無線能量收集式超高頻物聯(lián)網(wǎng)標簽設計*

孫寧寧，劉 婷，孫 江，章佑鵬，韋 濤

（1.中國人民解放軍93114 部隊，北京 100085；2.電子科技大學，四川 成都 611731；3.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

RFID 技術是傳統(tǒng)的無線通信識別技術，它能夠?qū)崿F(xiàn)非視距的通信，廣泛應用于智能物流、交通、多目標識別、方位追蹤等領域[1]。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。其英文名稱是“Internet of things(IoT)”。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思:其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網(wǎng)絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[2]。傳感器技術與RFID 射頻識別技術相結合形成物聯(lián)網(wǎng)標簽是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢，溫度傳感器、壓力傳感器、化學氣體傳感器都是傳感器與RFID 相結合的研究對象，物聯(lián)網(wǎng)中RFID 與傳感器想結合更加能夠體現(xiàn)出其重要性。

近年來，個人醫(yī)療保健、智能交通管理、環(huán)境監(jiān)控等傳感網(wǎng)的應用需求大量增加，這些低功率節(jié)點的能耗問題備受關注[2]。RFID 射頻識別中，功耗問題一直是其研究重點，特別是對于無源標簽來說，低功耗設計是其生命線。RFID 設計中，可以分為射頻電路解調(diào)和基帶處理兩個部分，本文主要介紹RFID 系統(tǒng)中標簽基帶信號的處理，并且運用單片機實現(xiàn)了RFID 與溫度感知的基帶處理。從環(huán)境中采集新能源來補充低功耗節(jié)點的能量可以大幅度延長這些自組織網(wǎng)絡的生存時間，比如太陽能、風能等。與傳統(tǒng)的新能源相比，環(huán)境中無處不在的RF 射頻能量是一種新型的新能源。由于RF 射頻能量的可持續(xù)性與功率可控性，在網(wǎng)絡的可靠性上比傳統(tǒng)新能源更具優(yōu)勢。同時，RF 射頻信號經(jīng)天線接收后通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流信號，這使得RF射頻能量采集得到了大量的研究[3-6]。此外，由于無線電磁波可以在傳輸信息的同時承載能量，所以，RF 射頻能量還具備傳統(tǒng)新能源不具備的優(yōu)勢，即可以進行能量與信息的并行傳輸。但是，基于RF射頻能量的采集也存在著一些實際挑戰(zhàn)，因為自由空間損耗，RF 波的功率密度會隨著傳播距離的二次方成比例減小，這使得高效率的RF 能量采集只能在局部區(qū)域進行。除了傳輸距離的影響，設計出低射頻功率信號條件下的高效率直流轉(zhuǎn)換電路是目前急需努力的方向。

本方案介紹基于單片機的超高頻識別與溫度感知的物聯(lián)網(wǎng)標簽[7]，包括系統(tǒng)結構、關鍵電路設計[8]以及基帶信號處理程序，能實現(xiàn)RFID 的傳統(tǒng)功能，并且也能實現(xiàn)溫度感知功能，基于單片機實現(xiàn)并測試通過，該程序能夠作為物聯(lián)網(wǎng)標簽的一個基礎點，并且能夠在單片機上很快實現(xiàn)，可以為物聯(lián)網(wǎng)標簽芯片的前期研究提供參考。本文設計的物聯(lián)網(wǎng)標簽采用Impinj R420 讀寫器進行功能與性能測試。

1 無線能量收集式超高頻物聯(lián)網(wǎng)標簽設計

基于超高頻RFID 的物聯(lián)網(wǎng)標簽系統(tǒng)如圖1 所示，其中PC 是計算機，實現(xiàn)路由器和Reader 配置等上位機程序的控制，Router 建立PC 和Reader 之間的網(wǎng)絡連接，Reader 是使用Impinj 公司R420 的讀寫器，antenna 是讀寫器和標簽的接收天線，TAG是無線能量收集式超高頻物聯(lián)網(wǎng)標簽的能量收集和標簽實現(xiàn)部分。

圖1 超高頻RFID 物聯(lián)網(wǎng)標簽系統(tǒng)結構

無線能量收集式超高頻物聯(lián)網(wǎng)標簽的硬件結構主要包括4 部分：天線接收射頻信號，整流電路，能量收集電路，收發(fā)射頻前端電路，MCU 協(xié)議實現(xiàn)電路，其結構如圖2 所示。

圖2 無線能量收集超高頻物聯(lián)網(wǎng)標簽結構框圖

1.1 整流電路

整流電路采用高低通濾波功分器將多頻點能量收集天線收集到的GSM900/GSM1800 信號能量分成兩路，一路920～960 MHz 信號（覆蓋GSM900 下行頻段）經(jīng)低通濾波器輸出至針對該頻段優(yōu)化的整流電路（采用HSMS285C），另一路1710～1860 MHz 信號（覆蓋GSM1800 下行信號）經(jīng)高通濾波器輸出至針對該頻段優(yōu)化的另一個整流電路（采用SMS7630）。高低通濾波功分器的輸入輸出端口阻抗與兩個整流電路的輸入阻抗均匹配至50Ω。兩個整流電路輸出級同時接限壓保護齊納二極管和BQ25570 能量管理芯片。

1.2 能量收集電路

能量收集電路的核心是BQ25570 芯片，其冷啟動電壓330mV，冷啟動后，它的輸入電壓達到100mV，就能夠充電。通過芯片收集整流電路輸出的能量，把其存儲在超級電容中，當電容電壓到達設定的值時，關閉充電系統(tǒng)。BQ25570 可以通過外部電阻設置過壓保護，并且也可以設置過度放電保護，防止對超級電容過充電和阻止過充電，BQ25570 的原理圖參考其使用手冊。

1.3 超高頻標簽中收發(fā)機電路設計

收發(fā)射頻前端電路系統(tǒng)架構圖如圖3 所示。調(diào)制電路采用柵極受控的MOS 管BF1212WR 實現(xiàn)阻抗匹配狀態(tài)控制與反向散射調(diào)制。解調(diào)電路采用基于肖特基二極管HSMS285C 的包絡檢波解調(diào)電路。

1.4 溫度傳感電路

溫度傳感器用來采集周圍環(huán)境中的溫度，本文采用的溫度傳感器件是LM94021 芯片，如圖4 所示。這里選用增益GS1=0，并且 GS0=0。

圖3 收發(fā)射頻前端電路系統(tǒng)架構

2 無線能量收集式超高頻物聯(lián)網(wǎng)標簽協(xié)議設計

本文選用MSP 430FR5969 單片機作為協(xié)議實現(xiàn)的載體，該芯片具有超低功耗的特點，被普遍用于低功耗系統(tǒng)的前期研究。本文采用低功耗機制，實現(xiàn)了ISO 18000-6c 的協(xié)議，并且用R420 讀寫器能夠進行盤存和讀寫等操作。本設計實現(xiàn)了ISO/IEC18000-63 協(xié)議規(guī)定的所有強制命令，并且在實現(xiàn)通用的ISO/IEC18000-63 協(xié)議上添加了低速模式，支持小于40K 的前向和反向速率，并且擴展了Miller 編碼值，擴展到M=256。添加低速模式是為了降低功耗，讓其主時鐘工作電壓更低，擴展M 值可以降低干擾，協(xié)議架構如圖5 所示。

圖4 溫度傳感電路

2.1 各模塊的主要功能描述

解碼模塊：檢測delimiter 信號，當檢測到有效的delimiter 則使單片機退出低功耗狀態(tài)。

T1 定時：定時器中斷解碼，根據(jù)單片機端口接收到的數(shù)據(jù)來啟動定時器，配置成上升沿觸發(fā)，當檢測到上升沿時啟動計數(shù)器，并且觸發(fā)中斷，在中斷程序當前計數(shù)器值減去上一次中斷時計數(shù)器的值，就得到現(xiàn)在兩個上升沿之間的計數(shù)器值，既是上升沿之間的長度。在Timer_0 中斷中，根據(jù)長度計算命令的各個部分，并保存接收的命令。負責對前向鏈路數(shù)據(jù)進行解碼，提取前向鏈路速率及Rtcal/Trcal 長度，并將相關數(shù)據(jù)提供給命令執(zhí)行模塊，在前向鏈路速率較低的情況下可以根據(jù)data0的長度來降低工作頻率，達到降低功耗的目的。

圖5 無線能量收集式超高頻物聯(lián)網(wǎng)標簽協(xié)議架構

命令執(zhí)行：命令執(zhí)行模塊負責標簽系統(tǒng)整體運轉(zhuǎn)，包括CRC 校驗，狀態(tài)機實現(xiàn)，隨機數(shù)產(chǎn)生，總裁控制，命令處理，子模塊調(diào)用，中斷控制，時序控制，工作模式切換等。本文添加了溫度傳感，濕度傳感，它們可以實現(xiàn)溫度和濕度檢測，并且將采集結果傳遞給PC 機，這在WSN 中是很重要的功能，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點可以通過各種傳感器收集相關的信息，并且把信息傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分析傳感信息，并且可以根據(jù)相應的分析結果做后續(xù)處理。

偽隨機數(shù)產(chǎn)生模塊：負責產(chǎn)生通信過程中需要用到的R16 偽隨機數(shù)，在單片機上電階段計算標簽PC+EPC 數(shù)據(jù)所對應的CRC16 數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)作為偽隨機數(shù)產(chǎn)生模塊的種子，由于不同標簽對應的EPC 不同，因此該種子亦不相同。通過偽隨機數(shù)生成算法在模塊被調(diào)用時提供偽隨機數(shù)給子命令處理程序使用。

編碼模塊：負責對將發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼并發(fā)送，編碼模塊通過調(diào)用時鐘產(chǎn)生模塊可以配置多種頻率的編碼時鐘，從而支持多種反向鏈路頻率的編碼。與此同時，在兼容6C 反向鏈路編碼方式的基礎上還支持低于40KHz 的前向和反向速率，并且還支持高M 值的Miller 副載波編碼（M=16、32、64、128、256）。

時鐘產(chǎn)生模塊：時鐘產(chǎn)生模塊用來配置msp430FR5969 自帶DCO 時鐘，可配置的最高主時鐘頻率為16MHz，并且可以通過寄存器快速改變自身頻率，根據(jù)反向鏈路速率，通過寫相關寄存器改變時鐘產(chǎn)生模塊的時鐘頻率。

槽式計數(shù)器模塊：負責槽式計數(shù)功能，能夠根據(jù)Q 值截取固定長度的隨機數(shù)并保存。同時能夠根據(jù)防碰撞命令的要求動態(tài)修改自身計數(shù)器值，并在計數(shù)器值等于0 的情況下提供先關標志信號給子命令處理程序。

標簽協(xié)議部分是通用的ISO/IEC18000-6C協(xié)議，這里主要介紹對于協(xié)議擴展的溫度傳感功能、濕度傳感功能、擴展的Miller 編碼，介紹如何在單片機中用匯編語言實現(xiàn)溫度傳感、濕度傳感功能和標準協(xié)議中的Miller 編碼及其擴展編碼。其他傳感功能，可以很方便地根據(jù)溫度和濕度傳感功能進行需要的擴展。

2.2 MSP430 單片機實現(xiàn)Miller 編碼

在Miller 編碼的時候，為了節(jié)省時鐘，必須用最小的指令執(zhí)行Miller 編碼，并且跳轉(zhuǎn)指令在+/-512words 之間能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的指令周期跳轉(zhuǎn)，超過512words 則會出現(xiàn)延遲，因此必須分開Miller2和其他Miller 值，因為Miller2 只有一個副載波，不能像其他Miller 值一樣使用循環(huán)跳轉(zhuǎn)發(fā)送的方式發(fā)送副載波，循環(huán)跳轉(zhuǎn)需要判斷副載波個數(shù)，并且跳轉(zhuǎn)需要2 個時鐘周期，將無法滿足5 個時鐘發(fā)送一個電平的要求，因此必須區(qū)分Miller 編碼的值是2或其他值。

Miller 編碼流程如圖6 所示。當在其他程序通過CALLA 調(diào)用該Miller 編碼模塊時，首先配置輸出時鐘和輸出端口，輸出時鐘根據(jù)Assure BLF 來確定。然后判斷是否是M=2,跳轉(zhuǎn)到M=2 還是跳轉(zhuǎn)到其他M 值。然后根據(jù)query 中的TRext 參數(shù)確定pilot tone 的個數(shù)，再發(fā)送6 位前導碼010111。前導碼發(fā)送結束根據(jù)是否是整字節(jié)(bits=0,表示整字節(jié))執(zhí)行Send_byte 或Send_bit，執(zhí)行完byte 后，執(zhí)行Send_bit，Send_bit 直接根據(jù)bit 來判斷是否繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行還是直接發(fā)送dummy-1，最后RETA 跳出中斷。其中“M2 select branch”執(zhí)行的步驟和MX 類似，區(qū)別在于Mx 是根據(jù)不同M 值來發(fā)送副載波，而“M2 select branch”發(fā)送的副載波是one。

圖6 Miller 編碼流程

由于M 值擴展了18000-6C 協(xié)議規(guī)定的值(M=2,M=4,M=8)，因此超過的Miller 值（M=16,M=32,M=64,M=128,M=256）需要根據(jù)命令來確定到底是選擇什么編碼來發(fā)送。為了簡單和兼容起見，我們采用Select 命令的Target=101 和110 來選擇不同的M 值，具體映射關系如表1 所示。

3 無線能量收集式超高頻物聯(lián)網(wǎng)標簽測試

3.1 無線能量收集測試

在測試無線能量收集時，首先對超級電容進行充電，根據(jù)能量收集部分計算出的結果，發(fā)現(xiàn)超級電容充電最高值可以到達5.15V＞5.09V，這可能是由于電阻不夠精確導致充電略高，但是這是可以接受的。當讀寫器開始盤存的時候，超級電容開始快速放電，并且讀寫器能夠穩(wěn)定盤存，當超級電容電壓下降到2.2V 左右＞2.16V，讀寫器不能盤存，這與理論計算是相符的。因此該無線能量收集式超高頻物聯(lián)網(wǎng)標簽的能量收集部分達到了預期目標。

表1 Miller 碼擴展指示

3.2 物聯(lián)網(wǎng)標簽溫度感知測試

本設計實現(xiàn)了溫度傳感功能，其中溫度傳感芯片是LM94021，這里使用GS1=0,GS0=0 的模式，在高低溫試驗箱里測試了-30 度到+60 度的溫度范圍，其中步進是5，測試環(huán)境如圖7 所示。

圖7 標簽溫度感知測試環(huán)境

測試的結果如圖8 所示，比較了真實溫度和通過溫度傳感器測試的溫度進行對比得出本文設計的標簽再0 到60 度測試時和實際溫度非常吻合，0 度以下有一點偏差，在可以接受的范圍。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)標簽工作距離測試

標簽工作距離測試環(huán)境如圖9 所示，使用米尺對盤存距離進行了測量，最終測出，在此環(huán)境下測得的結果如表2 所示。讀寫器能夠盤存到標簽的最遠距離為36.5 米。R420 讀寫器與IoT 物聯(lián)網(wǎng)標簽的實地盤存測試所得出的盤存距離與理論計算得出的盤存距離基本一致，少許的誤差主要是由于測試場地并非完全空曠所致。

圖8 溫度感知測試結果

圖9 物聯(lián)網(wǎng)標簽工作距離測試環(huán)境

表2 R420 讀寫器與IoT 標簽之間的通信距離測試

4 結語

本文實現(xiàn)了無線能量收集，能量收集實測值和理論值相吻合，其中整流電路在-14dbm 低射頻輸入功率條件下的整流效率達到39%，輸出的電壓值360mV 滿足BQ25570 的冷啟動電壓。實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)標簽，能與R420 商用讀寫器進行正常通信，并且擴展了低速模式和高Miller 值，經(jīng)過實際測試，讀寫器能盤存到標簽的最遠距離為36.5 米。