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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。

本文还评测了一款RF WPT 供电节点专用系统芯片(SoC)的性能特性和主要功能,提出一个创新的能够解决最高功率转换效率(PCE)与灵敏度相互对立和,功率转换效率与最高灵敏度相互对立问题的RF-DC 转换解决方案,还提供一个能够计算资产识别和测速所需读取器数量的设计策略和优化模型,做了模型验证测试,并提供了证明本文所提出的先进监控系统可行性的实验结果。

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

1.前言

(IoT)技术及联网设备和智能解决方案的开发应用,让有望显著改善人们日常生活的新兴无线传感器网络(WSN)取得空前发展[1]。无线智能传感器节点预计会出现在与(IoT)相关的所有新兴应用领域[2]。实际上,针对智慧城市、家庭自动化、办公自动化,有些企业已经推出了旨在提高服务质量、舒适性、安全性和能效的无线传感器网络平台[3-9]。因为能够跟踪资产、个人物品等物资的准确位置和运输状况,无线传感器网络还是资产跟踪应用的理想选择[10]。在这个应用领域,传感器节点向无线网络发送与资产的存在、品名、位置和移动速度相关的信息。因为系统传输的数据很少,所以对电能和带宽的要求不高。理想的资产跟踪 标签是一种几乎可以在任何地方使用的价格低廉、免维护的非一次性设备[11-13]。一个切实有效的资产跟踪解决方案需要内置通信、感知、信号处理、电源管理和自发电等功能[14,15],与仅适用于近距离物品识别的简单标签应答器相比有很大的不同。如今,无线传感器节点是一种更加复杂的有感知、分析和通信功能的设备[16],不过,它们对电能的需求也变得更大,必需使用电池才能满足供电需求,导致厂商的系统成本、维护和小型化负担加重[17]。因此,除了尺寸、成本等要素外,功耗和在最大通信距离时的最大吞吐量是无线传感器网络节点最显著的性能特征[2,5]。通过整合高能效通信方案与低功耗设计,无线传感器网络节点可以将电池寿命延至数月甚至几年[2],因此,低功耗无线传感器网络设计广泛使用免许可的ISM (工业、医学和科学) 频段的无线协议,例如,ZigBee [18]、Bluetooth 和Bluetooth Low Energy(BLE)[19]。尤其是BLE 低能耗蓝牙协议,可降低功耗,易于设置,连接智能设备简单[20-22]。通过战略性的硬件和固件协同设计,以及在最终应用中全面优化无线通信协议,可以实现低能耗和高能效。传统电池供电系统并非总是最佳解决方案,因为电池会在成本、重量和尺寸方面带来更多的问题,电池寿命和系统维护就更不用说了。此外,电池和超级电容的使用也给系统电源管理带来问题[23,24]。无线传感器网络的维护问题不仅仅体现在成本方面;在电气安全和检修便利性方面,维护工作也可能变得十分复杂,某些工作环境可能太热,致使电池无法安全可靠地供电。在正常工况环境中[25],通过降低或消除待机功耗,可以大幅降低电池电量的消耗[26-34],延长电池寿命,进一步缩减系统体积,减少维护干预次数。将无线电力传输(WPT)技术用于远距离,也可以方便电池供电节点的维护工作[35–40]。虽然这些解决方案可以帮助缓解系统维护和小型化相关问题,但不能一下解决全部问题。在可行的情况下,例如,在使用低占空比传感器的应用中,更可取的解决办法是开发无电池设备,其明显优势是非一次性产品,使用寿命几乎无限,成本效益更高,可用于电池可能会引发危险的环境[41–45]。由于这些原因,无电池解决方案风生水起[43,46–49],越来越多的工程师选择包括RF EH 和WPT 在内的可再生(EH)技术。开发高能效的WPT 和RF EH 应用并非易事,因为即使能量无所不在,并且能够发射到视线看不到的地方,但其功率转换效率(PCE)到目前仍然很低,针对这个问题,许多研究人员发表了极具启发性的论文[50-67]。本文面向这一研究领域,研究在无线传感器网络基础设施中,在电能发射器(读取器)与自供电的无电池 BLE 标签之间使用RF WPT 技术,探讨使用无电池BLE 标签设计资产跟踪系统所面临的技术挑战,并提出相应的解决方案。在读取器和标签的间距随时变化的动态环境中,标签以某一速度相对于读取器移动。这项研究的显著特点是,在移动环境中进行RF WPT 充电,通过BLE 技术传输数据。这项研究的重点是估算为移动标签连续供电所需最小读取器数量,并介绍无任何电池的传感器如何通过RF WPT 实现自供电,测量资产移动速度,生成时域读数,并通过机制传输数据。最后,本文提供了资产识别测速所需的最佳读取器数量、基础设施设计策略和数学模型。

本文详细讨论了RF WPT 供电节点专用系统芯片(SoC)的关键特性、体系结构和性能特征,提供了具体的测试、模拟仿真和实验结果。本文的结构如下:第2 部分从读取器和无电池BLE 资产标签的角度介绍系统架构。第3 部分讨论WPT 系统的设计方法,其中包括当系统关键参数给定时,用于求算最佳设计所需最少读取器数量的公式和假设。第4 部分探讨无电池BLE 标签速度测量系统,介绍如何用RF WPT 和无电池BLE 标签实现一个能够生成时域读数并通过物联网机制传输信息(速度)的速度测量系统。第5 部分介绍系统装置、实验结果及其与在设计阶段获得的数据的相关性。第6 部分是结论。

2.系统说明

远距离无线电力传输(WPT)系统用于为无电池BLE 资产标签远程供电。图1 所示是本文提出的资产跟踪系统的框图,该系统架构基于双频系统,WPT 输电和数据通信两个单元使用不同的频率。对于远程电力传输,标签读取器和标签使用无需许可的ISM(工业、科学和医学)频段,载波中心频率868 MHz。读取器与资产标签的数据通信采用2.4GHz ISM 频段,带宽80 MHz。读取器工作频率的选择对于电力传输非常重要,这需要在标签和读取器的尺寸限制与自由空间路径损耗(FSPL)最小化之间权衡折衷。事实上,尺寸限制与自由空间路径损耗最小化这两个要求是相互对立的,因为标签尺寸很大程度上取决于天线尺寸,天线大小与工作频率成反比,而工作频率又直接影响FSPL 性能。根据Friis 传输公式[68],在自由空间中,868 MHz 频段典型无线电力传输一米距离后,传输功率将会衰减30 dB (1/1000),然后每10 米就会继续衰减20 dB。相比之下,为读取器选择2.4 GHz 频率将导致传输功率在仅一米传输距离内就衰减40 dB (1/10,000)或者一个更大量级。这突出表明,能量传输效率低是RF WPT 技术固有缺点,因此,需要对新架构和设计参数选择进行持续研究。尽管存在这些先天不足,射频电力传输仍然不失为一个为物联网和无线传感器节点等低功耗设备供电的便捷方式[54,69,70]。数据通信使用一个BLE 射频芯片,因为跟踪系统需要一个符合相关数据交换量和通信速率规范的超低功耗射频芯片。此外,BLE 射频芯片允许天线设计得非常小。实际的BLE 读取器是由一个低功耗射频sub-GHz 收发器和一个BLE 接收器组成。射频收发器是意法半导体的Spirit1 芯片,配有最高输出功率27 dBm 的功率放大器,而BLE 芯片是意法半导体的符合蓝牙5.0 规范的BLE 系统芯片BLUENRG-2。标签系统体系架构是由两颗芯片组成。无线电力传输专用系统芯片接收并转换射频能量,标签数据通信使用与读取器相同的BLE 射频芯片。接收射频能量的系统芯片对资产跟踪系统性能至关重要,我们将用数学方法证明,RF-DC 转换器的PCE 效率和灵敏度性能在确定读取器数量过程中的重要性。显然,这两个参数性能高会减少所需的读取器数量,从而降低系统整体成本。本研究案例中使用的系统芯片是一个2 W 自供电芯片,集成一个宽带(350 MHz-2.4 GHz)RF–DC 能量转换器,在868 MHz频率时,PCE 最大值为37%,输入功率为18 dBm,最大输出电压为2.4V。超低功耗管理单元的静态电流性能是决定系统灵敏度高低的关键。图1 描述了该系统芯片的体系架构,组件包括RF-DC 转换器、超低功耗管理单元、数字有限状态机(FSM)和DC/DC 转换器。外部天线连接系统芯片的RFin 输入引脚,用于捕获射频能量。RF-DC 转换器将射频能量转换为直流电能,通过输出引脚Vdc 向外部储电电容器Cstorage 充电。此外,RF-DC 转换器还产生一个直流开路电压Voc,用于间接测量射频输入功率。Voc 和Vdc 电压是超低功耗管理单元的输入端,为FSM 单元供电。RF-DC 转换器、超低功耗管理和FSM 这三个单元组成一个闭环。根据Voc 信号间接测量到的输入射频功率,数字信号总线实时更新Nos 信号,为RF-DC 转换器选择正确的级数(CMOS 倍压电路)。RF-DC 转换器、超低功耗管理模块和FSM 单元形成的环路执行最大功率点跟踪(MPPT)运算,在射频输入功率变化过程中从射频提取最大的能量。这个原理概念将在第3 部分中详细讨论。从功能角度看,该系统芯片将从读取器接收的射频能量转换为直流电压Vdc,充入外部储电电容器Cstorage。在输入功率相同的条件下,静态电流越低,传输到储电电容器的净电流就越大。该系统芯片集成了最小静态电流仅为75 nA 的超低功耗管理电路,从而能够节省至少2 W 的电能。

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图1. 射频无线电力传输系统

图2 给出了三种不同的完整的通过三个不同的BLE 广播频道发送数据包的BLE 广播发射方式。BLE 设备配置为无法连接的无目标广播模式,14 dBm 发射功率,发射32 字节广播数据包。在此工作模式下,BLE 设备未连接到任何网络,能够广播任何类型的信息,包括环境数据(温度、气压、湿度等)、微位置数据(资产跟踪、零售等)或方向数据(加速度,旋转,速度等)[71]。当标签接收到读取器发射的能量时,储电电容器充电,Vstor 电压开始上升,直到最大值Vh 为止。此时,超低功耗管理单元驱动DC/DC 转换器,通过Vout 为BLE 设备供电。当电压Vout 高于BLE 设备最低工作电压(1.8 V)时,蓝牙电路激活,然后广播数据信息。因为蓝牙通信所需电流远高于射频信号转化的电流,所以Cstorage 电容器不可避免地会放电。实际上,如图3 所示,Cstorage 电容器向BLE 设备供给的峰值电流是毫安级,而射频能量转化的电流通常是微安级,因此,工作电流远高于收集转化的电能。

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图2. 系统芯片的功能信号

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图3.低能耗蓝牙(BLE)的电流消耗

BLE 设备一旦停止工作,就会立即拉高“ shdnb”信号,触发系统芯片内部的有限状态机(FSM)重置“ en”信号,关闭DC/DC 转换器,同时Vout 电压下降。因为电压Vout 下降,而且BLE 设备不再加偏置电压,所以“ shdnb”信号拉低电平,这可以控制储电电容中的电压下降,将其限制在BLE 设备的电能要求范围内,这些要求会随BLE 设备的广播数据包长度和输出发射功率配置而变化。例如,若BLE 设备加2V 平均偏置电压,配置为无法连接的无目标广播模式,14dBm 发射功率,传输32 字节广告数据包,则激活过程时间估计约2.4 毫秒,激活过程平均电流估计约7.5 mA,发射能耗估计约36J。如果发射输出功率增加到+8 dBm,激活过程预估时间不会改变,因为这个参数仅与广播数据包的长度有关;激活过程平均电流估计增加到13.4 mA,因此,发射能耗估计上升到65J。广播数据包长度也会影响BLE 发送数据所需电能。若将BLE 设备配置为14 dBm 发射功率,发送16 字节广播数据,则激活过程时间估计减到2 毫秒,激活过程平均电流估计约7 mA,发射能耗估计约28 J。Vstor 的电压降始终保持在最小值,不受BLE 配置变化的影响,因此,系统可以更早地切换到提取能量模式,从而最大程度地降低占空比。这是这款系统芯片的一个独有功能,可以与任何物联网节点建立闭环通信[72]。在本案例研究中,工作环境是典型的动态资产跟踪系统,资产相对于读取器以特定速度v 移动。需要注意的是,在这种情况下,标签不是静止不动的,并且接收到的能量不能视为恒定能量。因此,该节点必须途经若干个读取器才能完成初始启动,使电压Vstor 从0V 上升到最大电压Vh,所需读取器的具体数量取决于BLE发射广播数据包所需电能、为储电电容器充电的平均功率Pav、标签的移动速度v。值得注意的是,标签是移动的,功率Pav 不是恒定的,因此,在标签初始启动期间,电压Vstor 不是连续上升,而是阶梯式上升。图4 所示是电压Vstor 在初始启动期间和稳态时的行为特性。该图描述一个正在向前移动的标签,但值得注意的是,标签的移动方向与无线电力传输过程无关。可以观察到,该节点必须途经若干个读取器才能完成初始启动,所需读取器的具体数量取决于BLE 发射信标所需的能量、标签接收到可用的射频能量、标签的移动速度v。此后,读取器射频能量转化的电流和BLE 射频电流对Cstorage 电容器交替充放电,两种电流的强度都非常不均衡。下一部分将讨论系统设计,包括一些设计见解,并讨论如何根据BLE 射频所需的能量和标签移动速度等已知系统规范,推导出读取器尺寸和最小安装数量。下一部分还从灵敏度和PCE 方面讨论影响RF-DC 性能的因素。

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图4. 无线电力传输和Vstor 的关系变化


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