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

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V_stor 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DV_stor，如下面的公式所示：     (1)

V_stor 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：   (2)

其中C_storage 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：   (3)

根據公式(3), 公式(2)可以改寫(xiě)為:   (4)

最后，公式(1)可以改寫(xiě)為:   (5)

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C_storage、電壓V_stor 的最大值V_h 和標簽速度v 給定時(shí)，通過(guò)最大化I_avg 和Dx 的乘積可以實(shí)現最佳性能。參數I_avg 和Dx 都與RF-DC 轉換器的設計和架構有關(guān)。實(shí)際上，I_avg 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。

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)，N_oS = N1 = 6，PCE 數值在最低輸入功率P_in= P1 = 18 dBm 時(shí)最大。如果功率增加到P_in = P2 = 12 dBm，通過(guò)將級數減少到N_oS = N2 = 4，可以實(shí)現最大PCE。當輸入功率進(jìn)一步增加到P_in = P3 = 6 dBm 時(shí)，要想獲得最高PCE，級數必須減到N_oS = N3 = 2。

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

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.

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)。圖7 是RF-DC 轉換器的輸入功率關(guān)系。

圖7. 在868 MHz 時(shí)PCE 與輸入功率的關(guān)系.