制造的超材料,可以对电磁波具有特殊的操
控能力。在超材料的传感器应用中,可以通过设计超材料,使其反射电磁波的特性(如,在一
段频率带宽内反射电磁波的幅度随频率变化曲线)受到环境状态的影响。在此基础上,通过
无线收发系统,测量从该传感器上反射的电磁波的功率谱成分,即可分析得到当前环境的
状态信息。从而实现环境状态的被动式传感。
过观察环境状态(如,温湿度)对无线反射信号的频谱特性的影响,来获取超材料周围环境
状态的信息,实现对于超材料附近环境状态的测量以及异常环境状态的检测。
底组成。此外,在两个超材料开口共振环的开口位置,分别附着有对特定环境状态敏感的材
料。采用该设计可以使得其反射电磁波的特性随附近环境状态的影响而变化。
片、放大器芯片、无线调制解调芯片等),因此其价格极为低廉。此外,由于其本质为一块印
刷电路板上的特殊电路结构,因此其厚度相比传统传感器可以做的极薄。从而可以被大范
围的铺设,实现对大面积室内环境环境状态进行监测,而不会来高昂的代价或者影响室内
环境美观。
统。
括:铺设于环境平面上的超材料传感器、无线信号收发机、计算机以及两根定向天线;
得到所述环境平面的环境状态信息。
共振环的共振,会造成该频率电磁波的能量被吸收,从而在反射信号的能量频谱中体现出
在两个开口共振环的共振频率附近存在吸收峰的特征。由于环境状态敏感材料的电学性质
(如,电导率)受环境状态(如,温度、湿度)的影响,因此,环境状态的变化会影响两个开口共
振环对于不同频率电磁波的吸收特性,从而影响到反射信号频谱中的共振吸收峰的位置和
形状。因此,通过无线接收机对于反射信号的测量,以及计算机对于测量结果的分析,可以
分析出环境状态对共振吸收峰的影响,从而估计超材料传感器附近环境状态的值。
境的感知特性与其对于无线信号的反射传输能力,共同影响了系统对于环境状态感知和异
常检测的准确度。因此,为了优化环境状态感知和异常检测的准确度,本专利系统的设计
中,提出了感传一体化优化框架。基于该框架,对基于超材料传感器环境状态传感系统的感
知准确度进行分析和优化。该框架包含了一个超材料传感协议以及一个超材料传感器结构
及环境状态估计参数方程联合优化问题建模与求解。超材料传感协议规定了超材料传感器
进行测量的过程,而在联合优化问题中,建模了超材料传感器结构对于环境状态敏感性、无
线收发机接收信号信噪比,最大化不同环境状态下,接收信号功率频谱的可区分度。并设计
采用神经网络建模状态感知方程,该网络输入接收信号功率频谱,输出对环境状态的估计
值,通过监督学习算法,最小化感知误差。具体方案如下文所示:
超材料物联网系统采用最优超材料感传结构,最优超材料感传结构的建立方法可参见后续
内容,初始时,由计算机控制无线信号收发机向超材料传感器发送信号,具体地,发送的信
号为宽带电磁波,宽带无线信号收发机发射的宽带电磁波入射超材料传感器,大部分频率
上的电磁波能量被完全反射,然而,对于具有接近两个开口共振环的共振频率的电磁波,由
于开口共振环的共振,会造成该频率电磁波的能量被吸收,从而在反射信号的能量频谱中
体现出在两个开口共振环的共振频率附近存在吸收峰的特征。由于环境状态敏感材料的电
学性质(如,电导率)受环境状态(如,温度、湿度)的影响,因此,环境状态的变化会影响两个
开口共振环对于不同频率电磁波的吸收特性,从而影响到反射信号频谱中的共振吸收峰的
位置和形状。无线信号收发机接收超材料传感器反射回无线信号收发机各频率成分的功率
数据,得到信号功率谱数据,然后,计算机再从无线信号收发机获取信号功率谱数据,以便
对获取的信号功率谱数据进行分析。
号功率向量。
息包括被检测的环境平面的温湿度信息。
等间隔参考频率的信号功率谱数据,作为信号功率谱历史数据,并记录M个温湿度情况,然
后,对获取的多个信号功率谱历史数据进行对应的温湿度的标签标注,将MK个N维反射信号
的功率向量与标签形成训练数据集,得到带标注的训练集数据。然后,采用带标注的训练集
数据,对初始状态感知模型进行训练,直到初始状态感知模型收敛,得到训练好的最优状态
感知模型,最优状态感知模型能够将输入的接收信号功率向量,映射为环境状态的估计值
作为输出,其中,环境状态的估计值即表征被检测的环境平面的温湿度信息。
感知,超材料自身集成了感知和通信的能力,不要额外的通信模块,因此不需要复杂的电子
元器件和芯片进行信号处理,具有极低的价格。此外,超材料传感器本身是无元器件的印刷
电路板,厚度只有1~3mm左右,很容易贴附于墙面安装使用,不会影响原有的室内环境美
观。因此适合大范围的密集部署。此外,超材料传感器系统不需要电池对超材料传感器进行
供电,因此适合埋设于环境结构体内部的异常环境状态进行监控,而不需要频繁取出充电。
对于大尺寸的二维平面的感知则会需要大量的光纤密铺,以及价格高昂的多通道的光频段
分析仪器。因此用于无线被动式环境状态检测的超材料物联网系统价格远低于光纤传感器
系统。
初始超材料反射系数拟合方程。其中,超材料传感器反射功率谱是根据使用的超材料的结
构中,超材料传感器反射回无线信号收发机各频率成分的功率数据。此处使用的超材料的
结构为用于无线被动式环境状态检测的超材料物联网系统的初始结构。
述初始超材料反射系数拟合方程和通过有限元数值仿真得到的超材料反射功率谱之间的
误差最小,得到最优超材料反射系数拟合方程,从而替代初始超材料反射系数拟合方程,其
中,有限元数值仿真为现有技术,需要花费较多的时间。
分性测度的关系;优化超材料传感结构,最大化不同温湿度条件下接收反射信号功率谱之
间的可区分性测度,得到最优的超材料传感结构。
信号的超材料传感器反射功率谱,即为接收信号功率谱。选定最邻近环境状态下接收信号
功率谱之间,使用最大似然误判概率的负数作为接收信号可区分性的测度,建立超材料结
构和接收信号功率谱可区分性的关系式。依据该关系,优化用于无线被动式环境状态检测
的超材料物联网系统,最大化不同温湿度条件下接收信号功率谱之间的可区分性测度,得
到最优的超材料传感结构。在实际应用时,可根据最优的超材料传感结构,部署超材料传感
器和无线信号收发机的位置。
初始状态感知模型。
料,造价相比现有技术更低得多,并且可以做到很薄,不需要电池供电。得益于此,超材料传
感器可以像墙纸一样,大范围安装于墙体表面或者内部,提供对环境内温湿度分布的测量,
以及结构体内部温湿度异常的监测。如,及时报警墙内由管道渗漏等引起的湿度异常,以及
由电线老化引起的温度异常。避免湿度异常发展为墙体腐蚀、墙体滋生霉菌,避免温度异常
发生为火灾等影响人体健康,危及人身安全的灾害事件。
装方便;不需要将嵌入墙体内的传感器取出充电或者安装额外的供电线路。相比于光纤嵌
入式温湿度测量系统,用于无线被动式环境状态检测的超材料物联网系统信号处理方法简
单,价格低廉,无线信号测量覆盖范围广,更适用于大规模铺设和大规模监测。
湿度下接收到的信号功率谱具有更高的可区分性,并且使用经过优化的状态感知方程,系
统具有更高的温湿度感知准确度。
被动式环境状态检测的方法的步骤。
电子设备能够执行实现所述的一种用于无线被动式环境状态检测的方法的步骤。
的实施例的形式。而且,本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代
码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计
算机程序产品的形式。
中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些
计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设
备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执
行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中
指定的功能的装置。
括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方
框或多个方框中指定的功能。
计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程
和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意
在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包
括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品
或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要
素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,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均会有改变之处,综上所
述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。