基于射频无线电力传输供电的无电池资产跟踪模块的先进监控系统

作者：意法半导体,Roberto La Rosa,Catherine Dehollain,Patrizia Livreri时间：2020-08-20来源：电子产品世界收藏

编者按：涉及精准定位和运输数据的资产跟踪模块，非常适合组建无电池节点的无线传感器网络(WSN)。无电池的网络节点几乎可以部署在任何环境中，对维护工作的需求很少甚至没有。为了满足市场对先进无电池传感器标签解决方案日益增长的需求，本文提出一个在无线传感器网络中识别资产和监测资产移动速度的跟踪系统，无电池的资产标签通过射频无线电力传输(WPT)架构接收数据通信所需电能，并采用一个独有的测速方法生成时域速度读数。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202008/417340.htm

当无电池BLE 标签跨过读取器间距Dx 时，Cstorage 电容器的瞬间充电电流Idc(x)不是恒定电流，而是读取器与标签之间的距离x 的函数。因此，下面是无电池BLE 标签跨越读取器间距Dx 时接收到的平均充电电流Iavg 的计算公式：

(6)

Idc(x)是接收到的瞬间电流，电流大小与以下因素相关：发射功率、接收和发射天线的增益、读取器与节点之间的最小和最大距离Dy 和Dmax、RF-DC 转换器的工作频率和PCE 效率。图8 是RF-DC 转换器的接收瞬时电流Idc(x)与距离x 的关系图，其中读取器与节点之间的最小距离Dy 为0.5 m，RF-DC 转换器灵敏度准许读取器与节点之间最大距离Dmax 为1.5 m。表征测试频率868 MHz，读取器发射功率设为27 dBm。功率发射器和射频 能量收集器均装有Laird 的Revie Pro 天线^[81]。

图8. 在868 MHz 时RF-DC 输出电流与标签至读取器间距的关系

4. 速度测量

本部分介绍如何测量一个配备无电池BLE 标签的资产，以恒定速度v 通过资产跟踪系统时的速度。测速场景与图4 所示的场景相同，资产标签通过多个排成一条直线的间距相等的射频读取器。下面是标签速度v 的计算公式：

(7)

公式(7)表示如何根据BLE 标签发射第一个数据包时所穿过的读取器数量NoR 来估算资产的移动速度，其中Vh、Iavg、Dx、Cstorage 等参数都在系统设计阶段就确定下来了。在实际系统中，这个公式相当于在无电池BLE 标签完成初始启动，向读取器发送数据后，获悉已收到标签数据的读取器的序号。通过计算已收到RSSI(最高接收信号强度)信号的读取器的数量,可以确定读取器序号。将RSSI 与BLE 广播数据包中包含的发射功率信息一起使用，还可以确定信号的路径损耗，并通过下面的公式确定设备的距离：

(8)

这个计算结果可以帮助优化定速资产运送系统（例如传送带）的成本。这种方法的优点是不需要专门的传感器来检测物体的移动速度，因为该信息是系统固有参数。实际上，可以通过获悉读取器检测到的RSSI 以及标签首次发射数据时所经过的读取器的数量，来估计资产的运输速度。因此，通过在BLE 读取器和无电池BLE 资产标签之间实现一个简单的RF WPT，该系统可以同时完成资产识别、速度检测和控制功能，而无需安装硬件速度传感器。

5.实验结果

出于实验目的，本文提出的跟踪系统被开发出来并进行了测试。实际系统规定读取器与标签的最小距离Dy = 0.4m。系统芯片的实验表征结果显示，在读取器与标签的最大距离Dmax = 1.5 m 时，平均电流为1 A，根据公式（9），算出读取器间距Dx 是2.9 m。

(9)

标签BLE 芯片加2V 偏置电压，配置为无法连接的无目标广播模式，发射32 字节广播数据包，输出功率14 dBm，如前文所述，在这种配置下，BLE 的能耗EBLE 估计约36 J，即BLE 芯片从Cstorage 电容器中消耗36 J 电能。根据公式（10），为了最小化Cstorage 电容值，电压Vstor 的最大值Vh 尽可能选择最高值，而最小值Vl 尽可能选择最低值。因此，Vh = 2.4 V 是由系统芯片的130 m CMOS 技术所允许的最大工作电压定义的。设定Vl= 2V，是为了给BLE 芯片加1.8V 偏置稳压，给DC/DC 转换器的功率级提供200 mV 的电压裕量。

(10)

为了提供一些功率裕量和更多的能量，以便可选择性地激活其它嵌入式传感器，在标签中使用了一个330 F 的Cstorage 电容器。实验装置包括四个读取器、便携式示波器、机器人和无电池BLE 标签。把读取器排列成正方形，相邻读取器2.9米等长间距。每个读取器都设为27 dBm 发射功率。在测量过程中，标签连接便携式示波器，通过机器人恒速与读取器平行移动，标签与读取器的间距Dy 保持恒定。在0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s 三种不同的恒定速度下分别测量数次。图9-11 所示的波形描述了在初始启动及以后的过程中电压Vstor 的变化情况。这些数据是从其中一次测量中提取的，并给出了示波器获取的实验数据。这些图表还给出了根据标签速度v、读取器间距Dx、RF-DC 转换器输出的平均电流Iavg、Vstor 电压最大值Vh 和储电电容等实验条件。此外，这些图表还给出了通过公式（5）推算出的理论上的读取器数量NoR。这些实验结果与以前的实验测量值有良好的相关性。还可以观察到，在初始启动期间，电压V_stor 不会连续上升，而是根据标签的移动速度阶梯式上升。由于标签连续通过四个读取器，因此，标签在初始启动后继续保持充电和发射状态。充放电模式似乎是不规则的，并且不是周期性的，因为在标签通过读取器的过程中，C_storage 电容的瞬间充电电流随着标签的移动而变化。因此，可以观察到，当标签逐渐接近读取器时，电压Vstor 的上升速率非常快，而当标签逐渐远离读取器时，上升速率较慢。充电电流的不连续性是产生不规则且非周期性的充放电模式的原因，这与通过WPT 为静止标签充电的情况完全不同。这些图表证明公式（5）的估算结果是正确的。在资产跟踪系统中，初始启动是指资产第一次被跟踪识别的事件，完成初始启动阶段所需的读取器数量NoR 与资产移动速度v 相关，速度v 越高，所需读取器数量NoR 越多。最后，标签发射被跟踪资产的ID，读取器接收信息，并发送到WSN 网络。