涉及精準(zhǔn)定位和運(yùn)輸資料的資產(chǎn)追蹤模組，非常適合組建無電池節(jié)點(diǎn)的無線感測器網(wǎng)路（WSN）。無電池的網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)幾乎可以部署在任何環(huán)境中，對(duì)維護(hù)工作的需求很少，甚至沒有。為了滿足市場對(duì)先進(jìn)無電池感測器標(biāo)籤解決方案日益增長的需求。

本文敘述一個(gè)無電池BLE資產(chǎn)追蹤標(biāo)籤的速度和讀寫器數(shù)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)係，提供一個(gè)能夠計(jì)算資產(chǎn)識(shí)別和測速所需讀寫器數(shù)量的設(shè)計(jì)策略和優(yōu)化模型，以茲證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與所提出模型之間的一致性，所提出的計(jì)算最小讀寫器數(shù)量和測量速度的方法的可行性。

繼前期<無電池資產(chǎn)追蹤模組的先進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)－基於射頻無線電力傳輸供電>一文提出一個(gè)在無線感測器網(wǎng)路中識(shí)別資產(chǎn)和監(jiān)測資產(chǎn)移動(dòng)速度的追蹤系統(tǒng)，無電池的資產(chǎn)標(biāo)籤透過射頻無線電力傳輸（WPT）架構(gòu)接收資料通訊所需電能，並採用一個(gè)獨(dú)有的測速方式產(chǎn)生時(shí)域速度讀數(shù)。

速度測量

本文介紹如何測量一個(gè)配備無電池BLE標(biāo)籤的資產(chǎn)，以恆定速度v透過資產(chǎn)追蹤系統(tǒng)時(shí)的速度。資產(chǎn)標(biāo)籤透過多個(gè)排成一條直線的間距相等的射頻讀寫器。下方是標(biāo)籤速度v的計(jì)算公式：

v =N0R．Iavg．Δx / Vh．Cstorage (1)

公式（1）表示如何根據(jù)BLE標(biāo)籤發(fā)射第一個(gè)資料包時(shí)所穿過的讀寫器數(shù)量NoR來預(yù)估資產(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)階段就確定下來了。

在實(shí)際系統(tǒng)中，這個(gè)公式相當(dāng)於在無電池BLE標(biāo)籤完成初始啟動(dòng)，向讀寫器發(fā)送資料後，獲悉已收到標(biāo)籤資料的讀寫器的序號(hào)。透過計(jì)算已收到最高接收訊號(hào)強(qiáng)度（RSSI）訊號(hào)之讀寫器的數(shù)量，可以確定讀寫器序號(hào)。將RSSI與BLE廣播資料包中包含的發(fā)射功率資訊一起使用，還可以確定訊號(hào)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(gè)計(jì)算結(jié)果代表優(yōu)化定速資產(chǎn)傳輸系統(tǒng)（例如輸送帶）的成本。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要專門的感測器來偵測物體的移動(dòng)速度，因?yàn)樵撡Y訊是系統(tǒng)固有參數(shù)。實(shí)際上，可以透過獲悉讀寫器偵測到的RSSI以及標(biāo)籤首次發(fā)射資料時(shí)所經(jīng)過的讀寫器的數(shù)量，來預(yù)估資產(chǎn)的傳輸速度。因此，透過在BLE讀寫器和無電池BLE資產(chǎn)標(biāo)籤之間使用一個(gè)簡單的RF WPT，該系統(tǒng)可以同時(shí)完成資產(chǎn)識(shí)別、速度偵測和控制功能，而無需安裝硬體速度感測器。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

出於實(shí)驗(yàn)?zāi)康模疚奶岢龅淖粉櫹到y(tǒng)被開發(fā)出來並進(jìn)行測試。實(shí)際系統(tǒng)規(guī)定讀寫器與標(biāo)籤的最小距離Dy = 0.4 m。系統(tǒng)晶片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在讀寫器與標(biāo)籤的最大距離Dmax = 1.5 m時(shí)，平均電流為1 A，根據(jù)公式（3），算出讀寫器間距Dx是2.9 m。

Δx = 2．√(Δmax)2-(Δy)2 (3)

標(biāo)籤BLE晶片加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位元組廣播資料包，輸出功率14dBm，如前文所述，在這種設(shè)定下，BLE的功耗EBLE預(yù)估約36 J，即BLE晶片從Cstorage電容器中消耗36 J功率。

根據(jù)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(tǒng)晶片的130m CMOS技術(shù)所允許的最大工作電壓定義的。設(shè)定Vl= 2V，是為了讓BLE晶片加1.8V偏置穩(wěn)壓，給DC/DC轉(zhuǎn)接器的功率級(jí)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(dòng)其它嵌入式感測器，在標(biāo)籤中使用了一個(gè)330 F的Cstorage電容器。實(shí)驗(yàn)裝置包括四個(gè)讀寫器、攜帶式示波器、機(jī)器人和無電池BLE標(biāo)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(gè)讀寫器都設(shè)為27 dBm發(fā)射功率。在測量過程中，標(biāo)籤與攜帶式示波器連線，透過機(jī)器人恆速與讀寫器平行移動(dòng)，標(biāo)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(shù)次。

圖一至三所示的波形描述了在初始啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)資料。這些圖表提供了根據(jù)標(biāo)籤速度v、讀寫器間距Dx、RF-DC轉(zhuǎn)接器輸出的平均電流Iavg、Vstor電壓最大值Vh和儲(chǔ)電電容等實(shí)驗(yàn)條件。

此外，這些圖表還呈現(xiàn)了透過公式所推算出的理論上的讀寫器數(shù)量NoR。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與以前的實(shí)驗(yàn)測量值有良好的關(guān)連性。還可以觀察到，在初始啟動(dòng)期間，電壓Vstor不會(huì)連續(xù)上升，而是根據(jù)標(biāo)籤的移動(dòng)速度階梯式上升。

由於標(biāo)籤連續(xù)透過四個(gè)讀寫器，因此，標(biāo)籤在初始啟動(dòng)後繼續(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，並且不是週期性的，因?yàn)樵跇?biāo)籤透過讀寫器的過程中，Cstorage電容的瞬間充電電流隨著標(biāo)籤的移動(dòng)而變化。

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

這些圖表證明公式預(yù)估結(jié)果是正確的。在資產(chǎn)追蹤系統(tǒng)中，初始啟動(dòng)是指資產(chǎn)第一次被追蹤識(shí)別的事件，完成初始啟動(dòng)階段所需的讀寫器數(shù)量NoR與資產(chǎn)移動(dòng)速度v相關(guān)，速度v越高，所需讀寫器數(shù)量NoR越多。最後，標(biāo)籤發(fā)射被追蹤資產(chǎn)的ID，讀寫器接收資訊，並發(fā)送到WSN網(wǎng)路。

圖一 : 標(biāo)籤以0.05 m/s的速度穿過讀寫器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖二 : 標(biāo)籤以0.1 m/s的速度穿過讀寫器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖三 : 標(biāo)籤以0.2m/s的速度穿過讀寫器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)功能驗(yàn)證測試是在有工業(yè)輸送帶的實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)裝置包括一條輸送帶、六個(gè)攜帶式讀寫器、無電池BLE標(biāo)籤和攜帶式示波器。輸送帶長18m，六個(gè)讀寫器設(shè)定為連續(xù)發(fā)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(biāo)籤間距Dy = 0.4 m，如圖四所示。

圖四 : 實(shí)驗(yàn)裝置：讀寫器的位置和安裝在輸送帶上的標(biāo)籤及標(biāo)籤所連的示波器。

圖五是標(biāo)籤和測量標(biāo)籤的攜帶式示波器。在完成初始啟動(dòng)階段前，標(biāo)籤一直在讀寫器之間往返移動(dòng)。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)籤安裝了一個(gè)330 F的Cstorage電容器，在跨過第 33個(gè)讀寫器後，完成初始啟動(dòng)階段，與前述公式的計(jì)算結(jié)果相符。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，Cstorage電容降到100 F，越過13個(gè)讀寫器後初始啟動(dòng)成功，完全符合前述公式的推算結(jié)果。

這些實(shí)驗(yàn)重複三遍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。

圖五 : 實(shí)驗(yàn)裝置：安裝在輸送帶上的標(biāo)籤及標(biāo)籤所連示波器。

結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一個(gè)採用RF WPT技術(shù)的無電池BLE標(biāo)籤資產(chǎn)追蹤系統(tǒng)，研究目的是探索有助於最大幅度減少射頻讀寫器數(shù)量的設(shè)計(jì)見解和最佳解決方案。基於這個(gè)研究目的，本文選擇了WPT和BLE通訊系統(tǒng)架構(gòu)，提出一個(gè)利用最大電壓Vh、RF-DC轉(zhuǎn)接器的靈敏度和PCE、標(biāo)籤的移動(dòng)速度、功耗等系統(tǒng)參數(shù)，計(jì)算所需最少讀寫器數(shù)量NoR的數(shù)學(xué)模型。本文還開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，並採用該方法計(jì)算讀寫器的最小數(shù)量。數(shù)學(xué)模型還針對(duì)專門設(shè)計(jì)和表徵的RF-DC轉(zhuǎn)接器的特定電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提供了設(shè)計(jì)見解和指導(dǎo)原則。

此外，本文還提供了無電池BLE資產(chǎn)追蹤標(biāo)籤的速度和讀寫器數(shù)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)係。最後，為證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與所提出模型之間的一致性，所提出的計(jì)算最小讀寫器數(shù)量和測量速度的方法的可行性，本文進(jìn)行了實(shí)際系統(tǒng)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(dǎo)體，義大利卡塔尼亞；2瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院；3義大利巴勒莫大學(xué)工程系）