【導(dǎo)讀】涉及精準(zhǔn)定位和運(yùn)輸數(shù)據(jù)的資產(chǎn)跟蹤模塊，非常適合組建無電池節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。無電池的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)幾乎可以部署在任何環(huán)境中，對(duì)維護(hù)工作的需求很少甚至沒有。
摘要
涉及精準(zhǔn)定位和運(yùn)輸數(shù)據(jù)的資產(chǎn)跟蹤模塊，非常適合組建無電池節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。無電池的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)幾乎可以部署在任何環(huán)境中，對(duì)維護(hù)工作的需求很少甚至沒有。為了滿足市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)無電池傳感器標(biāo)簽解決方案日益增長(zhǎng)的需求，本文提出一個(gè)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中識(shí)別資產(chǎn)和監(jiān)測(cè)資產(chǎn)移動(dòng)速度的跟蹤系統(tǒng)，無電池的資產(chǎn)標(biāo)簽通過射頻無線電力傳輸(WPT)架構(gòu)接收數(shù)據(jù)通信所需電能，并采用一個(gè)獨(dú)有的測(cè)速方法生成時(shí)域速度讀數(shù)。本文還評(píng)測(cè)了一款RF WPT供電節(jié)點(diǎn)專用系統(tǒng)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(zhuǎn)換效率(PCE)與靈敏度相互對(duì)立和，功率轉(zhuǎn)換效率與最高靈敏度相互對(duì)立問題的RF-DC轉(zhuǎn)換解決方案，還提供一個(gè)能夠計(jì)算資產(chǎn)識(shí)別和測(cè)速所需讀取器數(shù)量的設(shè)計(jì)策略和優(yōu)化模型，做了模型驗(yàn)證測(cè)試，并提供了證明本文所提出的先進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)可行性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1.前言
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)及聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和智能解決方案的開發(fā)應(yīng)用，讓有望顯著改善人們?nèi)粘Ｉ畹男屡d無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)取得空前發(fā)展[1]。無線智能傳感器節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)在與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)的所有新興應(yīng)用領(lǐng)域[2]。實(shí)際上，針對(duì)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、安全性和能效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[3-9]。因?yàn)槟軌蚋欃Y產(chǎn)、個(gè)人物品等物資的準(zhǔn)確位置和運(yùn)輸狀況，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用的理想選擇[10]。
在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，傳感器節(jié)點(diǎn)向無線網(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?yàn)橄到y(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很少，所以對(duì)電能和帶寬的要求不高。理想的資產(chǎn)跟蹤標(biāo)簽是一種幾乎可以在任何地方使用的價(jià)格低廉、免維護(hù)的非一次性設(shè)備[11-13]。一個(gè)切實(shí)有效的資產(chǎn)跟蹤解決方案需要內(nèi)置通信、感知、信號(hào)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(shí)別的簡(jiǎn)單標(biāo)簽應(yīng)答器相比有很大的不同。
如今，無線傳感器節(jié)點(diǎn)是一種更加復(fù)雜的有感知、分析和通信功能的設(shè)備[16]，不過，它們對(duì)電能的需求也變得更大，必需使用電池才能滿足供電需求，導(dǎo)致廠商的系統(tǒng)成本、維護(hù)和小型化負(fù)擔(dān)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)的最大吞吐量是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最顯著的性能特征[2,5]。通過整合高能效通信方案與低功耗設(shè)計(jì)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以將電池壽命延至數(shù)月甚至幾年[2]，因此，低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)廣泛使用免許可的ISM (工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)) 頻段的無線協(xié)議，例如，ZigBee [18]、Bluetooth和Bluetooth Low Energy（BLE）[19]。尤其是BLE低能耗藍(lán)牙協(xié)議，可降低功耗，易于設(shè)置，連接智能設(shè)備簡(jiǎn)單[20-22]。通過戰(zhàn)略性的硬件和固件協(xié)同設(shè)計(jì)，以及在最終應(yīng)用中全面優(yōu)化無線通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)低能耗和高能效。傳統(tǒng)電池供電系統(tǒng)并非總是最佳解決方案，因?yàn)殡姵貢?huì)在成本、重量和尺寸方面帶來更多的問題，電池壽命和系統(tǒng)維護(hù)就更不用說了。此外，電池和超級(jí)電容的使用也給系統(tǒng)電源管理帶來問題[23,24]。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)問題不僅僅體現(xiàn)在成本方面；在電氣安全和檢修便利性方面，維護(hù)工作也可能變得十分復(fù)雜，某些工作環(huán)境可能太熱，致使電池?zé)o法安全可靠地供電。在正常工況環(huán)境中[25]，通過降低或消除待機(jī)功耗，可以大幅降低電池電量的消耗 [26-34]，延長(zhǎng)電池壽命，進(jìn)一步縮減系統(tǒng)體積，減少維護(hù)干預(yù)次數(shù)。將射頻無線電力傳輸(WPT)技術(shù)用于遠(yuǎn)距離無線充電，也可以方便電池供電節(jié)點(diǎn)的維護(hù)工作[35–40]。雖然這些解決方案可以幫助緩解系統(tǒng)維護(hù)和小型化相關(guān)問題，但不能一下解決全部問題。在可行的情況下，例如，在使用低占空比傳感器的應(yīng)用中，更可取的解決辦法是開發(fā)無電池設(shè)備，其明顯優(yōu)勢(shì)是非一次性產(chǎn)品，使用壽命幾乎無限，成本效益更高，可用于電池可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)的環(huán)境[41–45]。由于這些原因，無電池解決方案風(fēng)生水起[43,46–49]，越來越多的工程師選擇包括RF EH和WPT在內(nèi)的可再生能量收集(EH)技術(shù)。開發(fā)高能效的WPT和RF EH應(yīng)用并非易事，因?yàn)榧词股漕l能量無所不在，并且能夠發(fā)射到視線看不到的地方，但其功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)到目前仍然很低，針對(duì)這個(gè)問題，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，研究在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，在電能發(fā)射器(讀取器)與射頻自供電的無電池BLE標(biāo)簽之間使用RF WPT技術(shù)，探討使用無電池BLE標(biāo)簽設(shè)計(jì)資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的解決方案。在讀取器和標(biāo)簽的間距隨時(shí)變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，標(biāo)簽以某一速度相對(duì)于讀取器移動(dòng)。這項(xiàng)研究的顯著特點(diǎn)是，在移動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行RF WPT充電，通過BLE技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是估算為移動(dòng)標(biāo)簽連續(xù)供電所需最小讀取器數(shù)量，并介紹無任何電池的傳感器如何通過RF WPT實(shí)現(xiàn)自供電，測(cè)量資產(chǎn)移動(dòng)速度，生成時(shí)域讀數(shù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)。最后，本文提供了資產(chǎn)識(shí)別測(cè)速所需的最佳讀取器數(shù)量、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)策略和數(shù)學(xué)模型。
本文詳細(xì)討論了RF WPT供電節(jié)點(diǎn)專用系統(tǒng)芯片(SoC)的關(guān)鍵特性、體系結(jié)構(gòu)和性能特征，提供了具體的測(cè)試、模擬仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文的結(jié)構(gòu)如下：第2部分從讀取器和無電池BLE資產(chǎn)標(biāo)簽的角度介紹系統(tǒng)架構(gòu)。第3部分討論WPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其中包括當(dāng)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)給定時(shí)，用于求算最佳設(shè)計(jì)所需最少射頻讀取器數(shù)量的公式和假設(shè)。第4部分探討無電池BLE標(biāo)簽速度測(cè)量系統(tǒng)，介紹如何用RF WPT和無電池BLE標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠生成時(shí)域讀數(shù)并通過物聯(lián)網(wǎng)機(jī)制傳輸信息(速度)的速度測(cè)量系統(tǒng)。第5部分介紹系統(tǒng)裝置、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其與在設(shè)計(jì)階段獲得的數(shù)據(jù)的相關(guān)性。第6部分是結(jié)論。
2.系統(tǒng)說明
遠(yuǎn)距離射頻無線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)用于為無電池BLE資產(chǎn)標(biāo)簽遠(yuǎn)程供電。圖1所示是本文提出的資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)架構(gòu)基于雙頻系統(tǒng)，WPT輸電和數(shù)據(jù)通信兩個(gè)單元使用不同的頻率。對(duì)于遠(yuǎn)程電力傳輸，標(biāo)簽讀取器和標(biāo)簽使用無需許可的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段，載波中心頻率868 MHz。讀取器與資產(chǎn)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)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(duì)于電力傳輸非常重要，這需要在標(biāo)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(quán)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(duì)立的，因?yàn)闃?biāo)簽尺寸很大程度上取決于天線尺寸，天線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(jù)Friis傳輸公式[68]，在自由空間中，868 MHz頻段典型無線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(xù)衰減20 dB。
相比之下，為讀取器選擇2.4 GHz頻率將導(dǎo)致傳輸功率在僅一米傳輸距離內(nèi)就衰減40 dB (1/10,000)或者一個(gè)更大量級(jí)。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(duì)新架構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)選擇進(jìn)行持續(xù)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)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)等低功耗設(shè)備供電的便捷方式[54,69,70]。數(shù)據(jù)通信使用一個(gè)BLE射頻芯片，因?yàn)楦櫹到y(tǒng)需要一個(gè)符合相關(guān)數(shù)據(jù)交換量和通信速率規(guī)范的超低功耗射頻芯片。此外，BLE射頻芯片允許天線設(shè)計(jì)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(dǎo)體的Spirit1芯片，配有最高輸出功率27 dBm的功率放大器，而BLE芯片是意法半導(dǎo)體的符合藍(lán)牙5.0規(guī)范的BLE系統(tǒng)芯片BLUENRG-2。標(biāo)簽系統(tǒng)體系架構(gòu)是由兩顆芯片組成。無線電力傳輸專用系統(tǒng)芯片接收并轉(zhuǎn)換射頻能量，標(biāo)簽數(shù)據(jù)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(tǒng)芯片對(duì)資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)性能至關(guān)重要，我們將用數(shù)學(xué)方法證明，RF-DC轉(zhuǎn)換器的PCE效率和靈敏度性能在確定讀取器數(shù)量過程中的重要性。
顯然，這兩個(gè)參數(shù)性能高會(huì)減少所需的讀取器數(shù)量，從而降低系統(tǒng)整體成本。本研究案例中使用的系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)靈敏度高低的關(guān)鍵。圖1描述了該系統(tǒng)芯片的體系架構(gòu)，組件包括RF-DC轉(zhuǎn)換器、超低功耗管理單元、數(shù)字有限狀態(tài)機(jī)（FSM）和DC/DC轉(zhuǎn)換器。外部天線連接系統(tǒng)芯片的RFin輸入引腳，用于捕獲射頻能量。RF-DC轉(zhuǎn)換器將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電能，通過輸出引腳Vdc向外部?jī)?chǔ)電電容器Cstorage充電。此外，RF-DC轉(zhuǎn)換器還產(chǎn)生一個(gè)直流開路電壓Voc，用于間接測(cè)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(zhuǎn)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(jù)Voc信號(hào)間接測(cè)量到的輸入射頻功率，數(shù)字信號(hào)總線實(shí)時(shí)更新Nos信號(hào)，為RF-DC轉(zhuǎn)換器選擇正確的級(jí)數(shù)（CMOS倍壓電路）。RF-DC轉(zhuǎn)換器、超低功耗管理模塊和FSM單元形成的環(huán)路執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)運(yùn)算，在射頻輸入功率變化過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(xì)討論。從功能角度看，該系統(tǒng)芯片將從讀取器接收的射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓Vdc，充入外部?jī)?chǔ)電電容器Cstorage。在輸入功率相同的條件下，靜態(tài)電流越低，傳輸?shù)絻?chǔ)電電容器的凈電流就越大。該系統(tǒng)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(jié)省至少2 W的電能。
圖1. 射頻無線電力傳輸系統(tǒng)
圖2給出了三種不同的完整的通過三個(gè)不同的BLE廣播頻道發(fā)送數(shù)據(jù)包的BLE廣播發(fā)射方式。BLE設(shè)備配置為無法連接的無目標(biāo)廣播模式，14 dBm發(fā)射功率，發(fā)射32字節(jié)廣播數(shù)據(jù)包。在此工作模式下，BLE設(shè)備未連接到任何網(wǎng)絡(luò)，能夠廣播任何類型的信息，包括環(huán)境數(shù)據(jù)(溫度、氣壓、濕度等)、微位置數(shù)據(jù)（資產(chǎn)跟蹤、零售等）或方向數(shù)據(jù)（加速度，旋轉(zhuǎn)，速度等）[71]。當(dāng)標(biāo)簽接收到讀取器發(fā)射的能量時(shí)，儲(chǔ)電電容器充電，Vstor電壓開始上升，直到最大值Vh為止。此時(shí)，超低功耗管理單元驅(qū)動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器，通過Vout為BLE設(shè)備供電。當(dāng)電壓Vout高于BLE設(shè)備最低工作電壓（1.8 V）時(shí)，藍(lán)牙電路激活，然后廣播數(shù)據(jù)信息。因?yàn)樗{(lán)牙通信所需電流遠(yuǎn)高于射頻信號(hào)轉(zhuǎn)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(shè)備供給的峰值電流是毫安級(jí)，而射頻能量轉(zhuǎn)化的電流通常是微安級(jí)，因此，工作電流遠(yuǎn)高于收集轉(zhuǎn)化的電能。
圖 2. 系統(tǒng)芯片的功能信號(hào)
圖 3.低能耗藍(lán)牙(BLE)的電流消耗
BLE設(shè)備一旦停止工作，就會(huì)立即拉高“ shdnb”信號(hào)，觸發(fā)系統(tǒng)芯片內(nèi)部的有限狀態(tài)機(jī)(FSM)重置“ en”信號(hào)，關(guān)閉DC/DC轉(zhuǎn)換器，同時(shí)Vout電壓下降。因?yàn)殡妷篤out下降，而且BLE設(shè)備不再加偏置電壓，所以“ shdnb”信號(hào)拉低電平，這可以控制儲(chǔ)電電容中的電壓下降，將其限制在BLE設(shè)備的電能要求范圍內(nèi)，這些要求會(huì)隨BLE設(shè)備的廣播數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和輸出發(fā)射功率配置而變化。例如，若BLE設(shè)備加2V平均偏置電壓，配置為無法連接的無目標(biāo)廣播模式，14 dBm發(fā)射功率，傳輸32字節(jié)廣告數(shù)據(jù)包，則激活過程時(shí)間估計(jì)約2.4毫秒，激活過程平均電流估計(jì)約7.5 mA，發(fā)射能耗估計(jì)約36J。如果發(fā)射輸出功率增加到+8 dBm，激活過程預(yù)估時(shí)間不會(huì)改變，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)僅與廣播數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度有關(guān)；激活過程平均電流估計(jì)增加到13.4 mA，因此，發(fā)射能耗估計(jì)上升到65J。廣播數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度也會(huì)影響B(tài)LE發(fā)送數(shù)據(jù)所需電能。若將BLE設(shè)備配置為14 dBm發(fā)射功率，發(fā)送16字節(jié)廣播數(shù)據(jù)，則激活過程時(shí)間估計(jì)減到2毫秒，激活過程平均電流估計(jì)約7 mA，發(fā)射能耗估計(jì)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(tǒng)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(tǒng)芯片的一個(gè)獨(dú)有功能，可以與任何物聯(lián)網(wǎng)節(jié)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(tǒng)，資產(chǎn)相對(duì)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(biāo)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(jié)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(shù)量取決于BLE發(fā)射廣播數(shù)據(jù)包所需電能、為儲(chǔ)電電容器充電的平均功率Pav、標(biāo)簽的移動(dòng)速度v。值得注意的是，標(biāo)簽是移動(dòng)的，功率Pav不是恒定的，因此，在標(biāo)簽初始啟動(dòng)期間，電壓Vstor不是連續(xù)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(wěn)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(biāo)簽，但值得注意的是，標(biāo)簽的移動(dòng)方向與無線電力傳輸過程無關(guān)。可以觀察到，該節(jié)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(shù)量取決于BLE發(fā)射信標(biāo)所需的能量、標(biāo)簽接收到可用的射頻能量、標(biāo)簽的移動(dòng)速度v。此后，讀取器射頻能量轉(zhuǎn)化的電流和BLE射頻電流對(duì)Cstorage電容器交替充放電，兩種電流的強(qiáng)度都非常不均衡。下一部分將討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括一些設(shè)計(jì)見解，并討論如何根據(jù)BLE射頻所需的能量和標(biāo)簽移動(dòng)速度等已知系統(tǒng)規(guī)范，推導(dǎo)出讀取器尺寸和最小安裝數(shù)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. 無線電力傳輸和Vstor 的關(guān)系變化
3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文的主要研究目的是如何將基礎(chǔ)設(shè)施成本降至最低，基礎(chǔ)設(shè)施成本與讀取器的安裝數(shù)量直接相關(guān)。圖4表明，完成初始啟動(dòng)所需讀取器的數(shù)量NoR與兩個(gè)參數(shù)相關(guān)：一個(gè)是電壓Vstor可以達(dá)到的最大值Vh，另一個(gè)是標(biāo)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(zhuǎn)換器輸出的平均電流Iavg以及標(biāo)簽跨過讀取器間距Dx所用時(shí)間Dt相關(guān)，如以下公式所示：
其中Cstorage是儲(chǔ)電電容。在資產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)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(duì)系統(tǒng)性能有影響的基本參數(shù)之間建立起一個(gè)有用的關(guān)系，為設(shè)計(jì)系統(tǒng)重要參數(shù)提供了有價(jià)值的見解，能夠幫助設(shè)計(jì)人員選擇最佳的系統(tǒng)架構(gòu)，獲得最佳的性能。該公式表明，在儲(chǔ)電電容Cstorage、電壓Vstor的最大值Vh和標(biāo)簽速度v給定時(shí)，通過最大化Iavg和Dx的乘積可以實(shí)現(xiàn)最佳性能。參數(shù)Iavg和Dx都與RF-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和架構(gòu)有關(guān)。實(shí)際上，Iavg是RF-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)量，必須將靈敏度和PCE雙雙提高。資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)中的無線電力傳輸需要處理千差萬別的功率狀況。事實(shí)上，根據(jù)讀取器與標(biāo)簽的間距、天線方向、發(fā)射通道數(shù)量，輸入功率在從極低到較高的范圍內(nèi)變化，更嚴(yán)重的是，可用輸入功率大小可能是隨機(jī)變化的。
在本文提出的系統(tǒng)中，資產(chǎn)標(biāo)簽在經(jīng)過讀取器時(shí)需要處理輸入功率的巨大變化。當(dāng)位于讀取器掃描范圍的最遠(yuǎn)端時(shí)，標(biāo)簽接收到能量很小；隨著標(biāo)簽逐漸接近讀取器，收到的能量越來越高。標(biāo)準(zhǔn)RF-DC轉(zhuǎn)換器體系結(jié)構(gòu)僅優(yōu)化標(biāo)簽距離讀取器相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)的接收靈敏度，不適用本文提出的系統(tǒng)。同理，僅優(yōu)化標(biāo)簽在某一特定輸入功率時(shí)的PCE性能，盡管當(dāng)標(biāo)簽靠近讀取器時(shí)效果良好，但也不勝任本文提出的系統(tǒng)。當(dāng)然，在靜態(tài)工作條件下，讀取器和標(biāo)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(qiáng)人意。不幸的是，對(duì)于典型的RF-DC電路架構(gòu)，很難同時(shí)優(yōu)化靈敏度和PCE性能，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)往往是相互對(duì)立的。
因此，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)需要具有利用MPPT技術(shù)在較大范圍內(nèi)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(cè)量輸入功率。然而，這在超低功率環(huán)境中并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的事情，因?yàn)檫@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(tǒng)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)于這一專題，參考文獻(xiàn)[79]提出了一種創(chuàng)新技術(shù)，介紹了如何通過監(jiān)測(cè)復(fù)制和空載的通用能量采集器(RF-DC轉(zhuǎn)換器)的輸出DC開路電壓，有效、動(dòng)態(tài)地跟蹤標(biāo)簽接收到的輸入功率。
CMOS RF-DC轉(zhuǎn)換器的典型結(jié)構(gòu)是一系列級(jí)聯(lián)倍壓器，即經(jīng)典的兩級(jí)Dickson電荷泵[80]。達(dá)到系統(tǒng)要求的靈敏度功率值必需使用多級(jí)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(shù)情況下就是靈敏度功率值。系統(tǒng)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(jí)數(shù)NoS保持不變，則隨著輸入功率變高，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(jí)RF-DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)，射頻功率分為三個(gè)等級(jí)：P1 = 18 dBm（靈敏度功率值），P2 = 12 dBm和P3 = 6 dBm。
圖5. 靜態(tài)RF-DC轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)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(fù)和優(yōu)化PCE性能，必需根據(jù)已知輸入功率Pin改變轉(zhuǎn)換器的級(jí)數(shù)NoS。此外，圖6還給出了一個(gè)三級(jí)RF-DC轉(zhuǎn)換器的三種不同設(shè)置，即N1 = 6，N2 = 4和N3 =2。當(dāng)級(jí)數(shù)最高時(shí)，NoS = N1 = 6，PCE數(shù)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，通過將級(jí)數(shù)減少到NoS = N2 = 4，可以實(shí)現(xiàn)最大PCE。當(dāng)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(jí)數(shù)必須減到NoS = N3 = 2。
圖6. 動(dòng)態(tài)RF-DC轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)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(tǒng)中，按照本文提出的設(shè)計(jì)建議，RF-DC轉(zhuǎn)換器采用868 MHz頻率。有限狀態(tài)機(jī)（FSM）電路發(fā)出數(shù)字信號(hào)NoS，用于確定RF-DC轉(zhuǎn)換器的最佳級(jí)數(shù)，如圖1所示。超低功耗管理單元通過開路電壓Voc信號(hào)測(cè)量輸入接收功率。這些功能使系統(tǒng)在靈敏度和PCE性能之間找到最佳平衡點(diǎn)。
當(dāng)無電池BLE標(biāo)簽跨過讀取器間距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(biāo)簽之間的距離x的函數(shù)。因此，下面是無電池BLE標(biāo)簽跨越讀取器間距Dx時(shí)接收到的平均充電電流Iavg的計(jì)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)射天線的增益、讀取器與節(jié)點(diǎn)之間的最小和最大距離Dy和Dmax、RF-DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率和 PCE效率。圖8是RF-DC轉(zhuǎn)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(jié)點(diǎn)之間的最小距離Dy為0.5 m，RF-DC轉(zhuǎn)換器靈敏度準(zhǔn)許讀取器與節(jié)點(diǎn)之間最大距離Dmax為1.5 m。表征測(cè)試頻率868 MHz，讀取器發(fā)射功率設(shè)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[81]。
圖8. 在868 MHz時(shí)RF-DC輸出電流與標(biāo)簽至讀取器間距的關(guān)系
4.速度測(cè)量
本部分介紹如何測(cè)量一個(gè)配備無電池BLE標(biāo)簽的資產(chǎn)，以恒定速度v通過資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)時(shí)的速度。測(cè)速場(chǎng)景與圖4所示的場(chǎng)景相同，資產(chǎn)標(biāo)簽通過多個(gè)排成一條直線的間距相等的射頻讀取器。下面是標(biāo)簽速度v的計(jì)算公式：
公式(7)表示如何根據(jù)BLE標(biāo)簽發(fā)射第一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)所穿過的讀取器數(shù)量NoR來估算資產(chǎn)的移動(dòng)速度，其中Vh、Iavg、Dx、Cstorage等參數(shù)都在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就確定下來了。
在實(shí)際系統(tǒng)中，這個(gè)公式相當(dāng)于在無電池BLE標(biāo)簽完成初始啟動(dòng)，向讀取器發(fā)送數(shù)據(jù)后，獲悉已收到標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取器的序號(hào)。通過計(jì)算已收到RSSI(最高接收信號(hào)強(qiáng)度)信號(hào)的讀取器的數(shù)量,可以確定讀取器序號(hào)。將RSSI與BLE廣播數(shù)據(jù)包中包含的發(fā)射功率信息一起使用，還可以確定信號(hào)的路徑損耗，并通過下面的公式確定設(shè)備的距離：
這個(gè)計(jì)算結(jié)果可以幫助優(yōu)化定速資產(chǎn)運(yùn)送系統(tǒng)（例如傳送帶）的成本。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要專門的傳感器來檢測(cè)物體的移動(dòng)速度，因?yàn)樵撔畔⑹窍到y(tǒng)固有參數(shù)。實(shí)際上，可以通過獲悉讀取器檢測(cè)到的RSSI以及標(biāo)簽首次發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)所經(jīng)過的讀取器的數(shù)量，來估計(jì)資產(chǎn)的運(yùn)輸速度。因此，通過在BLE讀取器和無電池BLE資產(chǎn)標(biāo)簽之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的RF WPT，該系統(tǒng)可以同時(shí)完成資產(chǎn)識(shí)別、速度檢測(cè)和控制功能，而無需安裝硬件速度傳感器。
5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
出于實(shí)驗(yàn)?zāi)康模疚奶岢龅母櫹到y(tǒng)被開發(fā)出來并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)際系統(tǒng)規(guī)定讀取器與標(biāo)簽的最小距離Dy = 0.4 m。系統(tǒng)芯片的實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果顯示，在讀取器與標(biāo)簽的最大距離Dmax = 1.5 m時(shí)，平均電流為1 A，根據(jù)公式（9），算出讀取器間距Dx是2.9 m。
標(biāo)簽BLE芯片加2V偏置電壓，配置為無法連接的無目標(biāo)廣播模式，發(fā)射32字節(jié)廣播數(shù)據(jù)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(jì)約36 J，即BLE芯片從Cstorage電容器中消耗36 J電能。根據(jù)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(tǒng)芯片的130 m CMOS技術(shù)所允許的最大工作電壓定義的。設(shè)定Vl= 2V，是為了給BLE芯片加1.8V偏置穩(wěn)壓，給DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)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(biāo)簽中使用了一個(gè)330 F的Cstorage電容器。實(shí)驗(yàn)裝置包括四個(gè)讀取器、便攜式示波器、機(jī)器人和無電池BLE標(biāo)簽。把讀取器排列成正方形，相鄰讀取器2.9 米等長(zhǎng)間距。每個(gè)讀取器都設(shè)為27 dBm發(fā)射功率。在測(cè)量過程中，標(biāo)簽連接便攜式示波器，通過機(jī)器人恒速與讀取器平行移動(dòng)，標(biāo)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(cè)量數(shù)次。圖9-11所示的波形描述了在初始啟動(dòng)及以后的過程中電壓Vstor的變化情況。這些數(shù)據(jù)是從其中一次測(cè)量中提取的，并給出了示波器獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些圖表還給出了根據(jù)標(biāo)簽速度v、讀取器間距Dx、RF-DC轉(zhuǎn)換器輸出的平均電流Iavg、Vstor電壓最大值Vh和儲(chǔ)電電容等實(shí)驗(yàn)條件。
此外，這些圖表還給出了通過公式（5）推算出的理論上的讀取器數(shù)量NoR。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與以前的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值有良好的相關(guān)性。還可以觀察到，在初始啟動(dòng)期間，電壓Vstor不會(huì)連續(xù)上升，而是根據(jù)標(biāo)簽的移動(dòng)速度階梯式上升。由于標(biāo)簽連續(xù)通過四個(gè)讀取器，因此，標(biāo)簽在初始啟動(dòng)后繼續(xù)保持充電和發(fā)射狀態(tài)。充放電模式似乎是不規(guī)則的，并且不是周期性的，因?yàn)樵跇?biāo)簽通過讀取器的過程中，Cstorage電容的瞬間充電電流隨著標(biāo)簽的移動(dòng)而變化。因此，可以觀察到，當(dāng)標(biāo)簽逐漸接近讀取器時(shí)，電壓Vstor的上升速率非常快，而當(dāng)標(biāo)簽逐漸遠(yuǎn)離讀取器時(shí)，上升速率較慢。充電電流的不連續(xù)性是產(chǎn)生不規(guī)則且非周期性的充放電模式的原因，這與通過WPT為靜止標(biāo)簽充電的情況完全不同。這些圖表證明公式（5）的估算結(jié)果是正確的。在資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)中，初始啟動(dòng)是指資產(chǎn)第一次被跟蹤識(shí)別的事件，完成初始啟動(dòng)階段所需的讀取器數(shù)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(shù)量NoR越多。最后，標(biāo)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(biāo)簽以0.05 m/s的速度穿過讀取器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖10.標(biāo)簽以0.1 m/s的速度穿過讀取器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖11.標(biāo)簽以0.2m/s的速度穿過讀取器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
系統(tǒng)功能驗(yàn)證測(cè)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(yàn)裝置包括一條傳送帶、六個(gè)便攜式讀取器、無電池BLE標(biāo)簽和便攜式示波器。傳送帶長(zhǎng)18 m，六個(gè)讀取器設(shè)為連續(xù)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(biāo)簽間距Dy = 0.4 m，如圖12所示。圖13是標(biāo)簽和測(cè)量標(biāo)簽的便攜式示波器。在完成初始啟動(dòng)階段前，標(biāo)簽一直在讀取器之間往返移動(dòng)。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)簽安裝了一個(gè)330 F的Cstorage電容器，在跨過第 33個(gè)讀取器后，完成初始啟動(dòng)階段，與公式（5）的計(jì)算結(jié)果相符。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，Cstorage電容降到100 F，越過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(jié)果。
這些實(shí)驗(yàn)重復(fù)做三遍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。
圖12.實(shí)驗(yàn)裝置：讀取器的放置和安裝在傳送帶上的標(biāo)簽及標(biāo)簽所連的示波器。
圖13.實(shí)驗(yàn)裝置：安裝在傳送帶上的標(biāo)簽及標(biāo)簽所連示波器。
6.結(jié)論
本文詳細(xì)介紹了一個(gè)基于RF WPT技術(shù)的無電池BLE標(biāo)簽資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)，研究目的是探索有助于最大程度減少射頻讀取器數(shù)量的設(shè)計(jì)見解和最佳解決方案。本著這個(gè)研究目的，本文選擇了基于WPT和BLE通信的系統(tǒng)架構(gòu)，提出一個(gè)利用最大電壓Vh、RF-DC轉(zhuǎn)換器的靈敏度和PCE、標(biāo)簽的移動(dòng)速度、能耗等系統(tǒng)參數(shù)，計(jì)算所需最少讀取器數(shù)量NoR的數(shù)學(xué)模型。本文還開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并采用該方法計(jì)算讀取器的最小數(shù)量。數(shù)學(xué)模型還針對(duì)專門設(shè)計(jì)和表征的RF-DC轉(zhuǎn)換器的特定電路體系結(jié)構(gòu)，提供了系統(tǒng)設(shè)計(jì)見解和指導(dǎo)原則。此外，本文還提供了無電池BLE資產(chǎn)跟蹤標(biāo)簽的速度和讀取器數(shù)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。最后，為證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與所提出模型之間的一致性，所提出的計(jì)算最小讀取器數(shù)量和測(cè)量速度的方法的可行性，本文進(jìn)行了實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試。
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