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

當(dāng)無電池BLE 標(biāo)簽跨過讀取器間距Dx 時，Cstorage 電容器的瞬間充電電流Idc(x)不是恒定電流，而是讀取器與標(biāo)簽之間的距離x 的函數(shù)。因此，下面是無電池BLE 標(biāo)簽跨越讀取器間距Dx 時接收到的平均充電電流Iavg 的計算公式：

   (6)

Idc(x)是接收到的瞬間電流，電流大小與以下因素相關(guān)：發(fā)射功率、接收和發(fā)射天線的增益、讀取器與節(jié)點之間的最小和最大距離Dy 和Dmax、RF-DC 轉(zhuǎn)換器的工作頻率和PCE 效率。圖8 是RF-DC 轉(zhuǎn)換器的接收瞬時電流Idc(x)與距離x 的關(guān)系圖，其中讀取器與節(jié)點之間的最小距離Dy 為0.5 m，RF-DC 轉(zhuǎn)換器靈敏度準(zhǔn)許讀取器與節(jié)點之間最大距離Dmax 為1.5 m。表征測試頻率868 MHz，讀取器發(fā)射功率設(shè)為27 dBm。功率發(fā)射器和射頻能量收集器均裝有Laird 的Revie Pro 天線^[81]。

圖8. 在868 MHz 時RF-DC 輸出電流與標(biāo)簽至讀取器間距的關(guān)系

4.   速度測量

本部分介紹如何測量一個配備無電池BLE 標(biāo)簽的資產(chǎn)，以恒定速度v 通過資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)時的速度。測速場景與圖4 所示的場景相同，資產(chǎn)標(biāo)簽通過多個排成一條直線的間距相等的射頻讀取器。下面是標(biāo)簽速度v 的計算公式：

   (7)

公式(7)表示如何根據(jù)BLE 標(biāo)簽發(fā)射第一個數(shù)據(jù)包時所穿過的讀取器數(shù)量NoR 來估算資產(chǎn)的移動速度，其中Vh、Iavg、Dx、Cstorage 等參數(shù)都在系統(tǒng)設(shè)計階段就確定下來了。在實際系統(tǒng)中，這個公式相當(dāng)于在無電池BLE 標(biāo)簽完成初始啟動，向讀取器發(fā)送數(shù)據(jù)后，獲悉已收到標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取器的序號。通過計算已收到RSSI(最高接收信號強度)信號的讀取器的數(shù)量,可以確定讀取器序號。將RSSI 與BLE 廣播數(shù)據(jù)包中包含的發(fā)射功率信息一起使用，還可以確定信號的路徑損耗，并通過下面的公式確定設(shè)備的距離：

   (8)

這個計算結(jié)果可以幫助優(yōu)化定速資產(chǎn)運送系統(tǒng)（例如傳送帶）的成本。這種方法的優(yōu)點是不需要專門的傳感器來檢測物體的移動速度，因為該信息是系統(tǒng)固有參數(shù)。實際上，可以通過獲悉讀取器檢測到的RSSI 以及標(biāo)簽首次發(fā)射數(shù)據(jù)時所經(jīng)過的讀取器的數(shù)量，來估計資產(chǎn)的運輸速度。因此，通過在BLE 讀取器和無電池BLE 資產(chǎn)標(biāo)簽之間實現(xiàn)一個簡單的RF WPT，該系統(tǒng)可以同時完成資產(chǎn)識別、速度檢測和控制功能，而無需安裝硬件速度傳感器。

5.實驗結(jié)果

出于實驗?zāi)康模疚奶岢龅母櫹到y(tǒng)被開發(fā)出來并進(jìn)行了測試。實際系統(tǒng)規(guī)定讀取器與標(biāo)簽的最小距離Dy = 0.4m。系統(tǒng)芯片的實驗表征結(jié)果顯示，在讀取器與標(biāo)簽的最大距離Dmax = 1.5 m 時，平均電流為1 A，根據(jù)公式（9），算出讀取器間距Dx 是2.9 m。

   (9)

標(biāo)簽BLE 芯片加2V 偏置電壓，配置為無法連接的無目標(biāo)廣播模式，發(fā)射32 字節(jié)廣播數(shù)據(jù)包，輸出功率14 dBm，如前文所述，在這種配置下，BLE 的能耗EBLE 估計約36 J，即BLE 芯片從Cstorage 電容器中消耗36 J 電能。根據(jù)公式（10），為了最小化Cstorage 電容值，電壓Vstor 的最大值Vh 盡可能選擇最高值，而最小值Vl 盡可能選擇最低值。因此，Vh = 2.4 V 是由系統(tǒng)芯片的130 m CMOS 技術(shù)所允許的最大工作電壓定義的。設(shè)定Vl= 2V，是為了給BLE 芯片加1.8V 偏置穩(wěn)壓，給DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率級提供200 mV 的電壓裕量。

   (10)

為了提供一些功率裕量和更多的能量，以便可選擇性地激活其它嵌入式傳感器，在標(biāo)簽中使用了一個330 F 的Cstorage 電容器。實驗裝置包括四個讀取器、便攜式示波器、機(jī)器人和無電池BLE 標(biāo)簽。把讀取器排列成正方形，相鄰讀取器2.9米等長間距。每個讀取器都設(shè)為27 dBm 發(fā)射功率。在測量過程中，標(biāo)簽連接便攜式示波器，通過機(jī)器人恒速與讀取器平行移動，標(biāo)簽與讀取器的間距Dy 保持恒定。在0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s 三種不同的恒定速度下分別測量數(shù)次。圖9-11 所示的波形描述了在初始啟動及以后的過程中電壓Vstor 的變化情況。這些數(shù)據(jù)是從其中一次測量中提取的，并給出了示波器獲取的實驗數(shù)據(jù)。這些圖表還給出了根據(jù)標(biāo)簽速度v、讀取器間距Dx、RF-DC 轉(zhuǎn)換器輸出的平均電流Iavg、Vstor 電壓最大值Vh 和儲電電容等實驗條件。此外，這些圖表還給出了通過公式（5）推算出的理論上的讀取器數(shù)量NoR。這些實驗結(jié)果與以前的實驗測量值有良好的相關(guān)性。還可以觀察到，在初始啟動期間，電壓V_stor 不會連續(xù)上升，而是根據(jù)標(biāo)簽的移動速度階梯式上升。由于標(biāo)簽連續(xù)通過四個讀取器，因此，標(biāo)簽在初始啟動后繼續(xù)保持充電和發(fā)射狀態(tài)。充放電模式似乎是不規(guī)則的，并且不是周期性的，因為在標(biāo)簽通過讀取器的過程中，C_storage 電容的瞬間充電電流隨著標(biāo)簽的移動而變化。因此，可以觀察到，當(dāng)標(biāo)簽逐漸接近讀取器時，電壓Vstor 的上升速率非?？?，而當(dāng)標(biāo)簽逐漸遠(yuǎn)離讀取器時，上升速率較慢。充電電流的不連續(xù)性是產(chǎn)生不規(guī)則且非周期性的充放電模式的原因，這與通過WPT 為靜止標(biāo)簽充電的情況完全不同。這些圖表證明公式（5）的估算結(jié)果是正確的。在資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)中，初始啟動是指資產(chǎn)第一次被跟蹤識別的事件，完成初始啟動階段所需的讀取器數(shù)量NoR 與資產(chǎn)移動速度v 相關(guān)，速度v 越高，所需讀取器數(shù)量NoR 越多。最后，標(biāo)簽發(fā)射被跟蹤資產(chǎn)的ID，讀取器接收信息，并發(fā)送到WSN 網(wǎng)絡(luò)。

圖9.標(biāo)簽以0.05 m/s 的速度穿過讀取器的實驗結(jié)果