一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络及方法

摘要

本发明公开了一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络及方法，该网络包括多个射频识别传感器和联网可调频读写器，射频识别传感器包括接收射频信号的天线和集成芯片，集成芯片包括检测农业数据的传感器；联网可调频读写器包括射频信号发射单元和无线信号接收单元，射频信号发射单元向射频识别传感器发射射频信号，所述多个射频识别传感器各自具有不同的预设接收频率；联网可调频读写器按照多个不同的频率发射射频信号，当联网可调频读写器的射频信号与一射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，该射频识别传感器向联网可调频读写器发射无线信号。本发明的网络及方法，无源供能方式绿色环保，成本低，对环境友好。

权利要求

1.一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络，包括多个射频识别传感器和联网可调频读写器，射频识别传感器包括接收射频信号的天线和集成芯片，集成芯片包括检测农业数据的传感器；联网可调频读写器包括射频信号发射单元和无线信号接收单元，射频信号发射单元向射频识别传感器发射射频信号，其特征在于，所述多个射频识别传感器各自具有不同的预设接收频率；联网可调频读写器按照多个不同的频率发射射频信号，当联网可调频读写器的射频信号与一射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，该射频识别传感器向联网可调频读写器发射无线信号；

射频识别传感器向联网可调频读写器发射的无线信号频率与其预设接收频率按照预设关系相对应；射频识别传感器向联网可调频读写器发射的无线信号频率采用低频，预设接收频率被设置为高频。

2.根据权利要求1中所述的基于多频段射频识别农业传感器监测网络，其特征在于，所述多个射频识别传感器各自具有转换模块和能量存储模块，转换模块用于将接收到的射频信号转换为电能，用于为集成芯片供电以及向联网可调频读写器发射无线信号，能量存储模块用于存储转换模块转换的电能。

3.根据权利要求1中所述的基于多频段射频识别农业传感器监测网络，其特征在于，所述联网可调频读写器包括物联网模块，用于向基站或其他联网可调频读写器传递信息，单独或共同将接收到的来自射频识别传感器的农业数据传递至服务器。

4.根据权利要求1中所述的基于多频段射频识别农业传感器监测网络，其特征在于当射频识别传感器向联网可调频读写器发射传感器检测的农业数据时，将农业数据调制在无线信号上。

5.根据权利要求1中所述的基于多频段射频识别农业传感器监测网络，其特征在于，联网可调频读写器包括多根定向天线，在所述多根定向天线上分别按照定向传输的方式发射射频信号，或接收来自射频识别传感器的无线信号。

6.一种基于多频段射频识别农业传感器监测方法，所述方法利用多个射频识别传感器和联网可调频读写器实现，射频识别传感器中包括检测农业数据的传感器，其特征在于，所述方法包括步骤：A、启动联网可调频读写器，按照不同频率发射射频信号；

B、射频识别传感器被射频信号的感应电流所激活，当所述射频信号的发射频率与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，利用传感器进行农业数据检测，以及向联网可调频读写器发射无线信号；

C、联网可调频读写器接收到来自射频识别传感器的农业数据时，将农业数据传送至服务器；

射频识别传感器向联网可调频读写器发射的无线信号频率与其预设接收频率按照预设关系相对应；射频识别传感器向联网可调频读写器发射的无线信号频率采用低频，预设接收频率被设置为高频。

7.根据权利要求6中所述的基于多频段射频识别农业传感器监测方法，其特征在于，射频识别传感器与联网可调频读写器进行通信的流程包括握手阶段和通信阶段，其中，握手阶段包括联网可调频读写器在预定频率范围内按照预先划分的多个子频段，按照扫频方式进行射频信号发送；当射频信号按照一子频段的发射频率与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，射频识别传感器按照与其预设接收频率满足预设关系的频率向联网可调频读写器发射无线信号，表示其已被启动；

联网可调频读写器根据接收到的来自射频识别传感器的无线信号的频率，获知射频识别传感器的预设接收频率所处的子频段；并在通信阶段，分别根据多个射频识别传感器的预设接收频率所匹配子频段向射频识别传感器发射射频信号，而无需在预定频率范围内的全部子频段发射射频信号。

8.根据权利要求7中所述的基于多频段射频识别农业传感器监测方法，其特征在于，在握手阶段联网可调频读写器按照第一持续时间为间隔进行每个子频段的扫频，在通信阶段联网可调频读写器按照第二持续时间根据射频识别传感器的预设接收频率所匹配子频段向射频识别传感器发射射频信号，第二持续时间长于第一持续时间；

在握手阶段，射频识别传感器无需启动传感器进行农业数据的检测，仅向联网可调频读写器发射无线信号，表示其已被启动；此时无线信号不需被调制农业数据；

在通信阶段，射频识别传感器启动传感器进行农业数据的检测，并将检测的农业数据调制在向联网可调频读写器发射的无线信号上。

9.根据权利要求7中所述的基于多频段射频识别农业传感器监测方法，其特征在于，联网可调频读写器包括多根定向天线；在扫频阶段，联网可调频读写器分别利用多根定向天线各自进行每个子频段的扫频射频信号发射，并在多根定向天线上分别接收来自射频识别传感器传输的无线信号，联网可调频读写器记录多根定向天线上的无线信号的频率和检测无线信号的强度，获知一射频识别传感器的预设接收频率所处的子频段以及该射频识别传感器与定向天线的对应关系；

在通信阶段，按照接收到该射频识别传感器发射的无线信号强度最强的定向天线，以及按照该射频识别传感器预设接收频率所处的子频段，向该射频识别传感器发射射频信号。

10.根据权利要求7中所述的基于多频段射频识别农业传感器监测方法，其特征在于，联网可调频读写器包括多根定向天线；在扫频阶段，联网可调频读写器分别利用多根定向天线分别按照第三预定时间间隔各自进行每个子频段的扫频射频信号发射，射频识别传感器接收到射频信号的发射频率的子频段与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，如果在一个以上第三预定时间间隔内的接收到的发射频率的子频段均与射频识别传感器的预设接收频率相匹配，则在接收射频信号最强的第三预定时间间隔经过第四预定时间间隔后，向联网可调频读写器发射无线信号；

联网可调频读写器根据接收到的无线信号，推算第四预定时间间隔之前的第三预定时间间隔，由此判断射频识别传感器接收射频信号最强时对应的定向天线；

在通信阶段，联网可调频读写器根据射频识别传感器接收射频信号最强时对应的定向天线，以及按照该射频识别传感器预设接收频率所处的子频段，向该射频识别传感器发射射频信号。

说明书

一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及农业自动化技术领域，特别是涉及到农业传感器物联网技术领域。

背景技术

[0002] 无线传感器网络是由多个无线节点组成的完成多个检测任务的无线网络，是一种不需要用到基础设施的网络。无线传感器网络技术应用了无线传感器监测技术、现代网络传输技术、嵌入式技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等多个领域技术，它能很好的配合对现场进行实时监测和采集节点区域内的被监测对象的详细信息，并对这些数据进行处理，获得较为精确的信息，通过无线通信网络发送给终端。

[0003] 现有的农业传感器监测网络，信息传输采用有线和无线两种方式。有线传输的工作模式如图1所示，其特点是将所有节点通过网络拓扑结构连接后，进行数据传输。相比于有线传输，无线传输的传感器组网方式更灵活，效率更高。无线一般基于WiFi，Bluetooth，Zigbee等通讯协议，这需要传感器端集成与通信协议相应的通讯芯片，再采用组网方式进行信息的发送采集和处理，其基本工作模式如图2。不管何种方式，传感器阵列采集到的信息最后都需要一个中心结点进行转发，如图3所示。

[0004] 现有技术中，农业用的传感器网络中，如果采用有线传输方式受传输距离影响比较大，在复杂、多样的农业环境下更是制约了这种方式的应用，布设需要大量的线材，成本高，对环境也产生一定破环性。采用无线传输方式时，每个传感器都需要集成通讯芯片，增大了功耗，这就需要配置高容量电池，从而增大传感器体积，增加了制作和价格成本，并且还存在电池爆炸和漏液等风险。另外，在农业生产实际应用中，无线通讯方式受信号衰减的影响，其稳定性难以保证，有效信息在传输的过程中不可避免会产生大量信息丢失。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术中农业用传感器网络如果采用有线传输方式受传输距离影响比较大，在复杂、多样的农业环境下更是制约了这种方式的应用，布设需要大量的线材，成本高，对环境也产生一定破环性。采用无线传输方式时，每个传感器都需要集成通讯芯片，增大了功耗，这就需要配置高容量电池，从而增大传感器体积，增加了制作和价格成本，并且还存在电池爆炸和漏液等风险。另外，在农业生产实际应用中，无线通讯方式受信号衰减的影响，其稳定性难以保证，有效信息在传输的过程中不可避免会产生大量信息丢失等技术问题，本发明提出了一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络及方法，采用无源供能方式，传感器端的天线接收联网可调频读写器发出的射频信号，产生感应电流，激活芯片和传感器工作，传感器采集到检测信号后将数据转换为频率波，经过信号调制后，传输到联网可调频读写器。数据传输高效准确，不易丢失，系统成本低，传感器节点简单，对环境友好。

[0006] 为了实现这一目标，本发明采取了如下的技术方案。

[0007] 一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络，包括多个射频识别传感器和联网可调频读写器，多个射频识别传感器包括接收射频信号的天线和集成芯片，集成芯片包括检测农业数据的传感器；联网可调频读写器包括射频信号发射单元和无线信号接收单元，射频信号发射单元向射频识别传感器发射射频信号，所述多个射频识别传感器各自具有不同的预设接收频率；联网可调频读写器按照多个不同的频率发射射频信号，当联网可调频读写器的射频信号与一射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，该射频识别传感器向联网可调频读写器发射无线信号。

[0008] 由于本发明中射频识别传感器在集成芯片包括检测农业数据的传感器，因此可以将检测农业数据的传感器设置于各个位置，且多个射频识别传感器各自具有不同的预设接收频率，这样使得各个射频识别传感器的接收射频信号并不发生冲突，而且本发明中采用预设接收频率来区分各个射频识别传感器的优点之一在于联网可调频读写器的信道复用率高，允许复用的路数多，亦即允许接入较多的射频识别传感器，同时它的分路也很方便。

[0009] 本发明中的联网可调频读写器发送的射频信号频率可根据预设要求，例如测量空间大小、障碍物情况等外部要求可调整，可以划分多个频段，如483MHz、860‑960MHz，2.45GHz等。由于采用射频频段传输，因此能量密度高、传输数据的比特率高，而且传输距离也较远，适用于多个射频识别传感器的场合。

[0010] 另外，所述多个射频识别传感器各自具有转换模块和能量存储模块，转换模块用于将接收到的射频信号转换为电能，用于为集成芯片供电以及向联网可调频读写器发射无线信号，能量存储模块用于存储转换模块转换的电能。

[0011] 本发明中，射频识别传感器的结构，包括衬底，平面贴片天线以及集成芯片等。衬底可以采用传统的PCB基材玻璃纤维，也可以采用纸基或者聚合物柔性材料。天线采用印刷的方式，将固态金属铜或含银、铜离子或碳的导电油墨印刷在衬底上，天线接收联网可调频读写器发出的射频信号和发送无线信号来传递传感器检测的农业数据。天线末端与集成芯片相连接。集成芯片中典型地包含微控制器、传感器、将射频信号转换为电能的转换模块、能量存储模块和传感器信号发送模块，微控制器采集传感器信息，且根据预设接收频率，与射频频率相符就通过发送模块将采集到的传感器信息发送出去；传感器采用现有常规技术，可根据农业场景检测需要进行不同类型传感器单元的组合。集成芯片的两端与天线相连，整体采用无源的供能方案，将收到的射频信号转换为电能供给集成芯片工作，不需要额外配备蓄电池为传感器供能。

[0012] 因此本发明的技术效果在于射频识别传感器采用无源工作方式，将接收的射频频率信号转换为电信号供传感器工作，不需要额外配备电池，制备方法简单，成本低，对环境友好。

[0013] 农业传感器监测网络中，绝大部分时间都并不需要传感器工作，一个工作周期内只需要少量的采样时间进行农业数据采集，因此并不需要为射频识别传感器配备长效电池，这样会增加系统的成本，而且电池中的化学材料容易造成环境污染。因此本发明中创新性地将联网可调频读写器发射的射频信号的能量收集下来，作为驱动其传感器和发射无线信号的动力。因为射频信号传输能量距离较远，可以覆盖到几米到十几米的距离，因此可以适用于本发明的农业传感器监测网络的场景。

[0014] 特别地，为了提高无线射频能量传输的效率，还可以设计转换模块中接收线路的共振频率与预设接收频率相同，这样当天线接收到的射频信号频率与预设接收频率相匹配时，就会在转换模块中产生大的感应电流，作为驱动射频识别传感器的开关信号。

[0015] 另外，所述联网可调频读写器包括物联网模块，用于向基站或其他联网可调频读写器传递信息，单独或共同将接收到的来自射频识别传感器的农业数据传递至服务器。

[0016] 本发明的基于多频段射频识别农业传感器监测网络组网方式灵活，可以采用一个联网可调频读写器和多个射频识别传感器通信，然后联网可调频读写器将射频识别传感器采集到的农业数据传递至基站；也可以由多个联网可调频读写器和分别与其中单个联网可调频读写器对应的多个射频识别传感器共同组成，多个联网可调频读写器之间可以互相通信，甚至当其中的一个或部分联网可调频读写器出现信号故障或负担过重时，其中的多个联网可调频读写器与多个射频识别传感器的对应关系还可以临时调整。因此本发明采用不同射频信号频率分别组网方式，可覆盖面积大，组网方式快速便捷。

[0017] 另外，射频识别传感器向联网可调频读写器发射的无线信号频率与其预设接收频率按照预设关系相对应；射频识别传感器向联网可调频读写器发射的无线信号频率采用低频，预设接收频率被设置为高频；当射频识别传感器向联网可调频读写器发射传感器检测的检测农业数据时，将农业数据调制在无线信号上。

[0018] 需要特别注意的是，射频信号从联网可调频读写器发送至射频识别传感器，并经过能量转换时，不可避免地会发生能量损失。因此本发明中射频识别传感器向联网可调频读写器发射的无线信号频率与其预设接收频率按照预设关系相对应；射频识别传感器向联网可调频读写器发射的无线信号频率采用低频，预设接收频率被设置为高频，例如设置射频识别传感器的预设接收频率为4.8GHz，而其向联网可调频读写器发射的无线信号频率为预设接收频率的一半，采用2.4GHz。这样的方案所带来的技术效果在于：首先，以高频射频信号接收，而以低频信号发送，可允许射频信号能量的损耗和泄露；其次，对于射频识别传感器的发送部分的功率放大器要求低，降低了系统的成本；另外，根据射频识别传感器向联网可调频读写器发射的无线信号频率与其预设接收频率的预设关系，例如一半的关系，联网可调频读写器可以反推射频识别传感器的预设接收频率，因此既能起到标识射频识别传感器的效果，也能确保联网可调频读写器以该预设接收频率与该射频识别传感器通信，而无需使用全部射频频段。

[0019] 另外，联网可调频读写器包括多根定向天线，在所述多根定向天线上分别按照定向传输的方式发射射频信号，或接收来自射频识别传感器的无线信号。

[0020] 本发明中创新性地提出了使用射频信号的能量经过转换后为射频识别传感器提供能源的方案，该方案中需要解决的技术问题之一在于射频能量传输的损耗，导致射频识别传感器难以获得足够的能量，而如果加大射频能量的传输，则需要为联网可调频读写器配备大功率射频功率放大器，而且还对环境有影响。为此本发明中对于联网可调频读写器采取了多根定向天线，在所述多根定向天线上分别按照定向传输的方式发射射频信号，或接收来自射频识别传感器的无线信号。这样使得射频能量传输更加集中，降低了联网可调频读写器配备的射频功率放大器的要求。

[0021] 一种基于多频段射频识别农业传感器监测方法，所述方法利用多个射频识别传感器和联网可调频读写器实现，射频识别传感器中包括检测农业数据的传感器，所述方法包括步骤：

[0022] A、启动联网可调频读写器，按照不同频率发射射频信号；

[0023] B、射频识别传感器被射频信号的感应电流所激活，当所述射频信号的发射频率与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，利用传感器进行农业数据检测，以及向联网可调频读写器发射无线信号；

[0024] C、联网可调频读写器接收到来自射频识别传感器的农业数据时，将农业数据传送至服务器。

[0025] 特别地，射频识别传感器与联网可调频读写器进行通信的流程包括握手阶段和通信阶段，其中，握手阶段包括联网可调频读写器在预定频率范围内按照预先划分的多个子频段，按照扫频方式进行射频信号发送；当射频信号按照一子频段的发射频率与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，射频识别传感器按照与其预设接收频率满足预设关系的频率向联网可调频读写器发射无线信号，表示其已被启动；联网可调频读写器根据接收到的来自射频识别传感器的无线信号的频率，获知射频识别传感器的预设接收频率所处的子频段；并在通信阶段，分别根据多个射频识别传感器的预设接收频率所匹配子频段向射频识别传感器发射射频信号，而无需在预定频率范围内的全部子频段发射射频信号。

[0026] 本发明中，将联网可调频读写器进行通信的流程划分为握手阶段和通信阶段，握手阶段下，射频识别传感器被射频信号的感应电流所激活，当所述射频信号的发射频率与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，即按照射频识别传感器按照与其预设接收频率满足预设关系的频率向联网可调频读写器发射无线信号，表示其已被启动，因为此时并不需要进行传感器的信号测量，因此无需进行无线信号的信号调制，仅发送完整的波形即可。因此握手阶段可以十分迅速地完成，而且具有很高的容错性。

[0027] 例如，设联网可调频读写器在4.8GHz为中心频率，上下10MHz为预定频率范围，首先根据预定义条件，划分为100个子频段，每个子频段为100KHz每个相邻子频段之间具有100KHz的间隔；该频率设置是射频识别传感器的预设接收频率的可能范围。

[0028] 例如，第一个子频段的频率范围为4.7901GHz 4.7902GHz，第二个子频段的频率范~围为4.7903GHz 4.7904GHz，由此类推直至第100个子频段的频率范围为4.8098~ ~
4.8099GHz；联网可调频读写器分别按照该100个子频段的中心频点发射射频信号；例如第1射频识别传感器的预设接收频率与第2子频段相匹配，则其按照2.3952GHz向联网可调频读写器发射无线信号，表明其已被启动，而第2射频识别传感器的预设接收频率与第10子频段相匹配；并无其他的射频识别传感器。

[0029] 则联网可调频读写器根据接收到的2.3952GHz无线信号，以及与第10子频段射频信号的频率满足预设关系（例如一半）的无线信号，推断出仅有两个射频识别传感器，且其预设接收频率分别与第2、第10子频段的频率相匹配，后续在通信阶段，联网可调频读写器分别根据这两个射频识别传感器的预设接收频率所匹配的子频段，即第2、第10子频的中心频点向两个射频识别传感器发射射频信号，而无需在预定频率范围内的全部子频段发射射频信号。

[0030] 因此，本发明中，充分考虑到了射频识别传感器的分布可能性，节约了联网可调频读写器的能源损耗，也有利于提高信号质量。

[0031] 特别地，在握手阶段联网可调频读写器按照第一持续时间为间隔进行每个子频段的扫频，在通信阶段联网可调频读写器按照第二持续时间根据射频识别传感器的预设接收频率所匹配子频段向射频识别传感器发射射频信号，第二持续时间长于第一持续时间；

[0032] 在握手阶段，射频识别传感器无需启动传感器进行农业数据的检测，仅向联网可调频读写器发射无线信号，表示其已被启动；此时无线信号不需被调制农业数据；

[0033] 在通信阶段，射频识别传感器启动传感器进行农业数据的检测，并将检测的农业数据调制在向联网可调频读写器发射的无线信号上。

[0034] 如前的例子所述，握手阶段因为仅仅是标识射频识别传感器的存在和启动，因此无需进行农业数据的检测，而且由于扫频的子频段较多，因此在握手阶段联网可调频读写器按照较短的第一持续时间为间隔进行每个子频段的扫频，例如每个子频段的射频信号持续0.5ms。这样100个子频段的扫频也可以快速完成，另外由于无需启动传感器，也需要进行农业数据对于无线信号的调制，因此射频识别传感器所需的能量也较少，较短时间的射频信号也能满足要求。而后期进行通信时，由于需要启动传感器对于农业数据进行检测，也需要将检测到的农业数据调制到无线信号上，因此射频识别传感器对于能量也提出了较高的要求，因此需要联网可调频读写器按照较长的第二持续时间间隔，例如5ms，以及按照射频识别传感器的预设接收频率所匹配子频段的中心频点来发送射频信号，这样既能满足射频识别传感器工作的能量要求，也能节约联网可调频读写器的能量消耗。

[0035] 特别地，联网可调频读写器包括多根定向天线；在扫频阶段，联网可调频读写器分别利用多根定向天线各自进行每个子频段的扫频射频信号发射，并在多根定向天线上分别接收来自射频识别传感器传输的无线信号，联网可调频读写器记录多根定向天线上的无线信号的频率和检测无线信号的强度，获知一射频识别传感器的预设接收频率所处的子频段以及该射频识别传感器与定向天线的对应关系；

[0036] 在通信阶段，按照接收到该射频识别传感器发射的无线信号强度最强的定向天线，以及按照该射频识别传感器预设接收频率所处的子频段，向该射频识别传感器发射射频信号。

[0037] 正如本发明所一再强调地，射频能量传输所重要关注的是射频能量的损耗，当射频识别传感器无法收集到足够的射频能量时，无法完成农业数据的检测，也无法实现无线信号的传输。因此本发明为联网可调频读写器配备了多根定向天线，在扫频阶段，联网可调频读写器分别利用多根定向天线各自进行每个子频段的扫频射频信号发射，例如设置有8根定向天线，则在这8根定向天线分别按照100个子频段进行扫描，与射频识别传感器握手。

[0038] 虽然目前技术已经能够确保定向天线的能量传输指向性，但是对于每一个射频识别传感器而言，由于其分布位置的随意性，可能接收到了一个以上定向天线的射频信号，这一个以上定向天线均向其发射了与其预设接收频率相匹配的射频信号，则该射频识别传感器对该一个以上定向天线进行回应，这样联网可调频读写器从一个以上定向天线中获得了相同频率的无线信号，为了判断哪一定向天线与该射频识别传感器具有最良好的匹配度，联网可调频读写器记录多根定向天线上的无线信号的频率和检测无线信号的强度，从相同频率无线信号中选择无线信号强度最高的那一根定向天线，作为对应于该无线信号，也即对应于该该射频识别传感器的最匹配定向天线，以后的通信过程中，固定采用最匹配定向天线与该该射频识别传感器通信。因此本发明中通过检测信号强度和定向天线的方式，进一步提高了射频信号能量传输效率，具有高度的系统可靠性。

[0039] 特别地，联网可调频读写器包括多根定向天线；在扫频阶段，联网可调频读写器分别利用多根定向天线分别按照第三预定时间间隔各自进行每个子频段的扫频射频信号发射，射频识别传感器接收到射频信号的发射频率的子频段与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，如果在一个以上第三预定时间间隔内的接收到的发射频率的子频段均与射频识别传感器的预设接收频率相匹配，则在接收射频信号最强的第三预定时间间隔经过第四预定时间间隔后，向联网可调频读写器发射无线信号；

[0040] 联网可调频读写器根据接收到的无线信号，推算第四预定时间间隔之前的第三预定时间间隔，由此判断射频识别传感器接收射频信号最强时对应的定向天线；

[0041] 在通信阶段，联网可调频读写器根据射频识别传感器接收射频信号最强时对应的定向天线，以及按照该射频识别传感器预设接收频率所处的子频段，向该射频识别传感器发射射频信号。

[0042] 以上操作方式中，不但采用了频率划分的方法，还引入了分时的技术，更进一步区分了各个射频识别传感器，提高了射频信号能量传输效率，避免了射频信号的能量损耗。

附图说明

[0043] 图1为根据现有技术中一种有线农业传感器监测网络的结构示意图。

[0044] 图2为根据现有技术中一种无线农业传感器监测网络的结构示意图。

[0045] 图3为根据现有技术中一种有线和无线传感器监测网络的结构示意图。

[0046] 图4为根据本发明具体实施方式中一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络的射频识别传感器的结构示意图。

[0047] 图5为根据本发明具体实施方式中一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络的射频识别传感器的部分结构示意图。

[0048] 图6为根据本发明具体实施方式中一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络的结构示意图。

[0049] 图7为根据本发明具体实施方式中一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络的结构示意图。

[0050] 图8为根据本发明具体实施方式中一种基于多频段射频识别农业传感器监测方法的流程示意图。

[0051] 图9为根据本发明具体实施方式中一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络的结构示意图。

具体实施方式

[0052] 下面结合附图，对本发明作详细说明。

[0053] 以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

[0054] 然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

[0055] 参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

[0056] 同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解（例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等）。

[0057] 图6为根据本发明具体实施方式中一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络的结构示意图。如图所示，本发明具体实施方式中包括一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络，包括多个射频识别传感器1和联网可调频读写器2，多个射频识别传感器1包括接收射频信号的天线12和集成芯片13，集成芯片13包括检测农业数据的传感器132；联网可调频读写器2包括射频信号发射单元和无线信号接收单元，射频信号发射单元向射频识别传感器发射射频信号，所述多个射频识别传感器各自具有不同的预设接收频率；联网可调频读写器按照多个不同的频率发射射频信号，当联网可调频读写器2的射频信号与一射频识别传感器1的预设接收频率相匹配时，该射频识别传感器1向联网可调频读写器2发射无线信号。其中的数据接收端可以是云服务器，PC，手持移动设备等。

[0058] 由于本发明中射频识别传感器1在集成芯片13包括检测农业数据的传感器132，因此可以将检测农业数据的传感器设置于各个位置，且多个射频识别传感器1各自具有不同的预设接收频率，这样使得各个射频识别传感器1的接收射频信号并不发生冲突，而且本发明中采用预设接收频率来区分各个射频识别传感器1的优点之一在于联网可调频读写器2的信道复用率高，允许复用的路数多，亦即允许接入较多的射频识别传感器1，同时它的分路也很方便。

[0059] 本发明中的联网可调频读写器2发送的射频信号频率可根据预设要求，例如测量空间大小、障碍物情况等外部要求可调整，可以划分多个频段，如483MHz、860‑960MHz，2.45GHz，4.8 GHz等。由于采用射频频段传输，因此能量密度高、传输数据的比特率高，而且传输距离也较远，适用于多个射频识别传感器1的场合。

[0060] 另外如图所示，本发明具体实施方式中，所述多个射频识别传感器1各自具有转换模块133和能量存储模块134，转换模块133用于将接收到的射频信号转换为电能，用于为集成芯片供电以及向联网可调频读写器发射无线信号，能量存储模134块用于存储转换模块133转换的电能。

[0061] 图4为根据本发明具体实施方式中一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络的射频识别传感器1的结构示意图。图5为根据本发明具体实施方式中一种基于多频段射频识别农业传感器监测网络的射频识别传感器1中集成芯片13的部分结构示意图。如图所示，射频识别传感器1的结构包括衬底11，平面贴片天线12以及集成芯片13等。衬底11可以采用传统的PCB基材玻璃纤维，也可以采用纸基或者聚合物柔性材料。天线12采用印刷的方式，将固态金属铜或含银、铜离子或碳的导电油墨印刷在衬11底上，天线12接收联网可调频读写器2发出的射频信号和发送无线信号来传递传感器132检测的农业数据。天线12末端与集成芯片13相连接。集成芯片13中典型地包含微控制器131、传感器132、将射频信号转换为电能的转换模块133、能量存储模块134和传感器信号的发送模块135，微控制器131采集传感器132信息，且根据预设接收频率与射频频率相匹配时，就通过发送模块135将采集到的传感器132农业数据通过无线信号发送出去；传感器132采用现有常规技术，可根据农业场景检测需要进行不同类型传感器单元的组合，例如温度传感器、湿度传感器、浓度传感器等。集成芯片13的两端与天线12相连，整体采用无源的供能方案，将收到的射频信号转换为电能供给集成芯片13工作，不需要额外配备蓄电池为传感器132供能。

[0062] 因此本发明的技术效果在于射频识别传感器1采用无源工作方式，将接收的射频频率信号转换为电信号供传感器132工作，不需要额外配备电池，制备方法简单，成本低，对环境友好。

[0063] 一般农业传感器监测网络中，绝大部分时间都并不需要传感器工作，一个工作周期内只需要少量的采样时间进行农业数据采集，因此并不需要为射频识别传感器配备长效电池，这样会增加系统的成本，而且电池中的化学材料容易造成环境污染。因此本发明中创新性地将联网可调频读写器2发射的射频信号的能量收集下来，作为驱动射频识别传感器中传感器132和发射无线信号的动力。因为射频信号传输能量距离较远，可以覆盖到几米到十几米的距离，因此可以适用于本发明的农业传感器监测网络的场景。

[0064] 特别地，为了提高无线射频能量传输的效率，还可以设计转换模块133中接收线路的共振频率与预设接收频率相同，这样当天线12接收到的射频信号频率与预设接收频率相匹配时，就会在转换模块132中产生大的感应电流，作为驱动射频识别传感器1工作的开关信号。

[0065] 另外，如图7所示，本发明具体实施方式中，所述联网可调频读写器2包括物联网模块，用于向基站或其他联网可调频读写器2传递信息，单独或共同将接收到的来自射频识别传感器1的农业数据传递至服务器。因此，本发明具体实施方式中，联网可调频读写器2的发射频率可调，信号覆盖范围大；联网可调频读写器2可以直接接入网络，将数据上传至接收端。且射频识别传感器1大范围布设时，联网可调频读写器2之间也可以进行组网。这样的网络拓扑结构减少了过多的网络结点，数据传输稳定，不易发生丢失和误传。因此本发明的基于多频段射频设备农业传感器监测网络适用性强，适合种植业、畜牧业、混合农业等多种农业场景。

[0066] 本发明的基于多频段射频识别农业传感器监测网络组网方式灵活，可以采用一个联网可调频读写器2和多个射频识别传感器1通信（1×N），然后联网可调频读写器2将多个射频识别传感器1采集到的农业数据传递至基站；也可以由多个联网可调频读写器2和分别与其中单个联网可调频读写器1对应的多个射频识别传感器2共同组成（M×N），多个联网可调频读写器之间可以互相通信，甚至当其中的一个或部分联网可调频读写器出现信号故障或负担过重时，其中的多个联网可调频读写器与多个射频识别传感器的对应关系还可以临时调整。因此本发明采用不同射频信号频率分别组网方式，可覆盖面积大，组网方式快速便捷。

[0067] 另外，本发明具体实施方式中，射频识别传感器1向联网可调频读写器1发射的无线信号频率与其预设接收频率按照预设关系相对应；其中，射频识别传感器1向联网可调频读写器2发射的无线信号频率采用低频，预设接收频率被设置为高频；当射频识别传感器1向联网可调频读写器2发射传感器检测的检测农业数据时，将农业数据调制在无线信号上。所述调制方式可以采用BPSK，QPSK，QAM等常见方式。

[0068] 需要特别注意的是，射频信号从联网可调频读写器2发送至射频识别传感器1，并经过能量转换时，不可避免地会发生能量损失。因此本发明中射频识别传感器1向联网可调频读写器2发射的无线信号频率与其预设接收频率按照预设关系相对应；射频识别传感器1向联网可调频读写器2发射的无线信号频率采用低频，预设接收频率被设置为高频，例如设置射频识别传感器的预设接收频率为4.8GHz，而其向联网可调频读写器发射的无线信号频率为预设接收频率的一半，采用2.4GHz。这样的实施方式所带来的技术效果在于：首先，以高频射频信号接收，而以低频信号发送，可允许一定量射频信号能量的损耗和泄露；其次，对于射频识别传感器1的发送部分的功率放大器要求低，降低了系统的成本；另外，根据射频识别传感器1向联网可调频读写器2发射的无线信号频率与其预设接收频率的预设关系，例如一半的关系，联网可调频读写器2可以反推射频识别传感器1的预设接收频率，因此既能起到标识射频识别传感器1的效果，也能节约射频识别传感器1和联网可调频读写器2之间的传输开销，射频识别传感器1无需单独报告其预设接收频率；还能确保联网可调频读写器2以该预设接收频率与该射频识别传感器1通信，而无需使用全部射频频段，节约了频段和能源。

[0069] 另外，如图9所示，本发明具体实施方式中，联网可调频读写器2包括多根定向天线，在所述多根定向天线上分别按照定向传输的方式发射射频信号，或接收来自射频识别传感器1的无线信号。

[0070] 本发明中创新性地提出了使用射频信号的能量经过转换后为射频识别传感器提供能源的方案，该方案中需要解决的技术问题之一在于射频能量传输的损耗，导致射频识别传感器难以获得足够的能量，而如果加大射频能量的传输，则需要为联网可调频读写器配备大功率射频功率放大器，而且还对环境有影响。为此本发明中对于联网可调频读写器2采取了多根定向天线，在所述多根定向天线上分别按照定向传输的方式发射射频信号，或接收来自射频识别传感器1的无线信号。这样使得射频能量传输更加集中，降低了联网可调频读写器配备的射频功率放大器的要求。

[0071] 与本发明的基于多频段射频识别农业传感器监测网络相对应，如图8所示，本发明具体实施方式中还包括一种基于多频段射频识别农业传感器监测方法，所述方法利用多个射频识别传感器1和联网可调频读写器2实现，射频识别传感器1中包括检测农业数据的传感器132，所述方法包括步骤：

[0072] A、启动联网可调频读写器，按照不同频率发射射频信号；

[0073] B、射频识别传感器被射频信号的感应电流所激活，当所述射频信号的发射频率与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，利用传感器进行农业数据检测，以及向联网可调频读写器发射无线信号；

[0074] C、联网可调频读写器接收到来自射频识别传感器的农业数据时，将农业数据传送至服务器。

[0075] 特别地，本发明具体实施方式中，射频识别传感器与联网可调频读写器进行通信的流程包括握手阶段和通信阶段，其中，握手阶段包括联网可调频读写器在预定频率范围内按照预先划分的多个子频段，按照扫频方式进行射频信号发送；当射频信号按照一子频段的发射频率与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，射频识别传感器按照与其预设接收频率满足预设关系的频率向联网可调频读写器发射无线信号，表示其已被启动；联网可调频读写器根据接收到的来自射频识别传感器的无线信号的频率，获知射频识别传感器的预设接收频率所处的子频段；并在通信阶段，分别根据多个射频识别传感器的预设接收频率所匹配子频段向射频识别传感器发射射频信号，而无需在预定频率范围内的全部子频段发射射频信号。

[0076] 本发明中，将联网可调频读写器进行通信的流程划分为握手阶段和通信阶段，握手阶段下，射频识别传感器被射频信号的感应电流所激活，当所述射频信号的发射频率与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，即按照射频识别传感器按照与其预设接收频率满足预设关系的频率向联网可调频读写器发射无线信号，表示其已被启动，因为此时并不需要进行传感器的信号测量，因此无需进行无线信号的信号调制，仅发送完整的波形即可。因此握手阶段可以十分迅速地完成，而且具有很高的容错性。

[0077] 例如，设联网可调频读写器在4.8GHz为中心频率，上下10MHz为预定频率范围，首先根据预定义条件，划分为100个子频段，每个子频段为100KHz每个相邻子频段之间具有100KHz的间隔；该频率设置是射频识别传感器的预设接收频率的可能范围。

[0078] 例如，第一个子频段的频率范围为4.7901GHz 4.7902GHz，第二个子频段的频率范~围为4.7903GHz 4.7904GHz，由此类推直至第100个子频段的频率范围为4.8098~ ~
4.8099GHz；联网可调频读写器分别按照该100个子频段的中心频点发射射频信号；例如第1射频识别传感器的预设接收频率与第2子频段相匹配，则其按照2.3952GHz向联网可调频读写器发射无线信号，表明其已被启动，而第2射频识别传感器的预设接收频率与第10子频段相匹配；并无其他的射频识别传感器。

[0079] 则联网可调频读写器根据接收到的2.3952GHz无线信号，以及与第10子频段射频信号的频率满足预设关系（例如一半）的无线信号，推断出仅有两个射频识别传感器，且其预设接收频率分别与第2、第10子频段的频率相匹配，后续在通信阶段，联网可调频读写器分别根据这两个射频识别传感器的预设接收频率所匹配的子频段，即第2、第10子频的中心频点向两个射频识别传感器发射射频信号，而无需在预定频率范围内的全部子频段发射射频信号。

[0080] 因此，本发明中，充分考虑到了射频识别传感器的分布可能性，节约了联网可调频读写器的能源损耗，也有利于提高信号质量。

[0081] 特别地，本发明具体实施方式中，在握手阶段联网可调频读写器按照第一持续时间为间隔进行每个子频段的扫频，在通信阶段联网可调频读写器按照第二持续时间根据射频识别传感器的预设接收频率所匹配子频段向射频识别传感器发射射频信号，第二持续时间长于第一持续时间；

[0082] 在握手阶段，射频识别传感器无需启动传感器进行农业数据的检测，仅向联网可调频读写器发射无线信号，表示其已被启动；此时无线信号不需被调制农业数据；

[0083] 在通信阶段，射频识别传感器启动传感器进行农业数据的检测，并将检测的农业数据调制在向联网可调频读写器发射的无线信号上。

[0084] 如前的实施方式所述，握手阶段因为仅仅是标识射频识别传感器的存在和启动，因此无需进行农业数据的检测，而且由于扫频的子频段较多，因此在握手阶段联网可调频读写器按照较短的第一持续时间为间隔进行每个子频段的扫频，例如每个子频段的射频信号持续0.5ms。这样100个子频段的扫频也可以快速完成，另外由于无需启动传感器，也需要进行农业数据对于无线信号的调制，因此射频识别传感器所需的能量也较少，较短时间的射频信号也能满足要求。而后期进行通信时，由于需要启动传感器对于农业数据进行检测，也需要将检测到的农业数据调制到无线信号上，因此射频识别传感器对于能量也提出了较高的要求，因此需要联网可调频读写器按照较长的第二持续时间间隔，例如5ms，以及按照射频识别传感器的预设接收频率所匹配子频段的中心频点来发送射频信号，这样既能满足射频识别传感器工作的能量要求，也能节约联网可调频读写器的能量消耗。

[0085] 特别地，本发明具体实施方式中，如图9所示，联网可调频读写器包括多根定向天线；在扫频阶段，联网可调频读写器分别利用多根定向天线各自进行每个子频段的扫频射频信号发射，并在多根定向天线上分别接收来自射频识别传感器传输的无线信号，联网可调频读写器记录多根定向天线上的无线信号的频率和检测无线信号的强度，获知一射频识别传感器的预设接收频率所处的子频段以及该射频识别传感器与定向天线的对应关系；

[0086] 在通信阶段，按照接收到该射频识别传感器发射的无线信号强度最强的定向天线，以及按照该射频识别传感器预设接收频率所处的子频段，向该射频识别传感器发射射频信号。

[0087] 正如本发明实施方式中所一再强调地，射频能量传输所重要关注的是射频能量的损耗，当射频识别传感器无法收集到足够的射频能量时，无法完成农业数据的检测，也无法实现无线信号的传输。因此本发明为联网可调频读写器配备了多根定向天线，在扫频阶段，联网可调频读写器分别利用多根定向天线各自进行每个子频段的扫频射频信号发射，例如设置有8根定向天线，则在这8根定向天线分别按照100个子频段进行扫描，与射频识别传感器握手。

[0088] 虽然目前技术已经能够确保定向天线的能量传输指向性，但是对于每一个射频识别传感器而言，由于其分布位置的随意性，可能接收到了一个以上定向天线的射频信号，这一个以上定向天线均向其发射了与其预设接收频率相匹配的射频信号，则该射频识别传感器对该一个以上定向天线进行回应，这样联网可调频读写器从一个以上定向天线中获得了相同频率的无线信号，为了判断哪一定向天线与该射频识别传感器具有最良好的匹配度，联网可调频读写器记录多根定向天线上的无线信号的频率和检测无线信号的强度，从相同频率无线信号中选择无线信号强度最高的那一根定向天线，作为对应于该无线信号，也即对应于该射频识别传感器的最匹配定向天线，以后的通信过程中，固定采用最匹配定向天线与该射频识别传感器通信。因此本发明中通过检测信号强度和定向天线的方式，进一步提高了射频信号能量传输效率，具有高度的系统可靠性。

[0089] 特别地，本发明具体实施方式中，联网可调频读写器包括多根定向天线；在扫频阶段，联网可调频读写器分别利用多根定向天线分别按照第三预定时间间隔各自进行每个子频段的扫频射频信号发射，射频识别传感器接收到射频信号的发射频率的子频段与射频识别传感器的预设接收频率相匹配时，如果在一个以上第三预定时间间隔内的接收到的发射频率的子频段均与射频识别传感器的预设接收频率相匹配，则在接收射频信号最强的第三预定时间间隔经过第四预定时间间隔后，向联网可调频读写器发射无线信号；

[0090] 联网可调频读写器根据接收到的无线信号，推算第四预定时间间隔之前的第三预定时间间隔，由此判断射频识别传感器接收射频信号最强时对应的定向天线；

[0091] 在通信阶段，联网可调频读写器根据射频识别传感器接收射频信号最强时对应的定向天线，以及按照该射频识别传感器预设接收频率所处的子频段，向该射频识别传感器发射射频信号。

[0092] 以上操作方式中，不但采用了频率划分的方法，还引入了分时的技术，更进一步区分了各个射频识别传感器，提高了射频信号能量传输效率，避免了射频信号的能量损耗。

[0093] 具体而言，例如联网可调频读写器配备了8根定向天线，则在扫频阶段，联网可调频读写器分别利用8根定向天线分别按照第三预定时间间隔，例如1ms各自进行每个子频段的扫频射频信号发射，这样对于8根定向天线和100个子频段而言，需要800ms进行扫频操作。

[0094] 例如对于第1射频识别传感器而言，其分别接收到了第2根定向天线和第5根定向天线的射频信号，且其预设接收频率对应于第2子频段，也就是说射频识别传感器分别在第102ms和第402ms接收到了与其预设接收频率相匹配的射频信号，射频识别传感器经过一次完整的扫频时间（例如800ms）后，判断第102ms接收到的射频信号强度比第402ms接收到的射频信号强度更强，这说明联网可调频读写器的第2根定向天线对于第1射频识别传感器而言具有更好的指向性。射频识别传感器对第102ms的射频信号进行回应，经过了第四预设时间间隔，例如5ms之后，向联网可调频读写器发射无线信号。

[0095] 联网可调频读写器接收到该无线信号之后，根据第四预设时间间隔往前推算第2定向天线利用第2子频段的中心频点发射了射频信号，此时联网可调频读写器可以比较第2子频段的中心频点与第1射频识别传感器的无线信号之间是否满足预设关系（例如一半），这样可以判断出是否有错，因此该具体实施方式使得农业传感器监测网络具有了一定的纠错功能。另外，联网可调频读写器与射频识别传感器取得了时间同步，以后可以仅仅根据特定时间段内联网可调频读写器与特定射频识别传感器进行通信，而无需传输特定射频识别传感器的编号和预设接收频率，这进一步提高了传输效率，降低了传输数据开销损耗。而且本发明的应用场景中对应于农业数据的检测场合，一般而言信号传输距离较近，因此无需考虑信号传输的多径效应，可以保证精确时延。

[0096] 综上所述，本发明具体实施方式所能提供的技术效果包括如下。

[0097] 1. 本发明中，射频识别传感器的无源供能方式绿色环保，成本低，对环境友好。

[0098] 2.用联网可调频读写器发射射频信号激活传感器的方式操作简便，指向性强。

[0099] 3.采用不同射频信号频率分别组网方式，可覆盖面积大，组网方式快速便捷。

[0100] 4. 联网可调频读写器间可以相互组网以适应更大规模的监测网络布设和灵活的设置要求。

[0101] 5. 基于射频技术的数据传输速率快，传输的数据安全稳定，不易丢失。

[0102] 6. 此农业传感器监测网络不受地形、海拔等自然条件限制，适合各种不同农业生产场景。

[0103] 上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本说明书所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本说明书所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。