基于光伏供電的RFID傳感終端設(shè)計(jì)*

王禮康, 何怡剛, 鄧芳明, 羅旗舞, 童 晉

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)終端按供電方式分為有源和無(wú)源2類，其中有源RFID終端因采用外置電源供電，為傳感終端提供了穩(wěn)定能量來(lái)源，文獻(xiàn)[5]采用鋰電池為傳感終端供電，測(cè)得通信距離最遠(yuǎn)達(dá)22 m；雖然輔助電池延長(zhǎng)了通信距離，但電池有限的工作壽命以及終端安置的隨意性，不僅增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本并且降低了終端監(jiān)測(cè)性能。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，以太陽(yáng)能的應(yīng)用最為廣泛[6～9]。文獻(xiàn)[8]采用光伏電池與天線融合共同為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)節(jié)點(diǎn)供電，但沒有儲(chǔ)能器件不能保證其連續(xù)工作；文獻(xiàn)[9]采用可充電電池存儲(chǔ)光伏電池轉(zhuǎn)換的能量，保證了節(jié)點(diǎn)光照弱時(shí)繼續(xù)工作，然而充放電次數(shù)只有幾百次的儲(chǔ)能電池不符合長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)需求。

如今超級(jí)電容器以其儲(chǔ)能容量大、充放電達(dá)數(shù)萬(wàn)次、充放電迅速等優(yōu)點(diǎn)已應(yīng)用到諸多方案中。據(jù)此,本文提出了光伏電池供電的RFID傳感終端，采用光伏電池采集并轉(zhuǎn)換光能、超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能器件構(gòu)成了穩(wěn)定的能量管理系統(tǒng)；采用Monza X—2K芯片作為射頻單元，以應(yīng)用較廣的溫濕度、光強(qiáng)傳感器豐富終端采集數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)的射頻傳感終端不僅解決了傳統(tǒng)終端工作壽命較短的問(wèn)題且其性能穩(wěn)定、功耗較低、通信距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)更適合應(yīng)用于需要長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。

1 傳感終端能量管理方法研究

利用自然界中太陽(yáng)能為終端供電，需經(jīng)過(guò)能量收集轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)3個(gè)單元才能提供穩(wěn)定高效的能源。本文采用理論充放電次數(shù)高達(dá)數(shù)萬(wàn)次、無(wú)記憶效應(yīng)且充放電迅速的超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能器件，其一次完全放電時(shí)長(zhǎng)為

(1)

式中Cout為串聯(lián)后電容量，ΔV為工作時(shí)電容壓降，RESR為電容器自身等效內(nèi)阻值，IL為終端消耗電流，μA。當(dāng)超級(jí)電容器從5 V開始放電至3.2 V時(shí)，其持續(xù)放電Tcha約為幾十小時(shí)。

本文利用太陽(yáng)能作為終端提供能量來(lái)源，小體積的光伏電池收集其能量并轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)快速充電模塊后存儲(chǔ)到超級(jí)電容存儲(chǔ)器中。當(dāng)光照充足時(shí)，快速充電模塊首先將超級(jí)電容器能量?jī)?chǔ)滿，再經(jīng)穩(wěn)壓模塊為終端供電；光照較弱時(shí)，充電模塊停止工作，超級(jí)電容器開始放電，保證終端正常工作。射頻通信時(shí)，由于其在休眠時(shí)消耗電流為微安(μA)級(jí)，因此，軟件調(diào)控降低閱讀器查詢周期可有效延長(zhǎng)超級(jí)電容器放電時(shí)間，上位機(jī)通過(guò)分析當(dāng)前環(huán)境光照強(qiáng)度智能調(diào)節(jié)閱讀器查詢周期，反饋調(diào)節(jié)閱讀器查詢周期以延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間。

2 射頻傳感終端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感終端總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的傳感終端總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 終端總體結(jié)構(gòu)

終端整體由能量管理、感知以及射頻三大模塊組成，其中能量管理模塊主要收集和存儲(chǔ)能量，為負(fù)載模塊正常工作提供所需直流電源；感知模塊與射頻模塊通過(guò)I2C總線通信，控制器采用功耗低的MSP430FR6887芯片，其休眠電流僅為0.9 μA，幾乎不產(chǎn)生功耗；溫濕度傳感器采用14 bit濕度、12 bit溫度采集的高精度SHT20芯片，光強(qiáng)傳感器則采用16 bit的MAX44009芯片；射頻芯片選擇符合射頻通信協(xié)議要求的Monza X—2K芯片，其休眠時(shí)幾乎不產(chǎn)生電流消耗。傳感終端工作時(shí)，射頻芯片接收查詢讀取命令后喚醒控制器，控制器則通過(guò)I2C總線獲取傳感器采集到的溫濕度和光強(qiáng)的數(shù)字量信息，將不同的傳感器數(shù)據(jù)信息分別編碼到射頻芯片的存儲(chǔ)單元中。

2.2 能量管理電路設(shè)計(jì)

能量管理電路如圖2,光伏電池端收集并轉(zhuǎn)換光能為電能，經(jīng)濾波后輸出至開啟閾值電壓低的LTC3225直流充電泵，其快速將電能存儲(chǔ)至兩個(gè)串聯(lián)的5F/5 V超級(jí)電容儲(chǔ)能器中(C1,C2)。當(dāng)電能儲(chǔ)滿時(shí)，充電泵持續(xù)輸出5.3 V/150 mA的Vout電能到低壓差、3 V輸出的線性穩(wěn)壓器TPS780直接為后端負(fù)載傳感終端供電；當(dāng)光照不足時(shí)，超級(jí)電容器開始輸出電能,保證傳感射頻終端繼續(xù)正常工作，超級(jí)電容器放電時(shí)間長(zhǎng)且電壓范圍為5～3.2 V。該能量管理電路最大程度上利用了太陽(yáng)光照充足時(shí)的能量，且光照弱時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能器為傳感終端提供穩(wěn)定的續(xù)流能量。

圖2 能量管理電路

3 RFID傳感終端測(cè)試分析

測(cè)試實(shí)物如圖3所示，其傳感終端部分尺寸為8 cm×12 cm，光伏電池大小為8 cm×8 cm。

圖3 實(shí)際測(cè)試樣板

3.1 能量管理電路測(cè)試

3.1.1 超級(jí)電容器充電時(shí)長(zhǎng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)選用的超級(jí)電容器充電泵LTC3225芯片的開啟電壓為2.8 V。充電時(shí)長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 超級(jí)電容實(shí)際充電時(shí)間測(cè)試

正常充電時(shí)，電容量充滿時(shí)電壓平均值約為5.31 V，充電時(shí)間平均值約為47 s。而在18∶30～19∶00時(shí)，測(cè)得光伏電池開路電壓為2.8 V，低于充電芯片開啟電壓，此時(shí)超級(jí)電容電壓值幾乎未變，測(cè)試結(jié)果符合理論設(shè)計(jì)。

3.1.2 超級(jí)電容器放電時(shí)長(zhǎng)測(cè)試

充電完成后，超級(jí)電容器持續(xù)放電時(shí)長(zhǎng)決定著終端繼續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)測(cè)得超級(jí)電容器儲(chǔ)能滿時(shí)，撤去光伏電池，進(jìn)行不同查詢周期下的放電時(shí)長(zhǎng)測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 不同查詢周期時(shí)超級(jí)電容器放電時(shí)長(zhǎng)

表2中當(dāng)終端查詢周期為3 s時(shí)，其工作時(shí)間為27.3 h，當(dāng)每6 s完成1次通信時(shí)，其工作時(shí)間為46.5 h，而當(dāng)12 s工作1次時(shí)，其工作時(shí)長(zhǎng)可達(dá)63.35 h。在以上查詢周期條件下，測(cè)得工作時(shí)平均消耗電流約為1.23 mA，通信時(shí)長(zhǎng)約為100 ms，而休眠時(shí)只有9.52 μA，滿足低功耗設(shè)計(jì)需求，測(cè)試結(jié)果表明:射頻傳感終端在無(wú)太陽(yáng)照射時(shí)可繼續(xù)正常工作，且閱讀器查詢周期越長(zhǎng)，其放電時(shí)間越長(zhǎng)。

3.2 RFID傳感終端長(zhǎng)時(shí)間工作測(cè)試

為測(cè)試設(shè)計(jì)的射頻終端是否可長(zhǎng)期應(yīng)用于實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境，在6月1日～6月31日對(duì)設(shè)計(jì)的終端進(jìn)行了為期1個(gè)月的室外測(cè)試，實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置每天上午9時(shí)采集超級(jí)電容器電壓和記錄每天天氣狀況，以表征終端是否正常工作；記錄每天超級(jí)電容器充放電次數(shù)。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳感終端連續(xù)工作一個(gè)月測(cè)試

圖中天氣狀況坐標(biāo)以“1”表示光照較強(qiáng)，而“0”表示其他天氣狀況。測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)超級(jí)電容器處于晴好或其他天氣時(shí)，連續(xù)1個(gè)月每天測(cè)試的電壓均大于3.2 V，符合傳感終端能量管理穩(wěn)壓電路開啟電壓要求；且在連續(xù)4天光照較弱時(shí)可正常通信；實(shí)驗(yàn)記錄得超級(jí)電容器每天不完全充放電平均次數(shù)約為10次。由此推算，設(shè)計(jì)傳感終端預(yù)期工作壽命約為5.4年(理論上超級(jí)電容器充放電次數(shù)為2萬(wàn)次)，較大程度上延長(zhǎng)了射頻傳感終端的工作壽命。

3.3 傳感終端感知性能測(cè)試

傳感終端工作在中心頻率時(shí)(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得為920.5 MHz)，對(duì)設(shè)計(jì)的傳感終端進(jìn)行讀取距離和傳感數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。實(shí)驗(yàn)選用聚星儀器公司型號(hào)為VISN—R1200的射頻識(shí)別綜合測(cè)試儀，進(jìn)行完整的射頻參數(shù)及協(xié)議參數(shù)的分析測(cè)試。為保證閱讀器天線能持續(xù)發(fā)送和接收信號(hào)，設(shè)置了2個(gè)距離地面1.5 m的閱讀器天線，由測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定其中一個(gè)作為發(fā)送信號(hào)的天線，另一個(gè)作為接收信號(hào)的天線。在實(shí)驗(yàn)配置中，首先將工作中心頻率設(shè)置為920.5 MHz，2個(gè)天線與終端之間的距離均為0.5 m。其實(shí)際測(cè)試環(huán)境如圖5所示。

圖5 傳感終端實(shí)際測(cè)試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)中對(duì)設(shè)計(jì)的終端進(jìn)行3次重復(fù)距離測(cè)試，其通信距離分別為17.5,17.2,17.4 m。通信距離平均值約為17.37 m，與文獻(xiàn)[10]的有源仿真距離結(jié)果比較相近。表明設(shè)計(jì)的光伏供電方案為傳感終端提供了穩(wěn)定工作電壓，且傳輸距離較遠(yuǎn)、可靠度較高。上位機(jī)成功解碼的感知數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 射頻傳感通信結(jié)果

圖6表明射頻綜合測(cè)試端完整讀取了融合傳感器的射頻芯片存儲(chǔ)電子產(chǎn)品編碼(electronic product code,EPC)區(qū)中編碼信息，且上位機(jī)端成功解碼了傳感數(shù)據(jù)，表明設(shè)計(jì)的射頻傳感終端實(shí)現(xiàn)了以較高精度對(duì)傳感信息進(jìn)行采集與無(wú)線傳輸。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了光伏供電的RFID傳感終端，為延長(zhǎng)終端工作壽命提出了光伏電池供電、超級(jí)電容儲(chǔ)能的穩(wěn)定能量管理方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且供電性能穩(wěn)定。測(cè)試結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的終端在以3 s查詢周期下持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)約為27.3 h，有效通信距離約為17.37 m，傳感器數(shù)據(jù)可無(wú)線完整傳輸并且精度較高，加強(qiáng)了終端感知功能；設(shè)計(jì)的終端預(yù)期工作壽命為5.4年，滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求；可作為光照較充裕地區(qū)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的理想選擇方案。