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)

當(dāng)無(wú)電池BLE 標(biāo)簽跨過(guò)讀取器間距Dx 時(shí)，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(wú)電池BLE 標(biāo)簽跨越讀取器間距Dx 時(shí)接收到的平均充電電流Iavg 的計(jì)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(diǎn)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(shí)電流Idc(x)與距離x 的關(guān)系圖，其中讀取器與節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間最大距離Dmax 為1.5 m。表征測(cè)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(shí)RF-DC 輸出電流與標(biāo)簽至讀取器間距的關(guān)系

4.   速度測(cè)量

本部分介紹如何測(cè)量一個(gè)配備無(wú)電池BLE 標(biāo)簽的資產(chǎn)，以恒定速度v 通過(guò)資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)時(shí)的速度。測(cè)速場(chǎng)景與圖4 所示的場(chǎng)景相同，資產(chǎn)標(biāo)簽通過(guò)多個(gè)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(jì)算公式：

   (7)

公式(7)表示如何根據(jù)BLE 標(biāo)簽發(fā)射第一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)所穿過(guò)的讀取器數(shù)量NoR 來(lái)估算資產(chǎn)的移動(dòng)速度，其中Vh、Iavg、Dx、Cstorage 等參數(shù)都在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就確定下來(lái)了。在實(shí)際系統(tǒng)中，這個(gè)公式相當(dāng)于在無(wú)電池BLE 標(biāo)簽完成初始啟動(dòng)，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(hào)。通過(guò)計(jì)算已收到RSSI(最高接收信號(hào)強(qiáng)度)信號(hào)的讀取器的數(shù)量,可以確定讀取器序號(hào)。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(hào)的路徑損耗，并通過(guò)下面的公式確定設(shè)備的距離：

   (8)

這個(gè)計(jì)算結(jié)果可以幫助優(yōu)化定速資產(chǎn)運(yùn)送系統(tǒng)（例如傳送帶）的成本。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要專(zhuān)門(mén)的傳感器來(lái)檢測(cè)物體的移動(dòng)速度，因?yàn)樵撔畔⑹窍到y(tǒng)固有參數(shù)。實(shí)際上，可以通過(guò)獲悉讀取器檢測(cè)到的RSSI 以及標(biāo)簽首次發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)所經(jīng)過(guò)的讀取器的數(shù)量，來(lái)估計(jì)資產(chǎn)的運(yùn)輸速度。因此，通過(guò)在BLE 讀取器和無(wú)電池BLE 資產(chǎn)標(biāo)簽之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的RF WPT，該系統(tǒng)可以同時(shí)完成資產(chǎn)識(shí)別、速度檢測(cè)和控制功能，而無(wú)需安裝硬件速度傳感器。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

出于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，本文提出的跟蹤系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(wú)法連接的無(wú)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(jì)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(jí)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(gè)330 F 的Cstorage 電容器。實(shí)驗(yàn)裝置包括四個(gè)讀取器、便攜式示波器、機(jī)器人和無(wú)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(zhǎng)間距。每個(gè)讀取器都設(shè)為27 dBm 發(fā)射功率。在測(cè)量過(guò)程中，標(biāo)簽連接便攜式示波器，通過(guò)機(jī)器人恒速與讀取器平行移動(dòng)，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(cè)量數(shù)次。圖9-11 所示的波形描述了在初始啟動(dòng)及以后的過(guò)程中電壓Vstor 的變化情況。這些數(shù)據(jù)是從其中一次測(cè)量中提取的，并給出了示波器獲取的實(shí)驗(yàn)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(chǔ)電電容等實(shí)驗(yàn)條件。此外，這些圖表還給出了通過(guò)公式（5）推算出的理論上的讀取器數(shù)量NoR。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與以前的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值有良好的相關(guān)性。還可以觀察到，在初始啟動(dòng)期間，電壓V_stor 不會(huì)連續(xù)上升，而是根據(jù)標(biāo)簽的移動(dòng)速度階梯式上升。由于標(biāo)簽連續(xù)通過(guò)四個(gè)讀取器，因此，標(biāo)簽在初始啟動(dòng)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?yàn)樵跇?biāo)簽通過(guò)讀取器的過(guò)程中，C_storage 電容的瞬間充電電流隨著標(biāo)簽的移動(dòng)而變化。因此，可以觀察到，當(dāng)標(biāo)簽逐漸接近讀取器時(shí)，電壓Vstor 的上升速率非常快，而當(dāng)標(biāo)簽逐漸遠(yuǎn)離讀取器時(shí)，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(guò)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(dòng)是指資產(chǎn)第一次被跟蹤識(shí)別的事件，完成初始啟動(dòng)階段所需的讀取器數(shù)量NoR 與資產(chǎn)移動(dòng)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(guò)讀取器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果