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無電池資產追蹤模組的先進監控系統
基於射頻無線電力傳輸供電

【作者: 意法半導體】   2020年11月27日 星期五

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涉及精準定位和運輸資料的資產追蹤模組,非常適合組建無電池節點的無線感測器網路(WSN)。無電池的網路節點幾乎可以部署在任何環境中,對維護工作的需求很少,甚至沒有。為了滿足市場對先進無電池感測器標籤解決方案日益增長的需求,本文提出一個在無線感測器網路中識別資產和監測資產移動速度的追蹤系統,無電池的資產標籤透過射頻無線電力傳輸(WPT)架構接收資料通訊所需電能,並採用一個獨有的測速方式產生時域速度讀數。


此外,本文還評測了一款RF WPT供電節點專用系統單晶片(SoC)的性能特性和主要功能,提出一個創新而且能夠解決最高功率轉換效率(PCE)與靈敏度相互對立和,功率轉換效率與最高靈敏度相互對立問題的RF-DC轉換解決方案,還提供一個能夠計算資產識別和測速所需讀寫器數量的設計策略和優化模型,進行模型驗證測試,並證明本文所提出的先進監控系統可行性的實驗結果。


物聯網(IoT)技術及連網裝置和智慧解決方案的開發應用,讓有望顯著改善人們日常生活的新興無線感測器網路(WSN)取得空前發展。無線智慧感測器節點預計會出現在與物聯網相關的所有新興應用領域。實際上,針對智慧城市、家庭自動化、辦公自動化,有些企業已經推出了旨在提升服務品質、舒適性、安全性和能效的無線感測器網路平台。因為能夠追蹤資產、個人物品等物資的準確位置和運輸狀況,無線感測器網路還是資產追蹤應用的理想選擇。


在此應用領域,感測器節點向無線網路發送與資產的存在、品名、位置和移動速度相關的資訊。因為系統傳輸的資料很少,所以對電能和頻寬的要求不高。理想的資產追蹤標籤是一種幾乎可以在任何地方使用之價格低廉、免維護的非一次性裝置。一個切實有效的資產追蹤解決方案需要內建通訊、感知、訊號處理、電源管理和自發電等功能,相較於僅適用於近距離物品識別的簡單標籤應答器有很大的不同。


如今,無線感測器節點是一種更加複雜的有感知、分析和通訊功能的裝置,不過,其對電能的需求也變得更大,必需使用電池才能滿足供電需求,導致廠商的系統成本、維護和小型化負擔加重。因此,除了尺寸、成本等要素外,功耗和在最大通訊距離時的最大輸送量是無線感測器網路節點最顯著的特性。透過整合高效能通訊方案與低功耗設計,無線感測器網路節點可以將電池壽命延長至數月甚至幾年,因此,低功耗無線感測器網路設計廣泛使用免許可之ISM (亦即工業、醫學和科學) 頻段的無線協定,例如ZigBee、藍牙(Bluetooth)和低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy;BLE)。尤其是BLE協定,可降低功耗,易於設置,與智慧裝置連線簡單。


透過策略性的硬體和韌體協同設計,以及在最終應用中全面優化無線通訊協定,可以實現低耗能和高能效。傳統電池供電系統並非最佳解決方案,因為電池會在成本、重量和尺寸方面帶來更多的問題,電池壽命和系統維護就更不用說了。


此外,電池和超級電容的使用也為系統電源管理帶來問題。無線感測器網路的維護不僅反映在成本方面;在電氣安全和檢修便利性方面,維護工作也可能變得十分複雜,某些工作環境可能太熱,致使電池無法安全可靠地供電。在正常工況環境中,透過降低或消除待機功耗,可以大幅減少電池電量的消耗並延長電池壽命,進一步縮減系統體積,減少維護干預次數。將射頻無線電力傳輸(WPT)技術用於遠距離無線充電,也可以便於電池供電節點的維護工作。


雖然這些解決方案可以緩解系統維護和小型化相關問題,但不能一下解決全部問題。在可行的情況下,例如,在低空間使用率之感測器的應用中,更理想的解決辦法是開發無電池設備,其明顯優勢是非一次性產品,使用壽命幾乎無限,成本效益更高,可用於電池可能會引發危險的環境。


由於這些原因,無電池解決方案風生水起,越來越多的工程師選擇包括RF EH和WPT在內的可再生能量收集(EH)技術。開發高效能的WPT和RF EH應用並非易事,因為即使射頻能量無所不在,並且能夠發射到視線看不到的地方,但其功率轉換效率(PCE)到目前仍然很低,針對這個問題,許多研究人員發表了極具啟發性的論文。


本文針對這一研究領域,研究在無線感測器網路基礎建設中,在電能發射器(讀寫器)與射頻自供電的無電池BLE標籤之間使用RF WPT技術,探討使用無電池BLE標籤設計資產追蹤系統所面臨的技術挑戰,並提出對應的解決方案。在讀寫器和標籤的間距隨時變化的動態環境中,標籤以某一速度相對於讀寫器移動。這項研究的顯著特點是,在移動環境中進行RF WPT充電,透過BLE技術傳輸資料。這項研究的重點是預估為移動標籤連續供電所需最小讀寫器數量,並介紹無任何電池的感測器如何透過RF WPT自供電,測量資產移動速度,產生時域讀數,並透過物聯網機制傳輸資料。最後,本文提供了資產識別測速所需的最佳讀寫器數量、基礎建設設計策略和數學模型。


本文詳細討論了RF WPT供電節點專用系統晶片(SoC)的關鍵特性、體系結構和性能特徵,提供了具體的測試、模擬和實驗結果。本文的結構如下:第2部分從讀寫器和無電池BLE資產標籤的角度介紹系統架構。第3部分討論WPT系統的設計方法,其中包括當系統關鍵參數給定時,用於求算最佳設計所需最少之射頻讀寫器數量的公式和假設。至於無電池BLE標籤速度測量系統,與系統裝置、實驗結果及其與在設計階段獲得的資料的相關性,則另後敘說明。


系統說明

遠距離射頻無線電力傳輸(WPT)系統用於為無電池BLE資產標籤遠端供電。圖一是資產追蹤系統的架構圖,該系統架構採用雙頻系統,WPT輸電和資料通訊兩個元件使用不同的頻率。對於遠端電力傳輸,標籤讀寫器和標籤使用無需許可的ISM頻段,載波中心頻率868 MHz。讀寫器與資產標籤的資料通訊採用2.4 GHz ISM頻段,頻寬80 MHz。讀寫器工作頻率的選擇對於電力傳輸非常重要,這需要在標籤和讀寫器的尺寸限制與自由空間路徑損耗(FSPL)最小化之間權衡折衷。事實上,尺寸限制與自由空間路徑損耗最小化這兩個要求是相互對立的,因為標籤尺寸很大程度上取決於天線尺寸,天線大小與工作頻率成反比,而工作頻率又直接影響FSPL性能。


根據Friis傳輸公式,在自由空間中,868 MHz頻段典型無線電力傳輸一公尺後,傳輸功率將會衰減30 dB(1/1000),然後每10 公尺就會繼續衰減20 dB。相較之下,為讀寫器選擇2.4 GHz頻率將導致傳輸功率在僅一公尺傳輸距離內就衰減40 dB(1/10,000)或者一個更大量級。這突顯能量傳輸效率低是RF WPT技術固有的缺點,因此,需要對新架構和設計參數選擇進行持續研究。儘管存在這些先天不足,射頻電力傳輸仍然不失為一個為物聯網和無線感測器節點等低功耗裝置供電的便捷方式[54,69,70]。資料通訊使用一個BLE射頻晶片,因為追蹤系統需要一個符合相關資料交換量和通訊速率規範的超低功耗射頻晶片。此外,BLE射頻晶片允許天線設計得非常小。


實際的BLE讀寫器是由一個低功耗射頻sub-GHz收發器和一個BLE接收器組成。射頻收發器是意法半導體的Spirit1晶片,配備最高輸出功率27 dBm的功率放大器,而BLE晶片是意法半導體的符合藍牙5.0規範的BLE系統晶片BLUENRG-2。


標籤系統體系架構是由兩顆晶片組成。無線電力傳輸專用系統晶片接收並轉換射頻能量,標籤資料通訊使用與讀寫器相同的BLE射頻晶片。接收射頻能量的系統晶片對資產追蹤系統性能至關重要,我們將用數學方法證明,RF-DC轉接器的PCE效率和靈敏度性能在確定讀寫器數量過程中的重要性。


顯然,這兩個參數性能高會減少所需的讀寫器數量,進而降低系統總成本。本研究案例中使用的系統晶片是一個2W自供電晶片,內建一個寬頻(350 MHz-2.4 GHz)RF–DC轉接器,在868 MHz頻率時,PCE最大值為37%,輸入功率為18 dBm,最大輸出電壓為2.4V。超低功耗管理元件的靜態電流性能是決定系統靈敏度高低的關鍵。


圖一描述了該系統晶片的體統架構,元件包括RF-DC轉接器、超低功耗管理元件、數位有限狀態機(FSM)和DC/DC轉接器。外部天線連線系統晶片的RFin輸入腳位,用於收集射頻功率。RF-DC轉接器將射頻功率轉換為直流電能,透過輸出腳位Vdc向外部儲電電容器Cstorage充電。



圖一 : 射頻無線電力傳輸系統
圖一 : 射頻無線電力傳輸系統

此外,RF-DC轉接器還產生一個直流開路電壓Voc,用於間接測量射頻輸入功率。Voc和Vdc電壓是超低功耗管理元件的輸入端,為FSM元件供電。RF-DC轉接器、超低功耗管理和FSM這三個元件組成一個閉環。根據Voc訊號間接測量到的輸入射頻功率,數位訊號匯流排即時更新Nos訊號,為RF-DC轉接器選擇正確的級數(CMOS倍壓電路)。RF-DC轉接器、超低功耗管理模組和FSM元件形成的環路執行最大功率點追蹤(MPPT)運算,在射頻輸入功率變化過程中從射頻提取最大的功率。這個原理概念將在第3部分中詳細討論。


從功能角度看,該系統晶片將從讀寫器接收的射頻功率轉換為直流電壓Vdc,充入外部儲電電容器Cstorage。在輸入功率相同的條件下,靜態電流越低,傳輸到儲電電容器的淨電流就越大。該系統晶片整合了最小靜態電流僅為75 nA的超低功耗管理電路,能夠節省至少2W的電能。


圖二提供三種不同的且完整之透過三個不同的BLE廣播頻道發送資料包的BLE廣播發射方式。BLE裝置設定為無法連接的無目標廣播模式,14dBm發射功率,發射32位元組廣播資料包。在此作業模式下,BLE裝置未與任何網路連線,能夠廣播任何類型的資訊,包括環境資料(溫度、氣壓、濕度等)、微位置資料(資產追蹤、零售等)或方向資料(加速度,旋轉,速度等)。



圖二 : 系統晶片的功能訊號
圖二 : 系統晶片的功能訊號

當標籤接收到讀寫器發射的功率時,儲電電容器充電,Vstor電壓開始上升,直到最大值Vh為止。此時,超低功耗管理元件驅動DC/DC轉接器,透過Vout為BLE設備供電。當電壓Vout高於BLE設備最低工作電壓(1.8 V)時,藍牙電路啟動,然後廣播資料資訊。因為藍牙通訊所需電流遠高於射頻訊號轉化的電流,所以Cstorage電容器不可避免地會放電。實際上,如圖三所示,Cstorage電容器為BLE裝置供電的峰值電流是毫安培級,而射頻功率轉換的電流通常是微安級,因此,作業電流遠高於收集轉換的功率。



圖三 : 低功耗藍牙(BLE)的電流消耗
圖三 : 低功耗藍牙(BLE)的電流消耗

BLE裝置一旦停止作業,就會立即拉高shdnb訊號,觸發系統晶片內部的有限狀態機(FSM)重置en訊號,關閉DC/DC轉接器,同時Vout電壓下降。因為電壓Vout下降,而且BLE裝置不再加偏置電壓,所以 shdnb訊號拉低電平,這可以控制儲電電容中的電壓下降,將其限制在BLE裝置的功率要求範圍內,這些要求會隨BLE裝置的廣播資料包長度和輸出發射功率配置而變化。例如,若BLE裝置加2V平均偏置電壓,配置為無法連接的無目標廣播模式,14 dBm發射功率,傳輸32位元組廣告資料包,則啟動時間預估約2.4毫秒,啟動過程平均電流預估約7.5 mA,發射功耗預估約36J。


如果發射輸出功率增加到+8 dBm,啟動過程預估時間不會改變,因為這個參數僅與廣播資料包的長度有關;啟動過程平均電流預估增加到13.4 mA,因此,發射功耗預估上升到65J。廣播資料包長度也會影響BLE發送資料所需功率。若將BLE裝置設定為14 dBm發射功率,發送16位元組廣播資料,則啟動過程時間預估減少至2毫秒,啟動過程平均電流預估約7 mA,發射功耗預估約28 J。Vstor的電壓降始終保持在最低值,不受BLE配置變化的影響,因此,系統可以更早地切換到提取功率模式,以最大幅度降低佔空比。這是這款系統晶片的一個獨有功能,可以與任何物聯網節點建立閉環通訊。


在本案例研究中,作業環境是典型的動態資產追蹤系統,資產相對於讀寫器以特定速度v移動。需要注意的是,在這種情況下,標籤不是靜止不動的,並且接收到的功率不能視為恆定能量。因此,該節點必須途經若干個讀寫器才能完成初始啟動,使電壓Vstor從0V上升到最大電壓Vh,所需讀寫器的具體數量取決於BLE發射廣播資料包所需功率、為儲電電容器充電的平均功率Pav、標籤的移動速度v。


值得注意的是,標籤是移動的,功率Pav不是恆定的,因此,在標籤初始啟動期間,電壓Vstor不是連續上升,而是階梯式上升。圖四所示是電壓Vstor在初始啟動期間和穩態時的特性。該圖描述一個正在向前移動的標籤,但值得注意的是,標籤的移動方向與無線電力傳輸過程無關。可以觀察到,該節點必須途經若干個讀寫器才能完成初始啟動,所需讀寫器的具體數量取決於BLE發射信標所需的功率、標籤接收到可用的射頻功率、標籤的移動速度v。


此後,讀寫器射頻功率轉換的電流和BLE射頻電流對Cstorage電容器交替充放電,兩種電流的強度都非常不平均。下一部分將討論系統設計,包括一些設計見解,並討論如何根據BLE射頻所需功率和標籤移動速度等已知系統規範,推論出讀寫器尺寸和最低安裝數量。下一部分還從靈敏度和PCE方面討論影響RF-DC性能的因素。


系統設計

本文的主要研究目的是如何將基礎建設成本降至最低,基礎建設成本與讀寫器的安裝數量直接相關。圖四顯示完成初始啟動所需讀寫器的數量NoR與兩個參數相關:一個是電壓Vstor可以達到的最大值Vh,另一個是標籤每次跨越讀寫器間距Dx後電壓增量DVstor。Vstor的增加電壓DVstor與RF-DC轉接器輸出的平均電流Iavg以及標籤跨過讀寫器間距Dx所用時間Dt相關,其中Cstorage是儲電電容。在資產運輸系統中,物體的移動速度v保持恆定。



圖四 : 無線電力傳輸和Vstor 的關係變化
圖四 : 無線電力傳輸和Vstor 的關係變化

實際上,公式(5)在對系統性能有影響的基本參數之間建立起一個有用的關係,為設計系統重要參數提供了有價值的見解,能夠幫助設計人員選擇最佳的系統架構,獲得最佳的性能。該公式顯示,在儲電電容Cstorage、電壓Vstor的最大值Vh和標籤速度v設定時,透過最大化Iavg和Dx的乘積可以實現最佳性能。


參數Iavg和Dx都與RF-DC轉接器的設計和架構有關。實際上,Iavg是RF-DC轉接器輸出的平均電流,電流值與PCE性能有關,因此,若發射功率已定,則PCE越高, Iavg電流值就越大。Dx取決於RF-DC轉接器的靈敏度性能,因此,靈敏度性能越高,讀寫器間距就越大。為了減少讀寫器數量,必須將靈敏度和PCE雙雙提高。資產追蹤系統中的無線電力傳輸需要處理千差萬別的功率狀況。事實上,根據讀寫器與標籤的間距、天線方向、發射通道數量,輸入功率在從極低到較高的範圍內變化,更嚴重的是,可用輸入功率大小可能是隨機變化的。


在本文提出的系統中,資產標籤在經過讀寫器時需要處理輸入功率的巨大變化。當位於讀寫器掃描範圍的最遠端時,標籤接收到功率很小;隨著標籤逐漸接近讀寫器,收到的功率越來越高。標準RF-DC轉接器系統結構僅優化標籤距離讀寫器相對較遠時的接收靈敏度,不適用本文提出的系統。同理,僅優化標籤在某一特定輸入功率時的PCE性能,儘管當標籤靠近讀寫器時效果良好,但也不勝任本文提出的系統。


當然,在靜態作業條件下,讀寫器和標籤之間的距離是固定並已知的,這些解決方案可能效果理想,但在動態作業條件下則差強人意。不幸的是,對於典型的RF-DC電路架構,很難同時優化靈敏度和PCE性能,因為這兩個參數往往是相互對立的。因此,動態系統需要具有利用MPPT技術在較大範圍內動態追蹤可用能量的能力。所有的MPPT技術都有一個共同的要求,就是測量輸入功率。


然而,這在超低功率環境中並不是一項簡單的事情,因為這個功能不可避免地會消耗更多的功率,並有可能進一步降低系統的PCE效率,這也是為什麼在被收集功率非常低的情況下,通常很難確定MPPT電路是否有使用價值的原因。


關於這一專題,一種創新技術介紹了如何透過監測複製和空載的通用功率採集器(RF-DC轉接器)的輸出DC開路電壓,有效、動態地追蹤標籤接收到的輸入功率。CMOS RF-DC轉接器的典型結構是一系列級聯倍壓器,即經典的兩級Dickson電荷泵。達到系統要求的靈敏度功率值必需使用多級電荷泵。


此外,在設定輸入功率值Pin時,電路PCE性能通常是最大值,Pin取值非常接近或在大多數情況下就是靈敏度功率值。系統使輸出DC電壓保持固定,通常使用最大電壓。但是,如果輸出DC電壓恆定,並且級數NoS保持不變,則隨著輸入功率提升,電路不再是最理想狀態,效能將會降低。如圖五所示,這是一個基於6級RF-DC轉接器的系統,射頻功率分為三個等級:P1 = 18 dBm(靈敏度功率值),P2 = 12 dBm和P3 = 6 dBm。



圖五 : 靜態RF-DC轉接器的功率轉換效率(PCE) 與DC輸出電壓關係
圖五 : 靜態RF-DC轉接器的功率轉換效率(PCE) 與DC輸出電壓關係

因此,如圖六所示,為了保持最高的靈敏度性能,同時恢復和優化PCE性能,必須根據已知輸入功率Pin改變轉接器的級數NoS。此外,圖六還給出了一個三級RF-DC轉接器的三種不同設定,即N1 = 6,N2 = 4和N3 =2。當級數最高時,NoS = N1 = 6,PCE數值在最低輸入功率Pin= P1 = 18 dBm時最大。如果功率增加到Pin = P2 = 12 dBm,透過將級數減少到NoS = N2 = 4,可以達到最大PCE。當輸入功率進一步增加到Pin = P3 = 6 dBm時,要想獲得最高 PCE,級數必須減到NoS = N3 = 2。



圖六 : 動態RF-DC轉接器的功率轉換效率(PCE) 與DC輸出電壓關係.
圖六 : 動態RF-DC轉接器的功率轉換效率(PCE) 與DC輸出電壓關係.

在本文提出的系統設計建議,RF-DC轉接器採用868 MHz頻率。有限狀態機(FSM)電路發出數位訊號NoS,用於確定RF-DC轉接器的最佳級數,如圖一所示。超低功耗管理元件透過開路電壓Voc訊號測量輸入接收功率。這些功能使系統在靈敏度和PCE性能之間找到最佳平衡點。圖七是在868 MHz時 PCE與輸入功率的關係。



圖七 : 在868 MHz時 PCE與輸入功率的關係
圖七 : 在868 MHz時 PCE與輸入功率的關係

當無電池BLE標籤跨過讀寫器間距Dx時,Cstorage電容器的瞬間充電電流Idc(x)不是恆定電流,而是讀寫器與標籤之間的距離x的函數。


Idc(x)是接收到的瞬間電流,電流大小與以下因素相關:發射功率、接收和發射天線的增加、讀寫器與節點之間的最小和最大距離Dy和Dmax、RF-DC轉接器的運作頻率和 PCE效率。圖八是RF-DC轉接器的接收暫態電流Idc(x)與距離x的關係圖,其中讀寫器與節點之間的最小距離Dy為0.5 m,RF-DC轉接器靈敏度讓讀寫器與節點之間最大距離Dmax為1.5 m。測試頻率868 MHz,讀寫器發射功率設定為27 dBm。功率發射器和射頻功率收集器均配備Laird的Revie Pro天線。



圖八 : 在868 MHz時RF-DC輸出電流與標籤至讀寫器間距的關係
圖八 : 在868 MHz時RF-DC輸出電流與標籤至讀寫器間距的關係

此外,在討論WPT系統的設計方法後,關於無電池BLE標籤速度測量系統,與系統裝置、實驗結果及其與在設計階段獲得的資料的相關性,則另敘文說明。


(本文作者Roberto La Rosa 1,2 and Catherine Dehollain 2 and Patrizia Livreri 3於1意法半導體,義大利卡塔尼亞;2瑞士洛桑聯邦理工學院;3義大利巴勒莫大學工程系)


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