編者按：涉及精準定位和運輸數據的資產跟蹤模塊，非常適合組建無電池節點的無線傳感器網絡(WSN)。無電池的網絡節點幾乎可以部署在任何環境中，對維護工作的需求很少甚至沒有。為了滿足市場對先進無電池傳感器標籤解決方案日益增長的需求，本文提出一個在無線傳感器網絡中識別資產和監測資產移動速度的跟蹤系統，無電池的資產標籤通過射頻無線電力傳輸(WPT)架構接收數據通信所需電能，並採用一個獨有的測速方法生成時域速度讀數。
本文還評測了一款RF WPT 供電節點專用系統晶片(SoC)的性能特性和主要功能，提出一個創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識別和測速所需讀取器數量的設計策略和優化模型，做了模型驗證測試，並提供了證明本文所提出的先進監控系統可行性的實驗結果。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202008/417340.htm1.前言
物聯網(IoT)技術及聯網設備和智能解決方案的開發應用，讓有望顯著改善人們日常生活的新興無線傳感器網絡(WSN)取得空前發展[1]。無線智能傳感器節點預計會出現在與物聯網（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，有些企業已經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絡平臺[3-9]。因為能夠跟蹤資產、個人物品等物資的準確位置和運輸狀況，無線傳感器網絡還是資產跟蹤應用的理想選擇[10]。在這個應用領域，傳感器節點向無線網絡發送與資產的存在、品名、位置和移動速度相關的信息。因為系統傳輸的數據很少，所以對電能和帶寬的要求不高。理想的資產跟蹤 標籤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、電源管理和自發電等功能[14,15]，與僅適用於近距離物品識別的簡單標籤應答器相比有很大的不同。如今，無線傳感器節點是一種更加複雜的有感知、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絡節點最顯著的性能特徵[2,5]。通過整合高能效通信方案與低功耗設計，無線傳感器網絡節點可以將電池壽命延至數月甚至幾年[2]，因此，低功耗無線傳感器網絡設計廣泛使用免許可的ISM (工業、醫學和科學) 頻段的無線協議，例如，ZigBee [18]、Bluetooth 和Bluetooth Low Energy（BLE）[19]。尤其是BLE 低能耗藍牙協議，可降低功耗，易於設置，連接智能設備簡單[20-22]。通過戰略性的硬體和固件協同設計，以及在最終應用中全面優化無線通信協議，可以實現低能耗和高能效。傳統電池供電系統並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，電池壽命和系統維護就更不用說了。此外，電池和超級電容的使用也給系統電源管理帶來問題[23,24]。無線傳感器網絡的維護問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複雜，某些工作環境可能太熱，致使電池無法安全可靠地供電。在正常工況環境中[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，進一步縮減系統體積，減少維護幹預次數。將射頻無線電力傳輸(WPT)技術用於遠距離無線充電，也可以方便電池供電節點的維護工作[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，在使用低佔空比傳感器的應用中，更可取的解決辦法是開發無電池設備，其明顯優勢是非一次性產品，使用壽命幾乎無限，成本效益更高，可用於電池可能會引發危險的環境[41–45]。由於這些原因，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。開發高能效的WPT 和RF EH 應用並非易事，因為即使射頻能量無所不在，並且能夠發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，許多研究人員發表了極具啟發性的論文[50-67]。本文面向這一研究領域，研究在無線傳感器網絡基礎設施中，在電能發射器(讀取器)與射頻自供電的無電池 BLE 標籤之間使用RF WPT 技術，探討使用無電池BLE 標籤設計資產跟蹤系統所面臨的技術挑戰，並提出相應的解決方案。在讀取器和標籤的間距隨時變化的動態環境中，標籤以某一速度相對於讀取器移動。這項研究的顯著特點是，在移動環境中進行RF WPT 充電，通過BLE 技術傳輸數據。這項研究的重點是估算為移動標籤連續供電所需最小讀取器數量，並介紹無任何電池的傳感器如何通過RF WPT 實現自供電，測量資產移動速度，生成時域讀數，並通過物聯網機制傳輸數據。最後，本文提供了資產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模型。
本文詳細討論了RF WPT 供電節點專用系統晶片(SoC)的關鍵特性、體系結構和性能特徵，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 資產標籤的角度介紹系統架構。第3 部分討論WPT 系統的設計方法，其中包括當系統關鍵參數給定時，用於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 部分探討無電池BLE 標籤速度測量系統，介紹如何用RF WPT 和無電池BLE 標籤實現一個能夠生成時域讀數並通過物聯網機制傳輸信息(速度)的速度測量系統。第5 部分介紹系統裝置、實驗結果及其與在設計階段獲得的數據的相關性。第6 部分是結論。
2.系統說明
遠距離射頻無線電力傳輸（WPT）系統用於為無電池BLE 資產標籤遠程供電。圖1 所示是本文提出的資產跟蹤系統的框圖，該系統架構基於雙頻系統，WPT 輸電和數據通信兩個單元使用不同的頻率。對於遠程電力傳輸，標籤讀取器和標籤使用無需許可的ISM(工業、科學和醫學)頻段，載波中心頻率868 MHz。讀取器與資產標籤的數據通信採用2.4GHz ISM 頻段，帶寬80 MHz。讀取器工作頻率的選擇對於電力傳輸非常重要，這需要在標籤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，因為標籤尺寸很大程度上取決於天線尺寸，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後，傳輸功率將會衰減30 dB (1/1000)，然後每10 米就會繼續衰減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選擇進行持續研究。儘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網和無線傳感器節點等低功耗設備供電的便捷方式[54,69,70]。數據通信使用一個BLE 射頻晶片，因為跟蹤系統需要一個符合相關數據交換量和通信速率規範的超低功耗射頻晶片。此外，BLE 射頻晶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 收發器和一個BLE 接收器組成。射頻收發器是意法半導體的Spirit1 晶片，配有最高輸出功率27 dBm 的功率放大器，而BLE 晶片是意法半導體的符合藍牙5.0 規範的BLE 系統晶片BLUENRG-2。標籤系統體系架構是由兩顆晶片組成。無線電力傳輸專用系統晶片接收並轉換射頻能量，標籤數據通信使用與讀取器相同的BLE 射頻晶片。接收射頻能量的系統晶片對資產跟蹤系統性能至關重要，我們將用數學方法證明，RF-DC 轉換器的PCE 效率和靈敏度性能在確定讀取器數量過程中的重要性。顯然，這兩個參數性能高會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晶片是一個2 W 自供電晶片，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電流性能是決定系統靈敏度高低的關鍵。圖1 描述了該系統晶片的體系架構，組件包括RF-DC 轉換器、超低功耗管理單元、數字有限狀態機（FSM）和DC/DC 轉換器。外部天線連接系統晶片的RFin 輸入引腳，用於捕獲射頻能量。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Cstorage 充電。此外，RF-DC 轉換器還產生一個直流開路電壓Voc，用於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。根據Voc 信號間接測量到的輸入射頻功率，數位訊號總線實時更新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 單元形成的環路執行最大功率點跟蹤(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，該系統晶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，靜態電流越低，傳輸到儲電電容器的淨電流就越大。該系統晶片集成了最小靜態電流僅為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. 射頻無線電力傳輸系統
圖2 給出了三種不同的完整的通過三個不同的BLE 廣播頻道發送數據包的BLE 廣播發射方式。BLE 設備配置為無法連接的無目標廣播模式，14 dBm 發射功率，發射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絡，能夠廣播任何類型的信息，包括環境數據(溫度、氣壓、溼度等)、微位置數據（資產跟蹤、零售等）或方向數據（加速度，旋轉，速度等）[71]。當標籤接收到讀取器發射的能量時，儲電電容器充電，Vstor 電壓開始上升，直到最大值Vh 為止。此時，超低功耗管理單元驅動DC/DC 轉換器，通過Vout 為BLE 設備供電。當電壓Vout 高於BLE 設備最低工作電壓（1.8 V）時，藍牙電路激活，然後廣播數據信息。因為藍牙通信所需電流遠高於射頻信號轉化的電流，所以Cstorage 電容器不可避免地會放電。實際上，如圖3 所示，Cstorage 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，工作電流遠高於收集轉化的電能。
圖2. 系統晶片的功能信號
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，觸發系統晶片內部的有限狀態機(FSM)重置「 en」信號，關閉DC/DC 轉換器，同時Vout 電壓下降。因為電壓Vout 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 設備的電能要求範圍內，這些要求會隨BLE 設備的廣播數據包長度和輸出發射功率配置而變化。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 發射功率，傳輸32 字節廣告數據包，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，發射能耗估計約36J。如果發射輸出功率增加到+8 dBm，激活過程預估時間不會改變，因為這個參數僅與廣播數據包的長度有關；激活過程平均電流估計增加到13.4 mA，因此，發射能耗估計上升到65J。廣播數據包長度也會影響BLE 發送數據所需電能。若將BLE 設備配置為14 dBm 發射功率，發送16 字節廣播數據，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，發射能耗估計約28 J。Vstor 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佔空比。這是這款系統晶片的一個獨有功能，可以與任何物聯網節點建立閉環通信[72]。在本案例研究中，工作環境是典型的動態資產跟蹤系統，資產相對於讀取器以特定速度v 移動。需要注意的是，在這種情況下，標籤不是靜止不動的，並且接收到的能量不能視為恆定能量。因此，該節點必須途經若干個讀取器才能完成初始啟動，使電壓Vstor 從0V 上升到最大電壓Vh，所需讀取器的具體數量取決於BLE發射廣播數據包所需電能、為儲電電容器充電的平均功率Pav、標籤的移動速度v。值得注意的是，標籤是移動的，功率Pav 不是恆定的，因此，在標籤初始啟動期間，電壓Vstor 不是連續上升，而是階梯式上升。圖4 所示是電壓Vstor 在初始啟動期間和穩態時的行為特性。該圖描述一個正在向前移動的標籤，但值得注意的是，標籤的移動方向與無線電力傳輸過程無關。可以觀察到，該節點必須途經若干個讀取器才能完成初始啟動，所需讀取器的具體數量取決於BLE 發射信標所需的能量、標籤接收到可用的射頻能量、標籤的移動速度v。此後，讀取器射頻能量轉化的電流和BLE 射頻電流對Cstorage 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，包括一些設計見解，並討論如何根據BLE 射頻所需的能量和標籤移動速度等已知系統規範，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. 無線電力傳輸和Vstor 的關係變化