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

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：

   (6)

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：

   (7)

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：

   (8)

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 = 0.4m。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。

   (9)

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。

   (10)

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V_stor 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，C_storage 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