账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
无电池资产追踪模组的监控系统开发设计
无电池资产识别和测速

【作者: 意法半導體】2020年12月23日 星期三

浏览人次:【2084】
  

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。


本文叙述一个无电池BLE资产追踪标签的速度和读写器数量之间的数学关系,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,以兹证明实验结果与所提出模型之间的一致性,所提出的计算最小读写器数量和测量速度的方法的可行性。


继前期<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>一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。


速度测量

本文介绍如何测量一个配备无电池BLE标签的资产,以恒定速度v透过资产追踪系统时的速度。资产标签透过多个排成一条直线的间距相等的射频读写器。下方是标签速度v的计算公式:


v =N0R.Iavg.Δx / Vh.Cstorage (1)


公式(1)表示如何根据BLE标签发射第一个资料包时所穿过的读写器数量NoR来预估资产的移动速度,其中Vh、Iavg、Dx、Cstorage等叁数都在系统设计阶段就确定下来了。


在实际系统中,这个公式相当於在无电池BLE标签完成初始启动,向读写器发送资料後,获悉已收到标签资料的读写器的序号。透过计算已收到最高接收讯号强度(RSSI)讯号之读写器的数量,可以确定读写器序号。将RSSI与BLE广播资料包中包含的发射功率资讯一起使用,还可以确定讯号的路径损耗,并透过下方的公式确定装置的距离:


Path loss = Tx_power - RSSI (2)


这个计算结果代表优化定速资产传输系统(例如输送带)的成本。这种方法的优点是不需要专门的感测器来侦测物体的移动速度,因为该资讯是系统固有叁数。实际上,可以透过获悉读写器侦测到的RSSI以及标签首次发射资料时所经过的读写器的数量,来预估资产的传输速度。因此,透过在BLE读写器和无电池BLE资产标签之间使用一个简单的RF WPT,该系统可以同时完成资产识别、速度侦测和控制功能,而无需安装硬体速度感测器。


实验结果

出於实验目的,本文提出的追踪系统被开发出来并进行测试。实际系统规定读写器与标签的最小距离Dy = 0.4 m。系统晶片的实验结果显示,在读写器与标签的最大距离Dmax = 1.5 m时,平均电流为1 A,根据公式(3),算出读写器间距Dx是2.9 m。


Δx = 2.??(Δmax)2-(Δy)2 (3)


标签BLE晶片加2V偏置电压,配置为无法连接的无目标广播模式,发射32位元组广播资料包,输出功率14dBm,如前文所述,在这种设定下,BLE的功耗EBLE预估约36 J,即BLE晶片从Cstorage电容器中消耗36 J功率。


根据公式(4),为了最小化Cstorage电容值,电压Vstor的最大值Vh尽可能选择最高值,而最小值Vl尽可能选择最低值。因此,Vh = 2.4V是由系统晶片的130m CMOS技术所允许的最大工作电压定义的。设定Vl= 2V,是为了让BLE晶片加1.8V偏置稳压,给DC/DC转接器的功率级提供200mV的电压裕量。


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


为了提供一些功率裕量和更多的功率,以便可选择性地启动其它嵌入式感测器,在标签中使用了一个330 F的Cstorage电容器。实验装置包括四个读写器、携带式示波器、机器人和无电池BLE标签。把读写器排列成正方形,相邻读写器2.9 公尺等长间距。每个读写器都设为27 dBm发射功率。在测量过程中,标签与携带式示波器连线,透过机器人恒速与读写器平行移动,标签与读写器的间距Dy保持恒定。在0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s三种不同的恒定速度下分别测量数次。


图一至三所示的波形描述了在初始启动及以後的过程中电压Vstor的变化情况。这些资料是从其中一次测量中提取的,并给出了示波器获取的实验资料。这些图表提供了根据标签速度v、读写器间距Dx、RF-DC转接器输出的平均电流Iavg、Vstor电压最大值Vh和储电电容等实验条件。


此外,这些图表还呈现了透过公式所推算出的理论上的读写器数量NoR。这些实验结果与以前的实验测量值有良好的关连性。还可以观察到,在初始启动期间,电压Vstor不会连续上升,而是根据标签的移动速度阶梯式上升。


由於标签连续透过四个读写器,因此,标签在初始启动後继续保持充电和发射状态。充放电模式似??是不规则的,并且不是周期性的,因为在标签透过读写器的过程中,Cstorage电容的瞬间充电电流随着标签的移动而变化。


因此,可以观察到当标签逐渐接近读写器时,电压Vstor的上升速率非常快,而当标签逐渐远离读写器时,上升速率较慢。充电电流的不连续性是产生不规则且非周期性的充放电模式的原因,这与透过WPT为静止标签充电的情况完全不同。


这些图表证明公式预估结果是正确的。在资产追踪系统中,初始启动是指资产第一次被追踪识别的事件,完成初始启动阶段所需的读写器数量NoR与资产移动速度v相关,速度v越高,所需读写器数量NoR越多。最後,标签发射被追踪资产的ID,读写器接收资讯,并发送到WSN网路。



图一 : 标签以0.05 m/s的速度穿过读写器的实验结果
图一 : 标签以0.05 m/s的速度穿过读写器的实验结果

图二 : 标签以0.1 m/s的速度穿过读写器的实验结果
图二 : 标签以0.1 m/s的速度穿过读写器的实验结果

图三 : 标签以0.2m/s的速度穿过读写器的实验结果
图三 : 标签以0.2m/s的速度穿过读写器的实验结果

系统功能验证测试是在有工业输送带的实际环境中进行的。实验装置包括一条输送带、六个携带式读写器、无电池BLE标签和携带式示波器。输送带长18m,六个读写器设定为连续发射功率27 dBm,并输送带一边等间距排列位置,读写器间距Dx = 2.9m,读写器与标签间距Dy = 0.4 m,如图四所示。



图四 : 实验装置:读写器的位置和安装在输送带上的标签及标签所连的示波器。
图四 : 实验装置:读写器的位置和安装在输送带上的标签及标签所连的示波器。

图五是标签和测量标签的携带式示波器。在完成初始启动阶段前,标签一直在读写器之间往返移动。在第一个实验中,标签安装了一个330 F的Cstorage电容器,在跨过第 33个读写器後,完成初始启动阶段,与前述公式的计算结果相符。在第二个实验中,Cstorage电容降到100 F,越过13个读写器後初始启动成功,完全符合前述公式的推算结果。


这些实验重复三遍,实验结果相同。



图五 : 实验装置:安装在输送带上的标签及标签所连示波器。
图五 : 实验装置:安装在输送带上的标签及标签所连示波器。

结论

本文详细介绍了一个采用RF WPT技术的无电池BLE标签资产追踪系统,研究目的是探索有助於最大幅度减少射频读写器数量的设计见解和最隹解决方案。基於这个研究目的,本文选择了WPT和BLE通讯系统架构,提出一个利用最大电压Vh、RF-DC转接器的灵敏度和PCE、标签的移动速度、功耗等系统叁数,计算所需最少读写器数量NoR的数学模型。本文还开发一个系统设计方法,并采用该方法计算读写器的最小数量。数学模型还针对专门设计和表徵的RF-DC转接器的特定电路系统结构,提供了设计见解和指导原则。


此外,本文还提供了无电池BLE资产追踪标签的速度和读写器数量之间的数学关系。最後,为证明实验结果与所提出模型之间的一致性,所提出的计算最小读写器数量和测量速度的方法的可行性,本文进行了实际系统测试。


(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)


相关文章
用於能源管理应用的NFC
测距精准不用愁 飞行时间感测器持续进化
无远弗届的ToF 飞时测距应用一眼看透透
针对零售产业社交距离之自动人流存在侦测解决方案
针对零售产业社交距离之自动人流存在侦测解决方案
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
Platform Manager Devices
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
Power Manager II Hercules Development Kit
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
Processor PM Development Kit
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
  相关新闻
» 5G专网智慧医疗场域验证防疫与创新成效
» 意法半导体加入ZETA联盟 推广新兴远距离IoT连线标准
» 推动远距健康照护服务不容缓 运用科技创新力解决痛点
» 意法半导体监事会主席与??主席接受连任
» 2021年车市急升温需求 大国登台施压乔产能
  相关产品
» ST简化USB Type-C电源转接器设计 推出支援PPS的叁考设计
» ST推出行动支付平台 推动虚拟购票和非接触支付弹性发展
» ST新款射频IC整合阻抗匹配和保护功能 简化携带式GNSS接收器设计
» ST推出MasterGaN系列新款非对称拓扑产品
» ST推出高温Snubberless 800V H系列双向交流可控矽开关
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2021 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw