摘要

 

涉及精準定位和運輸數據的資產(chǎn)跟蹤模塊，非常適合組建無(wú)電池節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)。無(wú)電池的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)幾乎可以部署在任何環(huán)境中，對維護工作的需求很少甚至沒(méi)有。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對先進(jìn)無(wú)電池傳感器標簽解決方案日益增長(cháng)的需求，本文提出一個(gè)在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中識別資產(chǎn)和監測資產(chǎn)移動(dòng)速度的跟蹤系統，無(wú)電池的資產(chǎn)標簽通過(guò)射頻無(wú)線(xiàn)電力傳輸(WPT)架構接收數據通信所需電能，并采用一個(gè)獨有的測速方法生成時(shí)域速度讀數。本文還評測了一款RF WPT供電節點(diǎn)專(zhuān)用系統芯片(SoC)的性能特性和主要功能，提出一個(gè)創(chuàng )新的能夠解決最高功率轉換效率(PCE)與靈敏度相互對立和，功率轉換效率與最高靈敏度相互對立問(wèn)題的RF-DC轉換解決方案，還提供一個(gè)能夠計算資產(chǎn)識別和測速所需讀取器數量的設計策略和優(yōu)化模型，做了模型驗證測試，并提供了證明本文所提出的先進(jìn)監控系統可行性的實(shí)驗結果。

 

1.前言

 

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)及聯(lián)網(wǎng)設備和智能解決方案的開(kāi)發(fā)應用，讓有望顯著(zhù)改善人們日常生活的新興無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)取得空前發(fā)展[1]。無(wú)線(xiàn)智能傳感器節點(diǎn)預計會(huì )出現在與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)的所有新興應用領(lǐng)域[2]。實(shí)際上，針對智慧城市、家庭自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化，有些企業(yè)已經(jīng)推出了旨在提高服務(wù)質(zhì)量、舒適性、安全性和能效的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺[3-9]。因為能夠跟蹤資產(chǎn)、個(gè)人物品等物資的準確位置和運輸狀況，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )還是資產(chǎn)跟蹤應用的理想選擇[10]。

 

在這個(gè)應用領(lǐng)域，傳感器節點(diǎn)向無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送與資產(chǎn)的存在、品名、位置和移動(dòng)速度相關(guān)的信息。因為系統傳輸的數據很少，所以對電能和帶寬的要求不高。理想的資產(chǎn)跟蹤標簽是一種幾乎可以在任何地方使用的價(jià)格低廉、免維護的非一次性設備[11-13]。一個(gè)切實(shí)有效的資產(chǎn)跟蹤解決方案需要內置通信、感知、信號處理、電源管理和自發(fā)電等功能[14,15]，與僅適用于近距離物品識別的簡(jiǎn)單標簽應答器相比有很大的不同。

 

如今，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)是一種更加復雜的有感知、分析和通信功能的設備[16]，不過(guò)，它們對電能的需求也變得更大，必需使用電池才能滿(mǎn)足供電需求，導致廠(chǎng)商的系統成本、維護和小型化負擔加重[17]。因此，除了尺寸、成本等要素外，功耗和在最大通信距離時(shí)的最大吞吐量是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)最顯著(zhù)的性能特征[2,5]。通過(guò)整合高能效通信方案與低功耗設計，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以將電池壽命延至數月甚至幾年[2]，因此，低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計廣泛使用免許可的ISM (工業(yè)、醫學(xué)和科學(xué)) 頻段的無(wú)線(xiàn)協(xié)議，例如，ZigBee [18]、Bluetooth和Bluetooth Low Energy（BLE）[19]。尤其是BLE低能耗藍牙協(xié)議，可降低功耗，易于設置，連接智能設備簡(jiǎn)單[20-22]。通過(guò)戰略性的硬件和固件協(xié)同設計，以及在最終應用中全面優(yōu)化無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，可以實(shí)現低能耗和高能效。傳統電池供電系統并非總是最佳解決方案，因為電池會(huì )在成本、重量和尺寸方面帶來(lái)更多的問(wèn)題，電池壽命和系統維護就更不用說(shuō)了。此外，電池和超級電容的使用也給系統電源管理帶來(lái)問(wèn)題[23,24]。

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的維護問(wèn)題不僅僅體現在成本方面；在電氣安全和檢修便利性方面，維護工作也可能變得十分復雜，某些工作環(huán)境可能太熱，致使電池無(wú)法安全可靠地供電。在正常工況環(huán)境中[25]，通過(guò)降低或消除待機功耗，可以大幅降低電池電量的消耗 [26-34]，延長(cháng)電池壽命，進(jìn)一步縮減系統體積，減少維護干預次數。將射頻無(wú)線(xiàn)電力傳輸(WPT)技術(shù)用于遠距離無(wú)線(xiàn)充電，也可以方便電池供電節點(diǎn)的維護工作[35–40]。雖然這些解決方案可以幫助緩解系統維護和小型化相關(guān)問(wèn)題，但不能一下解決全部問(wèn)題。在可行的情況下，例如，在使用低占空比傳感器的應用中，更可取的解決辦法是開(kāi)發(fā)無(wú)電池設備，其明顯優(yōu)勢是非一次性產(chǎn)品，使用壽命幾乎無(wú)限，成本效益更高，可用于電池可能會(huì )引發(fā)危險的環(huán)境[41–45]。由于這些原因，無(wú)電池解決方案風(fēng)生水起[43,46–49]，越來(lái)越多的工程師選擇包括RF EH和WPT在內的可再生能量收集(EH)技術(shù)。開(kāi)發(fā)高能效的WPT和RF EH應用并非易事，因為即使射頻能量無(wú)所不在，并且能夠發(fā)射到視線(xiàn)看不到的地方，但其功率轉換效率(PCE)到目前仍然很低，針對這個(gè)問(wèn)題，許多研究人員發(fā)表了極具啟發(fā)性的論文[50-67]。

 

本文面向這一研究領(lǐng)域，研究在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )基礎設施中，在電能發(fā)射器(讀取器)與射頻自供電的無(wú)電池BLE標簽之間使用RF WPT技術(shù)，探討使用無(wú)電池BLE標簽設計資產(chǎn)跟蹤系統所面臨的技術(shù)挑戰，并提出相應的解決方案。在讀取器和標簽的間距隨時(shí)變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，標簽以某一速度相對于讀取器移動(dòng)。這項研究的顯著(zhù)特點(diǎn)是，在移動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行RF WPT充電，通過(guò)BLE技術(shù)傳輸數據。這項研究的重點(diǎn)是估算為移動(dòng)標簽連續供電所需最小讀取器數量，并介紹無(wú)任何電池的傳感器如何通過(guò)RF WPT實(shí)現自供電，測量資產(chǎn)移動(dòng)速度，生成時(shí)域讀數，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)機制傳輸數據。最后，本文提供了資產(chǎn)識別測速所需的最佳讀取器數量、基礎設施設計策略和數學(xué)模型。

 

本文詳細討論了RF WPT供電節點(diǎn)專(zhuān)用系統芯片(SoC)的關(guān)鍵特性、體系結構和性能特征，提供了具體的測試、模擬仿真和實(shí)驗結果。本文的結構如下：第2部分從讀取器和無(wú)電池BLE資產(chǎn)標簽的角度介紹系統架構。第3部分討論WPT系統的設計方法，其中包括當系統關(guān)鍵參數給定時(shí)，用于求算最佳設計所需最少射頻讀取器數量的公式和假設。第4部分探討無(wú)電池BLE標簽速度測量系統，介紹如何用RF WPT和無(wú)電池BLE標簽實(shí)現一個(gè)能夠生成時(shí)域讀數并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)機制傳輸信息(速度)的速度測量系統。第5部分介紹系統裝置、實(shí)驗結果及其與在設計階段獲得的數據的相關(guān)性。第6部分是結論。

 

2.系統說(shuō)明

 

遠距離射頻無(wú)線(xiàn)電力傳輸（WPT）系統用于為無(wú)電池BLE資產(chǎn)標簽遠程供電。圖1所示是本文提出的資產(chǎn)跟蹤系統的框圖，該系統架構基于雙頻系統，WPT輸電和數據通信兩個(gè)單元使用不同的頻率。對于遠程電力傳輸，標簽讀取器和標簽使用無(wú)需許可的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué))頻段，載波中心頻率868 MHz。讀取器與資產(chǎn)標簽的數據通信采用2.4 GHz ISM頻段，帶寬80 MHz。讀取器工作頻率的選擇對于電力傳輸非常重要，這需要在標簽和讀取器的尺寸限制與自由空間路徑損耗（FSPL）最小化之間權衡折衷。事實(shí)上，尺寸限制與自由空間路徑損耗最小化這兩個(gè)要求是相互對立的，因為標簽尺寸很大程度上取決于天線(xiàn)尺寸，天線(xiàn)大小與工作頻率成反比，而工作頻率又直接影響FSPL性能。根據Friis傳輸公式[68]，在自由空間中，868 MHz頻段典型無(wú)線(xiàn)電力傳輸一米距離后，傳輸功率將會(huì )衰減30 dB (1/1000)，然后每10 米就會(huì )繼續衰減20 dB。

 

相比之下，為讀取器選擇2.4 GHz頻率將導致傳輸功率在僅一米傳輸距離內就衰減40 dB (1/10,000)或者一個(gè)更大量級。這突出表明，能量傳輸效率低是RF WPT技術(shù)固有缺點(diǎn)，因此，需要對新架構和設計參數選擇進(jìn)行持續研究。盡管存在這些先天不足，射頻電力傳輸仍然不失為一個(gè)為物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)等低功耗設備供電的便捷方式[54,69,70]。數據通信使用一個(gè)BLE射頻芯片，因為跟蹤系統需要一個(gè)符合相關(guān)數據交換量和通信速率規范的超低功耗射頻芯片。此外，BLE射頻芯片允許天線(xiàn)設計得非常小。實(shí)際的BLE讀取器是由一個(gè)低功耗射頻sub-GHz收發(fā)器和一個(gè)BLE接收器組成。射頻收發(fā)器是意法半導體的Spirit1芯片，配有最高輸出功率27 dBm的功率放大器，而B(niǎo)LE芯片是意法半導體的符合藍牙5.0規范的BLE系統芯片BLUENRG-2。標簽系統體系架構是由兩顆芯片組成。無(wú)線(xiàn)電力傳輸專(zhuān)用系統芯片接收并轉換射頻能量，標簽數據通信使用與讀取器相同的BLE射頻芯片。接收射頻能量的系統芯片對資產(chǎn)跟蹤系統性能至關(guān)重要，我們將用數學(xué)方法證明，RF-DC轉換器的PCE效率和靈敏度性能在確定讀取器數量過(guò)程中的重要性。

 

顯然，這兩個(gè)參數性能高會(huì )減少所需的讀取器數量，從而降低系統整體成本。本研究案例中使用的系統芯片是一個(gè)2 W自供電芯片，集成一個(gè)寬帶(350 MHz-2.4 GHz)RF–DC能量轉換器，在868 MHz頻率時(shí)，PCE最大值為37％，輸入功率為18 dBm，最大輸出電壓為2.4V。超低功耗管理單元的靜態(tài)電流性能是決定系統靈敏度高低的關(guān)鍵。圖1描述了該系統芯片的體系架構，組件包括RF-DC轉換器、超低功耗管理單元、數字有限狀態(tài)機（FSM）和DC/DC轉換器。外部天線(xiàn)連接系統芯片的RFin輸入引腳，用于捕獲射頻能量。RF-DC轉換器將射頻能量轉換為直流電能，通過(guò)輸出引腳Vdc向外部?jì)﹄婋娙萜鰿storage充電。此外，RF-DC轉換器還產(chǎn)生一個(gè)直流開(kāi)路電壓Voc，用于間接測量射頻輸入功率。Voc和Vdc電壓是超低功耗管理單元的輸入端，為FSM單元供電。RF-DC轉換器、超低功耗管理和FSM這三個(gè)單元組成一個(gè)閉環(huán)。根據Voc信號間接測量到的輸入射頻功率，數字信號總線(xiàn)實(shí)時(shí)更新Nos信號，為RF-DC轉換器選擇正確的級數（CMOS倍壓電路）。RF-DC轉換器、超低功耗管理模塊和FSM單元形成的環(huán)路執行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)運算，在射頻輸入功率變化過(guò)程中從射頻提取最大的能量。這個(gè)原理概念將在第3部分中詳細討論。從功能角度看，該系統芯片將從讀取器接收的射頻能量轉換為直流電壓Vdc，充入外部?jì)﹄婋娙萜鰿storage。在輸入功率相同的條件下，靜態(tài)電流越低，傳輸到儲電電容器的凈電流就越大。該系統芯片集成了最小靜態(tài)電流僅為75 nA的超低功耗管理電路，從而能夠節省至少2 W的電能。

圖2給出了三種不同的完整的通過(guò)三個(gè)不同的BLE廣播頻道發(fā)送數據包的BLE廣播發(fā)射方式。BLE設備配置為無(wú)法連接的無(wú)目標廣播模式，14 dBm發(fā)射功率，發(fā)射32字節廣播數據包。在此工作模式下，BLE設備未連接到任何網(wǎng)絡(luò )，能夠廣播任何類(lèi)型的信息，包括環(huán)境數據(溫度、氣壓、濕度等)、微位置數據（資產(chǎn)跟蹤、零售等）或方向數據（加速度，旋轉，速度等）[71]。當標簽接收到讀取器發(fā)射的能量時(shí)，儲電電容器充電，Vstor電壓開(kāi)始上升，直到最大值Vh為止。此時(shí)，超低功耗管理單元驅動(dòng)DC/DC轉換器，通過(guò)Vout為BLE設備供電。當電壓Vout高于BLE設備最低工作電壓（1.8 V）時(shí)，藍牙電路激活，然后廣播數據信息。因為藍牙通信所需電流遠高于射頻信號轉化的電流，所以Cstorage電容器不可避免地會(huì )放電。實(shí)際上，如圖3所示，Cstorage電容器向BLE設備供給的峰值電流是毫安級，而射頻能量轉化的電流通常是微安級，因此，工作電流遠高于收集轉化的電能。

 

圖 2. 系統芯片的功能信號

 

圖 3.低能耗藍牙(BLE)的電流消耗

 

BLE設備一旦停止工作，就會(huì )立即拉高“ shdnb”信號，觸發(fā)系統芯片內部的有限狀態(tài)機(FSM)重置“ en”信號，關(guān)閉DC/DC轉換器，同時(shí)Vout電壓下降。因為電壓Vout下降，而且BLE設備不再加偏置電壓，所以“ shdnb”信號拉低電平，這可以控制儲電電容中的電壓下降，將其限制在BLE設備的電能要求范圍內，這些要求會(huì )隨BLE設備的廣播數據包長(cháng)度和輸出發(fā)射功率配置而變化。例如，若BLE設備加2V平均偏置電壓，配置為無(wú)法連接的無(wú)目標廣播模式，14 dBm發(fā)射功率，傳輸32字節廣告數據包，則激活過(guò)程時(shí)間估計約2.4毫秒，激活過(guò)程平均電流估計約7.5 mA，發(fā)射能耗估計約36J。如果發(fā)射輸出功率增加到+8 dBm，激活過(guò)程預估時(shí)間不會(huì )改變，因為這個(gè)參數僅與廣播數據包的長(cháng)度有關(guān)；激活過(guò)程平均電流估計增加到13.4 mA，因此，發(fā)射能耗估計上升到65J。廣播數據包長(cháng)度也會(huì )影響B(tài)LE發(fā)送數據所需電能。若將BLE設備配置為14 dBm發(fā)射功率，發(fā)送16字節廣播數據，則激活過(guò)程時(shí)間估計減到2毫秒，激活過(guò)程平均電流估計約7 mA，發(fā)射能耗估計約28 J。Vstor的電壓降始終保持在最小值，不受BLE配置變化的影響，因此，系統可以更早地切換到提取能量模式，從而最大程度地降低占空比。這是這款系統芯片的一個(gè)獨有功能，可以與任何物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)建立閉環(huán)通信[72]。在本案例研究中，工作環(huán)境是典型的動(dòng)態(tài)資產(chǎn)跟蹤系統，資產(chǎn)相對于讀取器以特定速度v移動(dòng)。需要注意的是，在這種情況下，標簽不是靜止不動(dòng)的，并且接收到的能量不能視為恒定能量。因此，該節點(diǎn)必須途經(jīng)若干個(gè)

 

讀取器才能完成初始啟動(dòng)，使電壓Vstor從0V上升到最大電壓Vh，所需讀取器的具體數量取決于BLE發(fā)射廣播數據包所需電能、為儲電電容器充電的平均功率Pav、標簽的移動(dòng)速度v。值得注意的是，標簽是移動(dòng)的，功率Pav不是恒定的，因此，在標簽初始啟動(dòng)期間，電壓Vstor不是連續上升，而是階梯式上升。圖4所示是電壓Vstor在初始啟動(dòng)期間和穩態(tài)時(shí)的行為特性。該圖描述一個(gè)正在向前移動(dòng)的標簽，但值得注意的是，標簽的移動(dòng)方向與無(wú)線(xiàn)電力傳輸過(guò)程無(wú)關(guān)?？梢杂^(guān)察到，該節點(diǎn)必須途經(jīng)若干個(gè)讀取器才能完成初始啟動(dòng)，所需讀取器的具體數量取決于BLE發(fā)射信標所需的能量、標簽接收到可用的射頻能量、標簽的移動(dòng)速度v。此后，讀取器射頻能量轉化的電流和BLE射頻電流對Cstorage電容器交替充放電，兩種電流的強度都非常不均衡。下一部分將討論系統設計，包括一些設計見(jiàn)解，并討論如何根據BLE射頻所需的能量和標簽移動(dòng)速度等已知系統規范，推導出讀取器尺寸和最小安裝數量。下一部分還從靈敏度和PCE方面討論影響RF-DC性能的因素。

 

圖 4. 無(wú)線(xiàn)電力傳輸和Vstor 的關(guān)系變化

 

3.系統設計

 

本文的主要研究目的是如何將基礎設施成本降至最低，基礎設施成本與讀取器的安裝數量直接相關(guān)。圖4表明，完成初始啟動(dòng)所需讀取器的數量NoR與兩個(gè)參數相關(guān)：一個(gè)是電壓Vstor可以達到的最大值Vh，另一個(gè)是標簽每次跨越讀取器間距Dx后電壓增量DVstor，如下面的公式所示：

 

 

 

Vstor的增量電壓DVstor與RF-DC轉換器輸出的平均電流Iavg以及標簽跨過(guò)讀取器間距Dx所用時(shí)間Dt相關(guān)，如以下公式所示：

 

 

其中Cstorage是儲電電容。在資產(chǎn)運輸系統中，物體的移動(dòng)速度v保持恒定。因此，可以假定：

 

 

實(shí)際上，公式(5)在對系統性能有影響的基本參數之間建立起一個(gè)有用的關(guān)系，為設計系統重要參數提供了有價(jià)值的見(jiàn)解，能夠幫助設計人員選擇最佳的系統架構，獲得最佳的性能。該公式表明，在儲電電容Cstorage、電壓Vstor的最大值Vh和標簽速度v給定時(shí)，通過(guò)最大化Iavg和Dx的乘積可以實(shí)現最佳性能。參數Iavg和Dx都與RF-DC轉換器的設計和架構有關(guān)。實(shí)際上，Iavg是RF-DC轉換器輸出的平均電流，電流值與PCE性能有關(guān)，因此，若發(fā)射功率已定，則PCE越高， Iavg電流值就越大。Dx取決于RF-DC轉換器的靈敏度性能，因此，靈敏度性能越高，讀取器間距就越大。為了減少讀取器數量，必須將靈敏度和PCE雙雙提高。資產(chǎn)跟蹤系統中的無(wú)線(xiàn)電力傳輸需要處理千差萬(wàn)別的功率狀況。事實(shí)上，根據讀取器與標簽的間距、天線(xiàn)方向、發(fā)射通道數量，輸入功率在從極低到較高的范圍內變化，更嚴重的是，可用輸入功率大小可能是隨機變化的。

 

在本文提出的系統中，資產(chǎn)標簽在經(jīng)過(guò)讀取器時(shí)需要處理輸入功率的巨大變化。當位于讀取器掃描范圍的最遠端時(shí)，標簽接收到能量很??；隨著(zhù)標簽逐漸接近讀取器，收到的能量越來(lái)越高。標準RF-DC轉換器體系結構僅優(yōu)化標簽距離讀取器相對較遠時(shí)的接收靈敏度，不適用本文提出的系統。同理，僅優(yōu)化標簽在某一特定輸入功率時(shí)的PCE性能，盡管當標簽靠近讀取器時(shí)效果良好，但也不勝任本文提出的系統。當然，在靜態(tài)工作條件下，讀取器和標簽之間的距離是固定并已知的，這些解決方案可能效果理想，但在動(dòng)態(tài)工作條件下則差強人意。不幸的是，對于典型的RF-DC電路架構，很難同時(shí)優(yōu)化靈敏度和PCE性能，因為這兩個(gè)參數往往是相互對立的。

 

因此，動(dòng)態(tài)系統需要具有利用MPPT技術(shù)在較大范圍內動(dòng)態(tài)跟蹤可用能量的能力[73-78]。所有的MPPT技術(shù)都有一個(gè)共同的要求，就是測量輸入功率。然而，這在超低功率環(huán)境中并不是一項簡(jiǎn)單的事情，因為這個(gè)功能不可避免地會(huì )消耗更多的電能，并有可能進(jìn)一步降低系統的PCE效率，這也是為什么在被收集能量非常低的情況下，通常很難確定MPPT電路是否有使用價(jià)值的原因。關(guān)于這一專(zhuān)題，參考文獻[79]提出了一種創(chuàng )新技術(shù)，介紹了如何通過(guò)監測復制和空載的通用能量采集器(RF-DC轉換器)的輸出DC開(kāi)路電壓，有效、動(dòng)態(tài)地跟蹤標簽接收到的輸入功率。

 

CMOS RF-DC轉換器的典型結構是一系列級聯(lián)倍壓器，即經(jīng)典的兩級Dickson電荷泵[80]。達到系統要求的靈敏度功率值必需使用多級電荷泵。此外，在給定輸入功率值Pin時(shí)，電路PCE性能通常是最大值，Pin取值非常接近或在大多數情況下就是靈敏度功率值。系統使輸出DC電壓保持固定，通常使用最大允許電壓。但是，如果輸出DC電壓恒定，并且級數NoS保持不變，則隨著(zhù)輸入功率變高，電路不再是最理想狀態(tài)，能效將會(huì )降低。如圖5所示，這是一個(gè)基于6級RF-DC轉換器的系統，射頻功率分為三個(gè)等級：P1 = 18 dBm（靈敏度功率值），P2 = 12 dBm和P3 = 6 dBm。

 

 

圖5. 靜態(tài)RF-DC轉換器的功率轉換效率(PCE) 與DC輸出電壓關(guān)系

 

因此，如圖6所示，為了保持最高的靈敏度性能，同時(shí)恢復和優(yōu)化PCE性能，必需根據已知輸入功率Pin改變轉換器的級數NoS。此外，圖6還給出了一個(gè)三級RF-DC轉換器的三種不同設置，即N1 = 6，N2 = 4和N3 =2。當級數最高時(shí)，NoS = N1 = 6，PCE數值在最低輸入功率Pin= P1 = 18 dBm時(shí)最大。如果功率增加到Pin = P2 = 12 dBm，通過(guò)將級數減少到NoS = N2 = 4，可以實(shí)現最大PCE。當輸入功率進(jìn)一步增加到Pin = P3 = 6 dBm時(shí)，要想獲得最高 PCE，級數必須減到NoS = N3 = 2。

 

 

圖6. 動(dòng)態(tài)RF-DC轉換器的功率轉換效率(PCE) 與DC輸出電壓關(guān)系.

 

 

圖7. 在868 MHz時(shí) PCE與輸入功率的關(guān)系.

 

在本文提出的系統中，按照本文提出的設計建議，RF-DC轉換器采用868 MHz頻率。有限狀態(tài)機（FSM）電路發(fā)出數字信號NoS，用于確定RF-DC轉換器的最佳級數，如圖1所示。超低功耗管理單元通過(guò)開(kāi)路電壓Voc信號測量輸入接收功率。這些功能使系統在靈敏度和PCE性能之間找到最佳平衡點(diǎn)。

 

當無(wú)電池BLE標簽跨過(guò)讀取器間距Dx時(shí)，Cstorage電容器的瞬間充電電流Idc(x)不是恒定電流，而是讀取器與標簽之間的距離x的函數。因此，下面是無(wú)電池BLE標簽跨越讀取器間距Dx時(shí)接收到的平均充電電流Iavg的計算公式：

 

 

Idc(x)是接收到的瞬間電流，電流大小與以下因素相關(guān)：發(fā)射功率、接收和發(fā)射天線(xiàn)的增益、讀取器與節點(diǎn)之間的最小和最大距離Dy和Dmax、RF-DC轉換器的工作頻率和 PCE效率。圖8是RF-DC轉換器的接收瞬時(shí)電流Idc(x)與距離x的關(guān)系圖，其中讀取器與節點(diǎn)之間的最小距離Dy為0.5 m，RF-DC轉換器靈敏度準許讀取器與節點(diǎn)之間最大距離Dmax為1.5 m。表征測試頻率868 MHz，讀取器發(fā)射功率設為27 dBm。功率發(fā)射器和射頻能量收集器均裝有Laird的Revie Pro天線(xiàn)[81]。

 

 

圖8. 在868 MHz時(shí)RF-DC輸出電流與標簽至讀取器間距的關(guān)系

 

4.速度測量

 

本部分介紹如何測量一個(gè)配備無(wú)電池BLE標簽的資產(chǎn)，以恒定速度v通過(guò)資產(chǎn)跟蹤系統時(shí)的速度。測速場(chǎng)景與圖4所示的場(chǎng)景相同，資產(chǎn)標簽通過(guò)多個(gè)排成一條直線(xiàn)的間距相等的射頻讀取器。下面是標簽速度v的計算公式：

 

 

 

公式(7)表示如何根據BLE標簽發(fā)射第一個(gè)數據包時(shí)所穿過(guò)的讀取器數量NoR來(lái)估算資產(chǎn)的移動(dòng)速度，其中Vh、Iavg、Dx、Cstorage等參數都在系統設計階段就確定下來(lái)了。 

 

在實(shí)際系統中，這個(gè)公式相當于在無(wú)電池BLE標簽完成初始啟動(dòng)，向讀取器發(fā)送數據后，獲悉已收到標簽數據的讀取器的序號。通過(guò)計算已收到RSSI(最高接收信號強度)信號的讀取器的數量,可以確定讀取器序號。將RSSI與BLE廣播數據包中包含的發(fā)射功率信息一起使用，還可以確定信號的路徑損耗，并通過(guò)下面的公式確定設備的距離：

 

 

這個(gè)計算結果可以幫助優(yōu)化定速資產(chǎn)運送系統（例如傳送帶）的成本。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要專(zhuān)門(mén)的傳感器來(lái)檢測物體的移動(dòng)速度，因為該信息是系統固有參數。實(shí)際上，可以通過(guò)獲悉讀取器檢測到的RSSI以及標簽首次發(fā)射數據時(shí)所經(jīng)過(guò)的讀取器的數量，來(lái)估計資產(chǎn)的運輸速度。因此，通過(guò)在BLE讀取器和無(wú)電池BLE資產(chǎn)標簽之間實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單的RF WPT，該系統可以同時(shí)完成資產(chǎn)識別、速度檢測和控制功能，而無(wú)需安裝硬件速度傳感器。

 

5.實(shí)驗結果

 

出于實(shí)驗目的，本文提出的跟蹤系統被開(kāi)發(fā)出來(lái)并進(jìn)行了測試。實(shí)際系統規定讀取器與標簽的最小距離Dy = 0.4 m。系統芯片的實(shí)驗表征結果顯示，在讀取器與標簽的最大距離Dmax = 1.5 m時(shí)，平均電流為1 A，根據公式（9），算出讀取器間距Dx是2.9 m。

 

 

標簽BLE芯片加2V偏置電壓，配置為無(wú)法連接的無(wú)目標廣播模式，發(fā)射32字節廣播數據包，輸出功率14 dBm，如前文所述，在這種配置下，BLE的能耗EBLE估計約36 J，即BLE芯片從Cstorage電容器中消耗36 J電能。根據公式（10），為了最小化Cstorage電容值，電壓Vstor的最大值Vh盡可能選擇最高值，而最小值Vl盡可能選擇最低值。因此，Vh = 2.4 V是由系統芯片的130 m CMOS技術(shù)所允許的最大工作電壓定義的。設定Vl= 2V，是為了給BLE芯片加1.8V偏置穩壓，給DC/DC轉換器的功率級提供200 mV的電壓裕量。

 

 

為了提供一些功率裕量和更多的能量，以便可選擇性地激活其它嵌入式傳感器，在標簽中使用了一個(gè)330 F的Cstorage電容器。實(shí)驗裝置包括四個(gè)讀取器、便攜式示波器、機器人和無(wú)電池BLE標簽。把讀取器排列成正方形，相鄰讀取器2.9 米等長(cháng)間距。每個(gè)讀取器都設為27 dBm發(fā)射功率。在測量過(guò)程中，標簽連接便攜式示波器，通過(guò)機器人恒速與讀取器平行移動(dòng)，標簽與讀取器的間距Dy保持恒定。在0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s三種不同的恒定速度下分別測量數次。圖9-11所示的波形描述了在初始啟動(dòng)及以后的過(guò)程中電壓Vstor的變化情況。這些數據是從其中一次測量中提取的，并給出了示波器獲取的實(shí)驗數據。這些圖表還給出了根據標簽速度v、讀取器間距Dx、RF-DC轉換器輸出的平均電流Iavg、Vstor電壓最大值Vh和儲電電容等實(shí)驗條件。

 

此外，這些圖表還給出了通過(guò)公式（5）推算出的理論上的讀取器數量NoR。這些實(shí)驗結果與以前的實(shí)驗測量值有良好的相關(guān)性。還可以觀(guān)察到，在初始啟動(dòng)期間，電壓Vstor不會(huì )連續上升，而是根據標簽的移動(dòng)速度階梯式上升。由于標簽連續通過(guò)四個(gè)讀取器，因此，標簽在初始啟動(dòng)后繼續保持充電和發(fā)射狀態(tài)。充放電模式似乎是不規則的，并且不是周期性的，因為在標簽通過(guò)讀取器的過(guò)程中，Cstorage電容的瞬間充電電流隨著(zhù)標簽的移動(dòng)而變化。因此，可以觀(guān)察到，當標簽逐漸接近讀取器時(shí)，電壓Vstor的上升速率非?？?，而當標簽逐漸遠離讀取器時(shí)，上升速率較慢。充電電流的不連續性是產(chǎn)生不規則且非周期性的充放電模式的原因，這與通過(guò)WPT為靜止標簽充電的情況完全不同。這些圖表證明公式（5）的估算結果是正確的。在資產(chǎn)跟蹤系統中，初始啟動(dòng)是指資產(chǎn)第一次被跟蹤識別的事件，完成初始啟動(dòng)階段所需的讀取器數量NoR與資產(chǎn)移動(dòng)速度v相關(guān)，速度v越高，所需讀取器數量NoR越多。最后，標簽發(fā)射被跟蹤資產(chǎn)的ID，讀取器接收信息，并發(fā)送到WSN網(wǎng)絡(luò )。

 

圖9.標簽以0.05 m/s的速度穿過(guò)讀取器的實(shí)驗結果

 

圖10.標簽以0.1 m/s的速度穿過(guò)讀取器的實(shí)驗結果

 

圖11.標簽以0.2m/s的速度穿過(guò)讀取器的實(shí)驗結果

 

系統功能驗證測試是在有工業(yè)傳送帶的實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行的。實(shí)驗裝置包括一條傳送帶、六個(gè)便攜式讀取器、無(wú)電池BLE標簽和便攜式示波器。傳送帶長(cháng)18 m，六個(gè)讀取器設為連續發(fā)射功率27 dBm，并沿傳送帶一邊等間距排列放置，讀取器間距Dx = 2.9 m，讀取器與標簽間距Dy = 0.4 m，如圖12所示。圖13是標簽和測量標簽的便攜式示波器。在完成初始啟動(dòng)階段前，標簽一直在讀取器之間往返移動(dòng)。在第一個(gè)實(shí)驗中，標簽安裝了一個(gè)330 F的Cstorage電容器，在跨過(guò)第 33個(gè)讀取器后，完成初始啟動(dòng)階段，與公式（5）的計算結果相符。在第二個(gè)實(shí)驗中，Cstorage電容降到100 F，越過(guò)13個(gè)讀取器后初始啟動(dòng)成功，完全符合公式（5）的推算結果。

 

這些實(shí)驗重復做三遍，實(shí)驗結果相同。

 

 

圖12.實(shí)驗裝置：讀取器的放置和安裝在傳送帶上的標簽及標簽所連的示波器。

 

圖13.實(shí)驗裝置：安裝在傳送帶上的標簽及標簽所連示波器。

 

6.結論

 

本文詳細介紹了一個(gè)基于RF WPT技術(shù)的無(wú)電池BLE標簽資產(chǎn)跟蹤系統，研究目的是探索有助于最大程度減少射頻讀取器數量的設計見(jiàn)解和最佳解決方案。本著(zhù)這個(gè)研究目的，本文選擇了基于WPT和BLE通信的系統架構，提出一個(gè)利用最大電壓Vh、RF-DC轉換器的靈敏度和PCE、標簽的移動(dòng)速度、能耗等系統參數，計算所需最少讀取器數量NoR的數學(xué)模型。本文還開(kāi)發(fā)一個(gè)系統設計方法，并采用該方法計算讀取器的最小數量。數學(xué)模型還針對專(zhuān)門(mén)設計和表征的RF-DC轉換器的特定電路體系結構，提供了系統設計見(jiàn)解和指導原則。此外，本文還提供了無(wú)電池BLE資產(chǎn)跟蹤標簽的速度和讀取器數量之間的數學(xué)關(guān)系。最后，為證明實(shí)驗結果與所提出模型之間的一致性，所提出的計算最小讀取器數量和測量速度的方法的可行性，本文進(jìn)行了實(shí)際系統測試。