基于射頻無(wú)線(xiàn)電力傳輸供電的無(wú)電池資產(chǎn)跟蹤模塊的先進(jìn)監控系統

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2.4GHz 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1. 射頻無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統

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，V_stor 電壓開(kāi)始上升，直到最大值V_h 為止。此時(shí)，超低功耗管理單元驅動(dòng)DC/DC 轉換器，通過(guò)V_out 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C_storage 電容器不可避免地會(huì )放電。實(shí)際上，如圖3 所示，C_storage 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)V_out 電壓下降。因為電壓V_out 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，14dBm 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。V_stor 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V_stor 從0V 上升到最大電壓V_h，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P_av、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V_stor 不是連續上升，而是階梯式上升。圖4 所示是電壓V_stor 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C_storage 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V_stor 的關(guān)系變化