作者/葛明，張翔，楊春宇，李金蕾( 西安電子科技大學 微電子學院射頻系統晶片研究組，陝西 西安 710071)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201902/397974.htm摘要：針對倉庫火災發生的原因中：私拉線路，下班、夜間預警能力低，該作品做了針對性的規劃為，具有無線供電功能的夜間火災報警系統，白天天線通過無線供電模塊為電池充電存儲電能，夜間啟動低功耗的傳感器模塊，檢測溫度和光照強度，進行對周圍環境溫度和光強的監測，並通過MCU判斷是否超過閾值以啟動警示燈進行火災預警。該作品適用於倉庫的夜間防火，由於倉庫屬性，不方便布線，也不具備條件搭載其他能源系統，應用該設計時減少了布線成本，美觀方便，無源狀態下的實測無限供電距離為1.4 m，由於傳感器模塊功耗極低，備用電池單次充電後的有效工作時間至少為11個月。
關鍵詞：無線供電;boost電路;單片機;溫度/光強傳感模塊;智能警報
0 引言
本設計為具有無線供電功能的夜間火災報警系統，白天天線通過無線供電模塊為電池充電存儲電能，夜間啟動低功耗的傳感器模塊，檢測溫度和光照強度，進行對周圍環境溫度和光強的監測，並通過MCU判斷是否超過閾值以啟動警示燈進行火災預警。
系統通過接收射頻能量，經過整流、升壓、能量存儲，將射頻能量收集在電容中。在RF-DC電路中使用L型阻抗匹配網絡對電路進行阻抗匹配，經過整流和濾波電路，將電荷存儲在電容器中。因為此時的電路輸出電壓較小，所以需要DC-DC升壓電路，本文採用boost(升壓)電路對電壓進行升高。通過射頻能量收集技術來收集環境中的能量以此來為他們自身供電，或者實現在沒有電池的情況下工作，比如通過給小電容充電。環境中射頻能量的收集是通過天線和整流器來實現的。在環境能量較大，距離較近時，能量獲取的轉換效率較高，但是隨著環境能量的減小，距離的增大，能量獲取的轉換效率不斷下降。這些問題通過添加多級的整流電路和對器件性能參數進行補償等方法得到了初步的改善，但仍需要進一步的研究改進。
1 設計電路的基本結構及主要原理
1.1 無線充電模塊的基本結構
天線模塊部分，為了實驗方便及降低成本，使用實驗室器材：某品牌射頻信號發生源發射30 dBi的射頻信號，使用兩塊功率為9.2 dBi的天線作為發射天線和接收天線，在信號發生源與無線充電模塊之間傳遞能量。
無線充電模塊對環境中的能量進行獲取，首先要將能量通過天線收集傳輸到電路中，通過RF-DC電路，將射頻能量轉換為直流能量，然後儲存在一個電容器中。因為此時的直流能量較小，輸出電壓較低且不穩定，所以需要一個DC-DC電路，來對前級電路的輸出電壓進行升壓操作，以確保輸出電壓可以正常使用。
為一個環境射頻能量收集系統的大致框圖，由圖1可以看出，一個環境射頻能量收集系統主要是由四部分組成。首先環境中的射頻能量被天線接收，天線在輸出端產生一個交流信號，信號經過整流器進行整流操作，輸出一個直流信號，達到RF轉DC的目的。天線和整流器通常一起組成一個整流天線。DC-DC模塊將直流信號進行升壓操作。升壓轉換器的關鍵點在於，在超低的輸入電壓情況下處於冷啟動狀態。並且要高效輸出一個可用的輸出電壓。最後，輸出的直流能量存儲在一個電容器中進行帶載操作。
1.1.1 RF-DC電路的電路結構
如圖2所示，為RF-DC的電路結構圖。可以看出，射頻能量通過天線接收後，產生一交流信號進入電路，電容C1起到一定的隔直流通交流的作用。交流信號到達節點N時，當N處的電壓的絕對值小於二極體的導通電壓時，兩個二極體處於截止狀態。當節點N處的正電壓大於2號二極體的導通電壓時，2號二極體導通，1號二極體截止，再輸出得到一個負電壓。當到達節點N的負電壓絕對值大於1號二極體的導通電壓時，1號二極體導通，2號二極體截止，節點N的負電壓到達輸出端。經過整流網絡整流的信號經過C2和C3組成的濾波網絡。大電容C3在較低頻率時能夠提供很好的通路，在高頻時由於寄生電感的存在將無法提供濾波通路。而小電容C2在較低頻率時阻抗太大無法提供濾波通路，在高頻時可以提供很好的濾波通路。最後將直流能量存儲在較大的電容C3中。
1.1.2 DC-DC電路的電路結構
前級RF-DC電路的輸出電壓較低，無法正常驅動負載，而且輸出電壓不穩定。所以需要後級的升壓電路對前級電路輸出電壓進行電壓的升高操作。本文的升壓模塊採用的是boost(升壓)電路。如圖3所示為DC-DC電路的具體電路結構。
圖4 中的DC-DC電路的測試結果示意如圖所示。
對被壓電路的測試如圖所示中，可以看出在一定範圍的內升壓效果為放大13倍左右，但當升壓電路的輸入電壓超過2 V之後，升壓效果變差。由於我們後續模塊的工作電壓大致在3 V左右，因此處在倍壓效果比較好的範圍內。
最終由上述兩部分電路構成了能量獲取模塊的總體電路，如下圖5所示。
1.1.3 能量獲取系統的理論計算
天線理論中最重要的公式—Friis公式，它將發射功率、天線增益、距離、波長和接收功率聯繫起來。Friis公式是用來計算從發射天線傳輸到接收天線的功率：
其中，PTX、PRX分別是發射和接收功率，分別是發射和接收天線增益，λ是射頻波的波長，r是發射天線和接收天線距離。
要計算最遠充電距離，必須知道接收端需要的最小輸入功率，參考RF-DC電路，在滿足後級最小供電電壓1.8 V的條件時，接收功率需要5 dB。實驗使用發射機發射功率 PTX=3 dBm，發射天線增益GTX=6 dB，接收天線增益GRX=6 dB，發射頻率900 MHz，理論計算得到最遠充電距離為1.87 m。
2 能量獲取電路的PCB實物有線與無線測試
經過PCB的繪製，最終實現能量獲取系統的實物如圖6所示。該系統中已經加入了L型阻抗匹配網絡。在頻率為920 MHz，輸入射頻信號從30 dB開始依次下降的情況下，對電路的輸出電壓進行有線測試。測試結果如表1所示。
在完成了對能量獲取系統的有線測試，測試結果如表2，對其無線性能進行測試。注意到無線情況空間中能量衰減，為保證安全性，射頻源及發射天線的輸出信號功率和控制為36 dB，改變天線接收距離測量經過電路後的電壓輸出值並列表進行對比。已知單片機模塊工作所需的最小供電電壓為1.8 V，列表查找滿足無線充電電壓要求的最大距離。
2.1 電池組
對於該設計可以有兩種模式進行：通過無線充電模塊直接為傳感模塊供電進行工作;也可先為預製的電池組充電，當射頻源無法正常工作時啟動電池組為傳感控制模塊供電。
預製的電池組模塊由兩枚3.7 V的蓄電池組成，對無線充電模塊產生的電能進行收集。實際中，MCU靜態平均功耗為20 μA，光照傳感器MAX44009靜態功耗1 μA。若將總功耗按25 μA計算，在使用該電池組時，單次為電池充滿電系統在有源模式可以連續工作11個月。
2.2 溫度傳感模塊
在該模塊中，我們利用了主晶片「MSP430G2553」的偏上溫度傳感器和外接設備的光照傳感器「max44009」進行溫度和光強的檢測，同時達到降低功耗的目的。
2.2.1 設計流程圖
整體把握該模塊的實現方式之後，規劃合理的流程圖，如圖7所示。
首先對各部分進行初始化，包括：顯示屏的初始化、時鐘初始化、監控模塊的初始化、I/O埠的初始化及溫度傳感器和光照傳感器的初始化。進行溫度傳感器和光照傳感器的數據讀取和轉化，並通過接口傳入OLED 屏幕進行顯示。同時將數據傳入MCU判斷是否高於設定閾值，是則點亮LED燈進行預警，否則結束該次循環。
2.2.2 模塊的設計實現
該模塊的系統原理圖如圖8所示：包括了六個主要部分：電源部分，閾值報警LED部分，OLED 屏幕顯示部分，光照傳感器部分，MCU最小系統及溫度傳感器部分及下載、調試接口部分。
電源部分主要對整個系統前端電池組的輸出電壓和輸出電流進行穩壓和整流作用，使該模塊對前端電路的電壓電流穩定度的依賴降低，因而該模塊的輸入電壓在 3.3 V~6.5 V之間即可正常工作。閾值報警LED部分，主要作用在溫度傳感器和光強傳感器的傳輸數據高於設置的閾值溫度或光強時，啟動LED常亮，產生預警作用。OLED 屏幕顯示部分控制字符顯示、顯示溫度和光強數據。光照傳感器和溫度傳感器對外界溫度光強做出反應，讀取數據、轉換數據並傳輸數據到MCU。MCU最小系統對傳輸的數據進行判斷並作出應答和反饋。通過下載及調試接口對該模塊進行代碼編寫燒錄和運行。
2.2.3 代碼及板級實現
將各部分模塊代碼編譯完成，通過頂層模塊進行調用，並對所設閾值進行判定，如圖所示，為了便於演示和測量，我們將閾值設為當溫度大於28攝氏度或者光照強度大於1000 Lux時使電路控制LED燈點亮，以起到警示和降低功耗的雙重目的。
為方便示範和測量檢測，後期對電路進行規劃布局，將各部分的電路集成到一塊PCB上，形成完整穩定的傳感器模塊，並可通過預留的接口對閾值進行調節和更改。完成的最終PCB版圖如下。
3 結論
至此，該作品的講解結束，目前依舊存在一些問題有待解決，比如無線供電距離不夠長;為降低傳感器模塊功耗所測數據較少，有待希望增加其他傳感數據，例如煙霧傳感器等。
隨著科技的進步與發展，越來越多的設備變得智能化，高效的使用能量獲取技術取代電池來為傳感器供電變得越來越被公眾所關注。根據環境中射頻能量的分布特點，設計使用多頻段的能量獲取電路可以有效提高電路的輸出功率，提高對環境中射頻能量的利用率。同時，能量獲取電路可獲取的最低輸入功率也有望會越來越小，通過對射頻整流器性能的提升，可以有效降低能量獲取電路在充電階段的功耗，進而使能量獲取電路的最低輸入功率進一步減小。希望之後有機會將該作品更加完善，使用更加穩定，並擴大適用範圍，適應更多的使用場景。
參考文獻
[1]Feldmeier M,Paradiso J A.Personalized HVAC System[R/OL].Internet of Things (IOT), IEEE,Tokyo,(2010-12).http://dblp.uni-trier.de/db/conf/iot/iot2010.html#FeldmeierP10.
[2]Kim S,Vyas R,Bito J,et al.Ambient RF energy-harvesting technologies for self-sustainable standalone wireless sensor platforms.Proc. IEEE, 2014(11):1649–1666.
[3]Parks A N,Sample A P,Zhao Y,et al.A wireless sensing platform utilizing ambient rf energy)[C].Proc. IEEE Conf on Biom. Wireless Tech., Networks and Sensing Systems. (BioWireleSS.Austin, TX, Jun. 2013, pp. 154–156.
[4]Gudan K,Shao S,Hull J J,et al.Ultra-low Power 2.4 Ghz RF Energy Harvesting and Storage System with -25 dBm Sensitivity[C].IEEE RFID Conference, San Diego, California, 2015.
[5]毛景魁,李曉慧.鋰電池並聯的Boost升壓電路設計與仿真[J].實驗室研究與探索,2012, 31(9):214-218.
[6]王偉印.用於射頻能量收集的集成RF-DC轉換器的開發[D].杭州：浙江大學, 2017.
[7]邊莉.Vivaldi超寬帶天線設計及FDTD研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學,2006.
[8]王光奇.基於ARM的遠距離雙頻讀卡器系統的研究[D].成都：西華大學,2008.
[9]胡漢才.單片機原理及系統設計[M].北京：清華大學出版社, 2002.
作者簡介：
葛明(1994-)，男，研究生，主要研究方向：射頻電路/系統驗證/數字IC電路設計方面學習研究。
張翔(1995-)，女，研究生，主要研究方向：數字IC前端設計方面的學習研究。
楊春宇(1994-)，男，研究生，主要研究方向：模擬IC電路設計/系統驗證方面的學習研究。
李金蕾(1996-)，女，研究生，主要研究方向：數字IC後端設計方面的學習研究。
本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第3期第53頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處