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無電池資產追蹤模組的監控系統開發設計
無電池資產識別和測速
[作者 意法半導體]   2020年12月23日 星期三 瀏覽人次: [2159]

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。


本文敘述一個無電池BLE資產追蹤標籤的速度和讀寫器數量之間的數學關係,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,以茲證明實驗結果與所提出模型之間的一致性,所提出的計算最小讀寫器數量和測量速度的方法的可行性。


繼前期<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>一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。


速度測量

本文介紹如何測量一個配備無電池BLE標籤的資產,以恆定速度v透過資產追蹤系統時的速度。資產標籤透過多個排成一條直線的間距相等的射頻讀寫器。下方是標籤速度v的計算公式:


v =N0R.Iavg.Δx / Vh.Cstorage (1)


公式(1)表示如何根據BLE標籤發射第一個資料包時所穿過的讀寫器數量NoR來預估資產的移動速度,其中Vh、Iavg、Dx、Cstorage等參數都在系統設計階段就確定下來了。


在實際系統中,這個公式相當於在無電池BLE標籤完成初始啟動,向讀寫器發送資料後,獲悉已收到標籤資料的讀寫器的序號。透過計算已收到最高接收訊號強度(RSSI)訊號之讀寫器的數量,可以確定讀寫器序號。將RSSI與BLE廣播資料包中包含的發射功率資訊一起使用,還可以確定訊號的路徑損耗,並透過下方的公式確定裝置的距離:


Path loss = Tx_power – RSSI (2)


這個計算結果代表優化定速資產傳輸系統(例如輸送帶)的成本。這種方法的優點是不需要專門的感測器來偵測物體的移動速度,因為該資訊是系統固有參數。實際上,可以透過獲悉讀寫器偵測到的RSSI以及標籤首次發射資料時所經過的讀寫器的數量,來預估資產的傳輸速度。因此,透過在BLE讀寫器和無電池BLE資產標籤之間使用一個簡單的RF WPT,該系統可以同時完成資產識別、速度偵測和控制功能,而無需安裝硬體速度感測器。


實驗結果

出於實驗目的,本文提出的追蹤系統被開發出來並進行測試。實際系統規定讀寫器與標籤的最小距離Dy = 0.4 m。系統晶片的實驗結果顯示,在讀寫器與標籤的最大距離Dmax = 1.5 m時,平均電流為1 A,根據公式(3),算出讀寫器間距Dx是2.9 m。


Δx = 2.√(Δmax)2-(Δy)2 (3)


標籤BLE晶片加2V偏置電壓,配置為無法連接的無目標廣播模式,發射32位元組廣播資料包,輸出功率14dBm,如前文所述,在這種設定下,BLE的功耗EBLE預估約36 J,即BLE晶片從Cstorage電容器中消耗36 J功率。


根據公式(4),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 = 2.4V是由系統晶片的130m CMOS技術所允許的最大工作電壓定義的。設定Vl= 2V,是為了讓BLE晶片加1.8V偏置穩壓,給DC/DC轉接器的功率級提供200mV的電壓裕量。


Cstorage = 2.E BLE / Vh2-Vl2 = 2.36 uJ / (2.4)2- (2)2 = 40 uF (4)


為了提供一些功率裕量和更多的功率,以便可選擇性地啟動其它嵌入式感測器,在標籤中使用了一個330 F的Cstorage電容器。實驗裝置包括四個讀寫器、攜帶式示波器、機器人和無電池BLE標籤。把讀寫器排列成正方形,相鄰讀寫器2.9 公尺等長間距。每個讀寫器都設為27 dBm發射功率。在測量過程中,標籤與攜帶式示波器連線,透過機器人恆速與讀寫器平行移動,標籤與讀寫器的間距Dy保持恆定。在0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s三種不同的恆定速度下分別測量數次。


圖一至三所示的波形描述了在初始啟動及以後的過程中電壓Vstor的變化情況。這些資料是從其中一次測量中提取的,並給出了示波器獲取的實驗資料。這些圖表提供了根據標籤速度v、讀寫器間距Dx、RF-DC轉接器輸出的平均電流Iavg、Vstor電壓最大值Vh和儲電電容等實驗條件。


此外,這些圖表還呈現了透過公式所推算出的理論上的讀寫器數量NoR。這些實驗結果與以前的實驗測量值有良好的關連性。還可以觀察到,在初始啟動期間,電壓Vstor不會連續上升,而是根據標籤的移動速度階梯式上升。


由於標籤連續透過四個讀寫器,因此,標籤在初始啟動後繼續保持充電和發射狀態。充放電模式似乎是不規則的,並且不是週期性的,因為在標籤透過讀寫器的過程中,Cstorage電容的瞬間充電電流隨著標籤的移動而變化。


因此,可以觀察到當標籤逐漸接近讀寫器時,電壓Vstor的上升速率非常快,而當標籤逐漸遠離讀寫器時,上升速率較慢。充電電流的不連續性是產生不規則且非週期性的充放電模式的原因,這與透過WPT為靜止標籤充電的情況完全不同。


這些圖表證明公式預估結果是正確的。在資產追蹤系統中,初始啟動是指資產第一次被追蹤識別的事件,完成初始啟動階段所需的讀寫器數量NoR與資產移動速度v相關,速度v越高,所需讀寫器數量NoR越多。最後,標籤發射被追蹤資產的ID,讀寫器接收資訊,並發送到WSN網路。



圖一 : 標籤以0.05 m/s的速度穿過讀寫器的實驗結果
圖一 : 標籤以0.05 m/s的速度穿過讀寫器的實驗結果

圖二 : 標籤以0.1 m/s的速度穿過讀寫器的實驗結果
圖二 : 標籤以0.1 m/s的速度穿過讀寫器的實驗結果

圖三 : 標籤以0.2m/s的速度穿過讀寫器的實驗結果
圖三 : 標籤以0.2m/s的速度穿過讀寫器的實驗結果

系統功能驗證測試是在有工業輸送帶的實際環境中進行的。實驗裝置包括一條輸送帶、六個攜帶式讀寫器、無電池BLE標籤和攜帶式示波器。輸送帶長18m,六個讀寫器設定為連續發射功率27 dBm,並輸送帶一邊等間距排列位置,讀寫器間距Dx = 2.9m,讀寫器與標籤間距Dy = 0.4 m,如圖四所示。



圖四 : 實驗裝置:讀寫器的位置和安裝在輸送帶上的標籤及標籤所連的示波器。
圖四 : 實驗裝置:讀寫器的位置和安裝在輸送帶上的標籤及標籤所連的示波器。

圖五是標籤和測量標籤的攜帶式示波器。在完成初始啟動階段前,標籤一直在讀寫器之間往返移動。在第一個實驗中,標籤安裝了一個330 F的Cstorage電容器,在跨過第 33個讀寫器後,完成初始啟動階段,與前述公式的計算結果相符。在第二個實驗中,Cstorage電容降到100 F,越過13個讀寫器後初始啟動成功,完全符合前述公式的推算結果。


這些實驗重複三遍,實驗結果相同。



圖五 : 實驗裝置:安裝在輸送帶上的標籤及標籤所連示波器。
圖五 : 實驗裝置:安裝在輸送帶上的標籤及標籤所連示波器。

結論

本文詳細介紹了一個採用RF WPT技術的無電池BLE標籤資產追蹤系統,研究目的是探索有助於最大幅度減少射頻讀寫器數量的設計見解和最佳解決方案。基於這個研究目的,本文選擇了WPT和BLE通訊系統架構,提出一個利用最大電壓Vh、RF-DC轉接器的靈敏度和PCE、標籤的移動速度、功耗等系統參數,計算所需最少讀寫器數量NoR的數學模型。本文還開發一個系統設計方法,並採用該方法計算讀寫器的最小數量。數學模型還針對專門設計和表徵的RF-DC轉接器的特定電路系統結構,提供了設計見解和指導原則。


此外,本文還提供了無電池BLE資產追蹤標籤的速度和讀寫器數量之間的數學關係。最後,為證明實驗結果與所提出模型之間的一致性,所提出的計算最小讀寫器數量和測量速度的方法的可行性,本文進行了實際系統測試。


(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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