基于射頻無線電力傳輸供電的無電池資產(chǎn)跟蹤模塊的先進監(jiān)控系統(tǒng)

本文還評測了一款RF WPT 供電節(jié)點專用系統(tǒng)芯片(SoC)的性能特性和主要功能，提出一個創(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題的RF-DC 轉換解決方案，還提供一個能夠計算資產(chǎn)識別和測速所需讀取器數(shù)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監(jiān)控系統(tǒng)可行性的實驗結果。

1.前言

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術及聯(lián)網(wǎng)設備和智能解決方案的開發(fā)應用，讓有望顯著改善人們日常生活的新興無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)取得空前發(fā)展^[1]。無線智能傳感器節(jié)點預計會出現(xiàn)在與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關的所有新興應用領域^[2]。實際上，針對智慧城市、家庭自動化、辦公自動化，有些企業(yè)已經(jīng)推出了旨在提高服務質量、舒適性、安全性和能效的無線傳感器網(wǎng)絡平臺^[3-9]。因為能夠跟蹤資產(chǎn)、個人物品等物資的準確位置和運輸狀況，無線傳感器網(wǎng)絡還是資產(chǎn)跟蹤應用的理想選擇^[10]。在這個應用領域，傳感器節(jié)點向無線網(wǎng)絡發(fā)送與資產(chǎn)的存在、品名、位置和移動速度相關的信息。因為系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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格低廉、免維護的非一次性設備^[11-13]。一個切實有效的資產(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單標簽應答器相比有很大的不同。如今，無線傳感器節(jié)點是一種更加復雜的有感知、分析和通信功能的設備^[16]，不過，它們對電能的需求也變得更大，必需使用電池才能滿足供電需求，導致廠商的系統(tǒng)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的最大吞吐量是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點最顯著的性能特征^[2,5]。通過整合高能效通信方案與低功耗設計，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點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)絡設計廣泛使用免許可的ISM (工業(yè)、醫(yī)學和科學) 頻段的無線協(xié)議，例如，ZigBee [18]、Bluetooth 和Bluetooth Low Energy（BLE）[19]。尤其是BLE 低能耗藍牙協(xié)議，可降低功耗，易于設置，連接智能設備簡單^[20-22]。通過戰(zhàn)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)化無線通信協(xié)議，可以實現(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，因為電池會在成本、重量和尺寸方面帶來更多的問題，電池壽命和系統(tǒng)維護就更不用說了。此外，電池和超級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)絡的維護問題不僅僅體現(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功耗，可以大幅降低電池電量的消耗^[26-34]，延長電池壽命，進一步縮減系統(tǒng)體積，減少維護干預次數(shù)。將射頻無線電力傳輸(WPT)技術用于遠距離無線充電，也可以方便電池供電節(jié)點的維護工作^[35–40]。雖然這些解決方案可以幫助緩解系統(tǒng)維護和小型化相關問題，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用中，更可取的解決辦法是開發(fā)無電池設備，其明顯優(yōu)勢是非一次性產(chǎn)品，使用壽命幾乎無限，成本效益更高，可用于電池可能會引發(fā)危險的環(huán)境^[41–45]。由于這些原因，無電池解決方案風生水起^[43,46–49]，越來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。開發(fā)高能效的WPT 和RF EH 應用并非易事，因為即使射頻能量無所不在，并且能夠發(fā)射到視線看不到的地方，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域，研究在無線傳感器網(wǎng)絡基礎設施中，在電能發(fā)射器(讀取器)與射頻自供電的無電池 BLE 標簽之間使用RF WPT 技術，探討使用無電池BLE 標簽設計資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)所面臨的技術挑戰(zhàn)，并提出相應的解決方案。在讀取器和標簽的間距隨時變化的動態(tài)環(huán)境中，標簽以某一速度相對于讀取器移動。這項研究的顯著特點是，在移動環(huán)境中進行RF WPT 充電，通過BLE 技術傳輸數(shù)據(jù)。這項研究的重點是估算為移動標簽連續(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 實現(xiàn)自供電，測量資產(chǎn)移動速度，生成時域讀數(shù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)機制傳輸數(shù)據(jù)。最后，本文提供了資產(chǎn)識別測速所需的最佳讀取器數(shù)量、基礎設施設計策略和數(shù)學模型。

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

2.系統(tǒng)說明

遠距離射頻無線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)用于為無電池BLE 資產(chǎn)標簽遠程供電。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)架構基于雙頻系統(tǒng)，WPT 輸電和數(shù)據(jù)通信兩個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需許可的ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學)頻段，載波中心頻率868 MHz。讀取器與資產(chǎn)標簽的數(shù)據(jù)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。事實上，尺寸限制與自由空間路徑損耗最小化這兩個要求是相互對立的，因為標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，傳輸功率將會衰減30 dB (1/1000)，然后每10 米就會繼續(xù)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)或者一個更大量級。這突出表明，能量傳輸效率低是RF WPT 技術固有缺點，因此，需要對新架構和設計參數(shù)選擇進行持續(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為物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器節(jié)點等低功耗設備供電的便捷方式[54,69,70]。數(shù)據(jù)通信使用一個BLE 射頻芯片，因為跟蹤系統(tǒng)需要一個符合相關數(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計得非常小。實際的BLE 讀取器是由一個低功耗射頻sub-GHz 收發(fā)器和一個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BLE 芯片是意法半導體的符合藍牙5.0 規(guī)范的BLE 系統(tǒng)芯片BLUENRG-2。標簽系統(tǒng)體系架構是由兩顆芯片組成。無線電力傳輸專用系統(tǒng)芯片接收并轉換射頻能量，標簽數(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)芯片對資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)性能至關重要，我們將用數(shù)學方法證明，RF-DC 轉換器的PCE 效率和靈敏度性能在確定讀取器數(shù)量過程中的重要性。顯然，這兩個參數(shù)性能高會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2 W 自供電芯片，集成一個寬帶(350 MHz-2.4 GHz)RF–DC 能量轉換器，在868 MHz頻率時，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)靈敏度高低的關鍵。圖1 描述了該系統(tǒng)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(shù)字有限狀態(tài)機（FSM）和DC/DC 轉換器。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 轉換器將射頻能量轉換為直流電能，通過輸出引腳Vdc 向外部儲電電容器C_storage 充電。此外，RF-DC 轉換器還產(chǎn)生一個直流開路電壓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 這三個單元組成一個閉環(huán)。根據(jù)Voc 信號間接測量到的輸入射頻功率，數(shù)字信號總線實時更新Nos 信號，為RF-DC 轉換器選擇正確的級數(shù)（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(zhí)行最大功率點跟蹤(MPPT)運算，在射頻輸入功率變化過程中從射頻提取最大的能量。這個原理概念將在第3 部分中詳細討論。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換為直流電壓Vdc，充入外部儲電電容器Cstorage。在輸入功率相同的條件下，靜態(tài)電流越低，傳輸?shù)絻﹄婋娙萜鞯膬綦娏骶驮酱?。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 設備配置為無法連接的無目標廣播模式，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 設備未連接到任何網(wǎng)絡，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，速度等）^[71]。當標簽接收到讀取器發(fā)射的能量時，儲電電容器充電，V_stor 電壓開始上升，直到最大值V_h 為止。此時，超低功耗管理單元驅動DC/DC 轉換器，通過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，藍牙電路激活，然后廣播數(shù)據(jù)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放電。實際上，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(tǒng)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，就會立即拉高“ shdnb”信號，觸發(fā)系統(tǒng)芯片內部的有限狀態(tài)機(FSM)重置“ en”信號，關閉DC/DC 轉換器，同時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，這些要求會隨BLE 設備的廣播數(shù)據(jù)包長度和輸出發(fā)射功率配置而變化。例如，若BLE 設備加2V 平均偏置電壓，配置為無法連接的無目標廣播模式，14dBm 發(fā)射功率，傳輸32 字節(jié)廣告數(shù)據(jù)包，則激活過程時間估計約2.4 毫秒，激活過程平均電流估計約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，激活過程預估時間不會改變，因為這個參數(shù)僅與廣播數(shù)據(jù)包的長度有關；激活過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(shù)據(jù)包長度也會影響B(tài)LE 發(fā)送數(shù)據(jù)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(jié)廣播數(shù)據(jù)，則激活過程時間估計減到2 毫秒，激活過程平均電流估計約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(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)芯片的一個獨有功能，可以與任何物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點建立閉環(huán)通信^[72]。在本案例研究中，工作環(huán)境是典型的動態(tài)資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)，資產(chǎn)相對于讀取器以特定速度v 移動。需要注意的是，在這種情況下，標簽不是靜止不動的，并且接收到的能量不能視為恒定能量。因此，該節(jié)點必須途經(jīng)若干個讀取器才能完成初始啟動，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(shù)量取決于BLE發(fā)射廣播數(shù)據(jù)包所需電能、為儲電電容器充電的平均功率P_av、標簽的移動速度v。值得注意的是，標簽是移動的，功率Pav 不是恒定的，因此，在標簽初始啟動期間，電壓V_stor 不是連續(xù)上升，而是階梯式上升。圖4 所示是電壓V_stor 在初始啟動期間和穩(wěn)態(tài)時的行為特性。該圖描述一個正在向前移動的標簽，但值得注意的是，標簽的移動方向與無線電力傳輸過程無關?？梢杂^察到，該節(jié)點必須途經(jīng)若干個讀取器才能完成初始啟動，所需讀取器的具體數(shù)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(tǒng)設計，包括一些設計見解，并討論如何根據(jù)BLE 射頻所需的能量和標簽移動速度等已知系統(tǒng)規(guī)范，推導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V_stor 的關系變化