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无电池资产追踪模组的先进监控系统
基於射频无线电力传输供电

【作者: 意法半導體】2020年11月27日 星期五

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涉及精准定位和运输资料的资产追踪模组,非常适合组建无电池节点的无线感测器网路(WSN)。无电池的网路节点几??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感测器标签解决方案日益增长的需求,本文提出一个在无线感测器网路中识别资产和监测资产移动速度的追踪系统,无电池的资产标签透过射频无线电力传输(WPT)架构接收资料通讯所需电能,并采用一个独有的测速方式产生时域速度读数。


此外,本文还评测了一款RF WPT供电节点专用系统单晶片(SoC)的性能特性和主要功能,提出一个创新而且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写器数量的设计策略和优化模型,进行模型验证测试,并证明本文所提出的先进监控系统可行性的实验结果。


物联网(IoT)技术及连网装置和智慧解决方案的开发应用,让有??显着改善人们日常生活的新兴无线感测器网路(WSN)取得空前发展。无线智慧感测器节点预计会出现在与物联网相关的所有新兴应用领域。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升服务品质、舒适性、安全性和能效的无线感测器网路平台。因为能够追踪资产、个人物品等物资的准确位置和运输状况,无线感测器网路还是资产追踪应用的理想选择。


在此应用领域,感测器节点向无线网路发送与资产的存在、品名、位置和移动速度相关的资讯。因为系统传输的资料很少,所以对电能和频宽的要求不高。理想的资产追踪标签是一种几??可以在任何地方使用之价格低廉、免维护的非一次性装置。一个切实有效的资产追踪解决方案需要内建通讯、感知、讯号处理、电源管理和自发电等功能,相较於仅适用於近距离物品识别的简单标签应答器有很大的不同。


如今,无线感测器节点是一种更加复杂的有感知、分析和通讯功能的装置,不过,其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。因此,除了尺寸、成本等要素外,功耗和在最大通讯距离时的最大输送量是无线感测器网路节点最显着的特性。透过整合高效能通讯方案与低功耗设计,无线感测器网路节点可以将电池寿命延长至数月甚至几年,因此,低功耗无线感测器网路设计广泛使用免许可之ISM (亦即工业、医学和科学) 频段的无线协定,例如ZigBee、蓝牙(Bluetooth)和低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy;BLE)。尤其是BLE协定,可降低功耗,易於设置,与智慧装置连线简单。


透过策略性的硬体和韧体协同设计,以及在最终应用中全面优化无线通讯协定,可以实现低耗能和高能效。传统电池供电系统并非最隹解决方案,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为系统电源管理带来问题。无线感测器网路的维护不仅反映在成本方面;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,透过降低或消除待机功耗,可以大幅减少电池电量的消耗并延长电池寿命,进一步缩减系统体积,减少维护干预次数。将射频无线电力传输(WPT)技术用於远距离无线充电,也可以便於电池供电节点的维护工作。


虽然这些解决方案可以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,在低空间使用率之感测器的应用中,更理想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??无限,成本效益更高,可用於电池可能会引发危险的环境。


由於这些原因,无电池解决方案风生水起,越来越多的工程师选择包括RF EH和WPT在内的可再生能量收集(EH)技术。开发高效能的WPT和RF EH应用并非易事,因为即使射频能量无所不在,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。


本文针对这一研究领域,研究在无线感测器网路基础建设中,在电能发射器(读写器)与射频自供电的无电池BLE标签之间使用RF WPT技术,探讨使用无电池BLE标签设计资产追踪系统所面临的技术挑战,并提出对应的解决方案。在读写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於读写器移动。这项研究的显着特点是,在移动环境中进行RF WPT充电,透过BLE技术传输资料。这项研究的重点是预估为移动标签连续供电所需最小读写器数量,并介绍无任何电池的感测器如何透过RF WPT自供电,测量资产移动速度,产生时域读数,并透过物联网机制传输资料。最後,本文提供了资产识别测速所需的最隹读写器数量、基础建设设计策略和数学模型。


本文详细讨论了RF WPT供电节点专用系统晶片(SoC)的关键特性、体系结构和性能特徵,提供了具体的测试、模拟和实验结果。本文的结构如下:第2部分从读写器和无电池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叁数给定时,用於求算最隹设计所需最少之射频读写器数量的公式和假设。至於无电池BLE标签速度测量系统,与系统装置、实验结果及其与在设计阶段获得的资料的相关性,则另後叙说明。


系统说明

远距离射频无线电力传输(WPT)系统用於为无电池BLE资产标签远端供电。图一是资产追踪系统的架构图,该系统架构采用双频系统,WPT输电和资料通讯两个元件使用不同的频率。对於远端电力传输,标签读写器和标签使用无需许可的ISM频段,载波中心频率868 MHz。读写器与资产标签的资料通讯采用2.4 GHz ISM频段,频宽80 MHz。读写器工作频率的选择对於电力传输非常重要,这需要在标签和读写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於天线尺寸,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,在自由空间中,868 MHz频段典型无线电力传输一公尺後,传输功率将会衰减30 dB(1/1000),然後每10 公尺就会继续衰减20 dB。相较之下,为读写器选择2.4 GHz频率将导致传输功率在仅一公尺传输距离内就衰减40 dB(1/10,000)或者一个更大量级。这突显能量传输效率低是RF WPT技术固有的缺点,因此,需要对新架构和设计叁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感测器节点等低功耗装置供电的便捷方式[54,69,70]。资料通讯使用一个BLE射频晶片,因为追踪系统需要一个符合相关资料交换量和通讯速率规范的超低功耗射频晶片。此外,BLE射频晶片允许天线设计得非常小。


实际的BLE读写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晶片,配备最高输出功率27 dBm的功率放大器,而BLE晶片是意法半导体的符合蓝牙5.0规范的BLE系统晶片BLUENRG-2。


标签系统体系架构是由两颗晶片组成。无线电力传输专用系统晶片接收并转换射频能量,标签资料通讯使用与读写器相同的BLE射频晶片。接收射频能量的系统晶片对资产追踪系统性能至关重要,我们将用数学方法证明,RF-DC转接器的PCE效率和灵敏度性能在确定读写器数量过程中的重要性。


显然,这两个叁数性能高会减少所需的读写器数量,进而降低系统总成本。本研究案例中使用的系统晶片是一个2W自供电晶片,内建一个宽频(350 MHz-2.4 GHz)RF-DC转接器,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。超低功耗管理元件的静态电流性能是决定系统灵敏度高低的关键。


图一描述了该系统晶片的体统架构,元件包括RF-DC转接器、超低功耗管理元件、数位有限状态机(FSM)和DC/DC转接器。外部天线连线系统晶片的RFin输入脚位,用於收集射频功率。RF-DC转接器将射频功率转换为直流电能,透过输出脚位Vdc向外部储电电容器Cstorage充电。



图一 : 射频无线电力传输系统
图一 : 射频无线电力传输系统

此外,RF-DC转接器还产生一个直流开路电压Voc,用於间接测量射频输入功率。Voc和Vdc电压是超低功耗管理元件的输入端,为FSM元件供电。RF-DC转接器、超低功耗管理和FSM这三个元件组成一个闭环。根据Voc讯号间接测量到的输入射频功率,数位讯号汇流排即时更新Nos讯号,为RF-DC转接器选择正确的级数(CMOS倍压电路)。RF-DC转接器、超低功耗管理模组和FSM元件形成的环路执行最大功率点追踪(MPPT)运算,在射频输入功率变化过程中从射频提取最大的功率。这个原理概念将在第3部分中详细讨论。


从功能角度看,该系统晶片将从读写器接收的射频功率转换为直流电压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。该系统晶片整合了最小静态电流仅为75 nA的超低功耗管理电路,能够节省至少2W的电能。


图二提供三种不同的且完整之透过三个不同的BLE广播频道发送资料包的BLE广播发射方式。BLE装置设定为无法连接的无目标广播模式,14dBm发射功率,发射32位元组广播资料包。在此作业模式下,BLE装置未与任何网路连线,能够广播任何类型的资讯,包括环境资料(温度、气压、湿度等)、微位置资料(资产追踪、零售等)或方向资料(加速度,旋转,速度等)。



图二 : 系统晶片的功能讯号
图二 : 系统晶片的功能讯号

当标签接收到读写器发射的功率时,储电电容器充电,Vstor电压开始上升,直到最大值Vh为止。此时,超低功耗管理元件驱动DC/DC转接器,透过Vout为BLE设备供电。当电压Vout高於BLE设备最低工作电压(1.8 V)时,蓝牙电路启动,然後广播资料资讯。因为蓝牙通讯所需电流远高於射频讯号转化的电流,所以Cstorage电容器不可避免地会放电。实际上,如图三所示,Cstorage电容器为BLE装置供电的峰值电流是毫安培级,而射频功率转换的电流通常是微安级,因此,作业电流远高於收集转换的功率。



图三 : 低功耗蓝牙(BLE)的电流消耗
图三 : 低功耗蓝牙(BLE)的电流消耗

BLE装置一旦停止作业,就会立即拉高shdnb讯号,触发系统晶片内部的有限状态机(FSM)重置en讯号,关闭DC/DC转接器,同时Vout电压下降。因为电压Vout下降,而且BLE装置不再加偏置电压,所以 shdnb讯号拉低电平,这可以控制储电电容中的电压下降,将其限制在BLE装置的功率要求范围内,这些要求会随BLE装置的广播资料包长度和输出发射功率配置而变化。例如,若BLE装置加2V平均偏置电压,配置为无法连接的无目标广播模式,14 dBm发射功率,传输32位元组广告资料包,则启动时间预估约2.4毫秒,启动过程平均电流预估约7.5 mA,发射功耗预估约36J。


如果发射输出功率增加到+8 dBm,启动过程预估时间不会改变,因为这个叁数仅与广播资料包的长度有关;启动过程平均电流预估增加到13.4 mA,因此,发射功耗预估上升到65J。广播资料包长度也会影响BLE发送资料所需功率。若将BLE装置设定为14 dBm发射功率,发送16位元组广播资料,则启动过程时间预估减少至2毫秒,启动过程平均电流预估约7 mA,发射功耗预估约28 J。Vstor的电压降始终保持在最低值,不受BLE配置变化的影响,因此,系统可以更早地切换到提取功率模式,以最大幅度降低占空比。这是这款系统晶片的一个独有功能,可以与任何物联网节点建立闭环通讯。


在本案例研究中,作业环境是典型的动态资产追踪系统,资产相对於读写器以特定速度v移动。需要注意的是,在这种情况下,标签不是静止不动的,并且接收到的功率不能视为恒定能量。因此,该节点必须途经若干个读写器才能完成初始启动,使电压Vstor从0V上升到最大电压Vh,所需读写器的具体数量取决於BLE发射广播资料包所需功率、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。图四所示是电压Vstor在初始启动期间和稳态时的特性。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写器才能完成初始启动,所需读写器的具体数量取决於BLE发射信标所需的功率、标签接收到可用的射频功率、标签的移动速度v。


此後,读写器射频功率转换的电流和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平均。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射频所需功率和标签移动速度等已知系统规范,推论出读写器尺寸和最低安装数量。下一部分还从灵敏度和PCE方面讨论影响RF-DC性能的因素。


系统设计

本文的主要研究目的是如何将基础建设成本降至最低,基础建设成本与读写器的安装数量直接相关。图四显示完成初始启动所需读写器的数量NoR与两个叁数相关:一个是电压Vstor可以达到的最大值Vh,另一个是标签每次跨越读写器间距Dx後电压增量DVstor。Vstor的增加电压DVstor与RF-DC转接器输出的平均电流Iavg以及标签跨过读写器间距Dx所用时间Dt相关,其中Cstorage是储电电容。在资产运输系统中,物体的移动速度v保持恒定。



图四 : 无线电力传输和Vstor 的关系变化
图四 : 无线电力传输和Vstor 的关系变化

实际上,公式(5)在对系统性能有影响的基本叁数之间建立起一个有用的关系,为设计系统重要叁数提供了有价值的见解,能够帮助设计人员选择最隹的系统架构,获得最隹的性能。该公式显示,在储电电容Cstorage、电压Vstor的最大值Vh和标签速度v设定时,透过最大化Iavg和Dx的乘积可以实现最隹性能。


叁数Iavg和Dx都与RF-DC转接器的设计和架构有关。实际上,Iavg是RF-DC转接器输出的平均电流,电流值与PCE性能有关,因此,若发射功率已定,则PCE越高, Iavg电流值就越大。Dx取决於RF-DC转接器的灵敏度性能,因此,灵敏度性能越高,读写器间距就越大。为了减少读写器数量,必须将灵敏度和PCE双双提高。资产追踪系统中的无线电力传输需要处理千差万别的功率状况。事实上,根据读写器与标签的间距、天线方向、发射通道数量,输入功率在从极低到较高的范围内变化,更严重的是,可用输入功率大小可能是随机变化的。


在本文提出的系统中,资产标签在经过读写器时需要处理输入功率的巨大变化。当位於读写器扫描范围的最远端时,标签接收到功率很小;随着标签逐渐接近读写器,收到的功率越来越高。标准RF-DC转接器系统结构仅优化标签距离读写器相对较远时的接收灵敏度,不适用本文提出的系统。同理,仅优化标签在某一特定输入功率时的PCE性能,尽管当标签靠近读写器时效果良好,但也不胜任本文提出的系统。


当然,在静态作业条件下,读写器和标签之间的距离是固定并已知的,这些解决方案可能效果理想,但在动态作业条件下则差强人意。不幸的是,对於典型的RF-DC电路架构,很难同时优化灵敏度和PCE性能,因为这两个叁数往往是相互对立的。因此,动态系统需要具有利用MPPT技术在较大范围内动态追踪可用能量的能力。所有的MPPT技术都有一个共同的要求,就是测量输入功率。


然而,这在超低功率环境中并不是一项简单的事情,因为这个功能不可避免地会消耗更多的功率,并有可能进一步降低系统的PCE效率,这也是为什麽在被收集功率非常低的情况下,通常很难确定MPPT电路是否有使用价值的原因。


关於这一专题,一种创新技术介绍了如何透过监测复制和空载的通用功率采集器(RF-DC转接器)的输出DC开路电压,有效、动态地追踪标签接收到的输入功率。CMOS RF-DC转接器的典型结构是一系列级联倍压器,即经典的两级Dickson电荷泵。达到系统要求的灵敏度功率值必需使用多级电荷泵。


此外,在设定输入功率值Pin时,电路PCE性能通常是最大值,Pin取值非常接近或在大多数情况下就是灵敏度功率值。系统使输出DC电压保持固定,通常使用最大电压。但是,如果输出DC电压恒定,并且级数NoS保持不变,则随着输入功率提升,电路不再是最理想状态,效能将会降低。如图五所示,这是一个基於6级RF-DC转接器的系统,射频功率分为三个等级:P1 = 18 dBm(灵敏度功率值),P2 = 12 dBm和P3 = 6 dBm。



图五 : 静态RF-DC转接器的功率转换效率(PCE) 与DC输出电压关系
图五 : 静态RF-DC转接器的功率转换效率(PCE) 与DC输出电压关系

因此,如图六所示,为了保持最高的灵敏度性能,同时恢复和优化PCE性能,必须根据已知输入功率Pin改变转接器的级数NoS。此外,图六还给出了一个三级RF-DC转接器的三种不同设定,即N1 = 6,N2 = 4和N3 =2。当级数最高时,NoS = N1 = 6,PCE数值在最低输入功率Pin= P1 = 18 dBm时最大。如果功率增加到Pin = P2 = 12 dBm,透过将级数减少到NoS = N2 = 4,可以达到最大PCE。当输入功率进一步增加到Pin = P3 = 6 dBm时,要想获得最高 PCE,级数必须减到NoS = N3 = 2。



图六 : 动态RF-DC转接器的功率转换效率(PCE) 与DC输出电压关系.
图六 : 动态RF-DC转接器的功率转换效率(PCE) 与DC输出电压关系.

在本文提出的系统设计建议,RF-DC转接器采用868 MHz频率。有限状态机(FSM)电路发出数位讯号NoS,用於确定RF-DC转接器的最隹级数,如图一所示。超低功耗管理元件透过开路电压Voc讯号测量输入接收功率。这些功能使系统在灵敏度和PCE性能之间找到最隹平衡点。图七是在868 MHz时 PCE与输入功率的关系。



图七 : 在868 MHz时 PCE与输入功率的关系
图七 : 在868 MHz时 PCE与输入功率的关系

当无电池BLE标签跨过读写器间距Dx时,Cstorage电容器的瞬间充电电流Idc(x)不是恒定电流,而是读写器与标签之间的距离x的函数。


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加、读写器与节点之间的最小和最大距离Dy和Dmax、RF-DC转接器的运作频率和 PCE效率。图八是RF-DC转接器的接收暂态电流Idc(x)与距离x的关系图,其中读写器与节点之间的最小距离Dy为0.5 m,RF-DC转接器灵敏度让读写器与节点之间最大距离Dmax为1.5 m。测试频率868 MHz,读写器发射功率设定为27 dBm。功率发射器和射频功率收集器均配备Laird的Revie Pro天线。



图八 : 在868 MHz时RF-DC输出电流与标签至读写器间距的关系
图八 : 在868 MHz时RF-DC输出电流与标签至读写器间距的关系

此外,在讨论WPT系统的设计方法後,关於无电池BLE标签速度测量系统,与系统装置、实验结果及其与在设计阶段获得的资料的相关性,则另叙文说明。


(本文作者Roberto La Rosa 1,2 and Catherine Dehollain 2 and Patrizia Livreri 3,


於1意法半导体,义大利卡塔尼亚;2瑞士洛桑联邦理工学院;3义大利巴勒莫大学工程系)


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