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

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的主要研究目的是如何將基礎(chǔ)設(shè)施成本降至最低，基礎(chǔ)設(shè)施成本與讀取器的安裝數(shù)量直接相關(guān)。圖4 表明，完成初始啟動(dòng)所需讀取器的數(shù)量NoR 與兩個(gè)參數(shù)相關(guān)：一個(gè)是電壓V_stor 可以達(dá)到的最大值Vh，另一個(gè)是標(biāo)簽每次跨越讀取器間距Dx 后電壓增量DV_stor，如下面的公式所示：     (1)

V_stor 的增量電壓DVstor 與RF-DC 轉(zhuǎn)換器輸出的平均電流Iavg 以及標(biāo)簽跨過(guò)讀取器間距Dx 所用時(shí)間Dt 相關(guān)，如以下公式所示：   (2)

其中C_storage 是儲(chǔ)電電容。在資產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)中，物體的移動(dòng)速度v 保持恒定。因此，可以假定：   (3)

根據(jù)公式(3), 公式(2)可以改寫為:   (4)

最后，公式(1)可以改寫為:   (5)

實(shí)際上，公式(5)在對(duì)系統(tǒng)性能有影響的基本參數(shù)之間建立起一個(gè)有用的關(guān)系，為設(shè)計(jì)系統(tǒng)重要參數(shù)提供了有價(jià)值的見(jiàn)解，能夠幫助設(shè)計(jì)人員選擇最佳的系統(tǒng)架構(gòu)，獲得最佳的性能。該公式表明，在儲(chǔ)電電容C_storage、電壓V_stor 的最大值V_h 和標(biāo)簽速度v 給定時(shí)，通過(guò)最大化I_avg 和Dx 的乘積可以實(shí)現(xiàn)最佳性能。參數(shù)I_avg 和Dx 都與RF-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和架構(gòu)有關(guān)。實(shí)際上，I_avg 是RF-DC 轉(zhuǎn)換器輸出的平均電流，電流值與PCE 性能有關(guān)，因此，若發(fā)射功率已定，則PCE 越高， Iavg 電流值就越大。Dx 取決于RF-DC 轉(zhuǎn)換器的靈敏度性能，因此，靈敏度性能越高，讀取器間距就越大。為了減少讀取器數(shù)量，必須將靈敏度和PCE 雙雙提高。資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)中的無(wú)線電力傳輸需要處理千差萬(wàn)別的功率狀況。事實(shí)上，根據(jù)讀取器與標(biāo)簽的間距、天線方向、發(fā)射通道數(shù)量，輸入功率在從極低到較高的范圍內(nèi)變化，更嚴(yán)重的是，可用輸入功率大小可能是隨機(jī)變化的。在本文提出的系統(tǒng)中，資產(chǎn)標(biāo)簽在經(jīng)過(guò)讀取器時(shí)需要處理輸入功率的巨大變化。當(dāng)位于讀取器掃描范圍的最遠(yuǎn)端時(shí)，標(biāo)簽接收到能量很小；隨著標(biāo)簽逐漸接近讀取器，收到的能量越來(lái)越高。標(biāo)準(zhǔn)RF-DC轉(zhuǎn)換器體系結(jié)構(gòu)僅優(yōu)化標(biāo)簽距離讀取器相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)的接收靈敏度，不適用本文提出的系統(tǒng)。同理，僅優(yōu)化標(biāo)簽在某一特定輸入功率時(shí)的PCE 性能，盡管當(dāng)標(biāo)簽靠近讀取器時(shí)效果良好，但也不勝任本文提出的系統(tǒng)。當(dāng)然，在靜態(tài)工作條件下，讀取器和標(biāo)簽之間的距離是固定并已知的，這些解決方案可能效果理想，但在動(dòng)態(tài)工作條件下則差強(qiáng)人意。不幸的是，對(duì)于典型的RF-DC 電路架構(gòu)，很難同時(shí)優(yōu)化靈敏度和PCE 性能，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)往往是相互對(duì)立的。因此，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)需要具有利用MPPT 技術(shù)在較大范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)跟蹤可用能量的能力^[73-78]。所有的MPPT 技術(shù)都有一個(gè)共同的要求，就是測(cè)量輸入功率。然而，這在超低功率環(huán)境中并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的事情，因?yàn)檫@個(gè)功能不可避免地會(huì)消耗更多的電能，并有可能進(jìn)一步降低系統(tǒng)的PCE 效率，這也是為什么在被收集能量非常低的情況下，通常很難確定MPPT 電路是否有使用價(jià)值的原因。關(guān)于這一專題，參考文獻(xiàn)^[79]提出了一種創(chuàng)新技術(shù)，介紹了如何通過(guò)監(jiān)測(cè)復(fù)制和空載的通用能量采集器(RF-DC 轉(zhuǎn)換器)的輸出DC 開(kāi)路電壓，有效、動(dòng)態(tài)地跟蹤標(biāo)簽接收到的輸入功率。CMOS RF-DC 轉(zhuǎn)換器的典型結(jié)構(gòu)是一系列級(jí)聯(lián)倍壓器，即經(jīng)典的兩級(jí)Dickson 電荷泵^[80]。達(dá)到系統(tǒng)要求的靈敏度功率值必需使用多級(jí)電荷泵。此外，在給定輸入功率值Pin 時(shí)，電路PCE 性能通常是最大值，Pin 取值非常接近或在大多數(shù)情況下就是靈敏度功率值。系統(tǒng)使輸出DC 電壓保持固定，通常使用最大允許電壓。但是，如果輸出DC 電壓恒定，并且級(jí)數(shù)NoS 保持不變，則隨著輸入功率變高，電路不再是最理想狀態(tài)，能效將會(huì)降低。如圖5 所示，這是一個(gè)基于6 級(jí)RF-DC 轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)，射頻功率分為三個(gè)等級(jí)：P1 = 18 dBm（靈敏度功率值），P2 = 12 dBm 和P3 = 6 dBm。

因此，如圖6 所示，為了保持最高的靈敏度性能，同時(shí)恢復(fù)和優(yōu)化PCE 性能，必需根據(jù)已知輸入功率Pin 改變轉(zhuǎn)換器的級(jí)數(shù)NoS。此外，圖6 還給出了一個(gè)三級(jí)RF-DC 轉(zhuǎn)換器的三種不同設(shè)置，即N1 = 6，N2 = 4 和N3 =2。當(dāng)級(jí)數(shù)最高時(shí)，N_oS = N1 = 6，PCE 數(shù)值在最低輸入功率P_in= P1 = 18 dBm 時(shí)最大。如果功率增加到P_in = P2 = 12 dBm，通過(guò)將級(jí)數(shù)減少到N_oS = N2 = 4，可以實(shí)現(xiàn)最大PCE。當(dāng)輸入功率進(jìn)一步增加到P_in = P3 = 6 dBm 時(shí)，要想獲得最高PCE，級(jí)數(shù)必須減到N_oS = N3 = 2。

圖5. 靜態(tài)RF-DC 轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE) 與DC 輸出電壓關(guān)系

圖6. 動(dòng)態(tài)RF-DC 轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE) 與DC 輸出電壓關(guān)系.

在本文提出的系統(tǒng)中，按照本文提出的設(shè)計(jì)建議，RF-DC 轉(zhuǎn)換器采用868 MHz 頻率。有限狀態(tài)機(jī)（FSM）電路發(fā)出數(shù)字信號(hào)NoS，用于確定RF-DC 轉(zhuǎn)換器的最佳級(jí)數(shù)，如圖1 所示。超低功耗管理單元通過(guò)開(kāi)路電壓Voc 信號(hào)測(cè)量輸入接收功率。這些功能使系統(tǒng)在靈敏度和PCE 性能之間找到最佳平衡點(diǎn)。圖7 是RF-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入功率關(guān)系。

圖7. 在868 MHz 時(shí)PCE 與輸入功率的關(guān)系.