基于射頻無線電力傳輸供電的無電池資產(chǎn)跟蹤模塊的先進監(jiān)控系統(tǒng)
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3.系統(tǒng)設(shè)計
本文的主要研究目的是如何將基礎(chǔ)設(shè)施成本降至最低，基礎(chǔ)設(shè)施成本與讀取器的安裝數(shù)量直接相關(guān)。圖4 表明，完成初始啟動所需讀取器的數(shù)量NoR 與兩個參數(shù)相關(guān)：一個是電壓Vstor 可以達到的最大值Vh，另一個是標簽每次跨越讀取器間距Dx 后電壓增量DVstor，如下面的公式所示： 
(1)
Vstor 的增量電壓DVstor 與RF-DC 轉(zhuǎn)換器輸出的平均電流Iavg 以及標簽跨過讀取器間距Dx 所用時間Dt 相關(guān)，如以下公式所示：
(2)
其中Cstorage 是儲電電容。在資產(chǎn)運輸系統(tǒng)中，物體的移動速度v 保持恒定。因此，可以假定：
(3)
根據(jù)公式(3), 公式(2)可以改寫為:
(4)
最后，公式(1)可以改寫為:
(5)
實際上，公式(5)在對系統(tǒng)性能有影響的基本參數(shù)之間建立起一個有用的關(guān)系，為設(shè)計系統(tǒng)重要參數(shù)提供了有價值的見解，能夠幫助設(shè)計人員選擇最佳的系統(tǒng)架構(gòu)，獲得最佳的性能。該公式表明，在儲電電容Cstorage、電壓Vstor 的最大值Vh 和標簽速度v 給定時，通過最大化Iavg 和Dx 的乘積可以實現(xiàn)最佳性能。參數(shù)Iavg 和Dx 都與RF-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計和架構(gòu)有關(guān)。實際上，Iavg 是RF-DC 轉(zhuǎn)換器輸出的平均電流，電流值與PCE 性能有關(guān)，因此，若發(fā)射功率已定，則PCE 越高， Iavg 電流值就越大。Dx 取決于RF-DC 轉(zhuǎn)換器的靈敏度性能，因此，靈敏度性能越高，讀取器間距就越大。為了減少讀取器數(shù)量，必須將靈敏度和PCE 雙雙提高。資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)中的無線電力傳輸需要處理千差萬別的功率狀況。事實上，根據(jù)讀取器與標簽的間距、天線方向、發(fā)射通道數(shù)量，輸入功率在從極低到較高的范圍內(nèi)變化，更嚴重的是，可用輸入功率大小可能是隨機變化的。在本文提出的系統(tǒng)中，資產(chǎn)標簽在經(jīng)過讀取器時需要處理輸入功率的巨大變化。當(dāng)位于讀取器掃描范圍的最遠端時，標簽接收到能量很??；隨著標簽逐漸接近讀取器，收到的能量越來越高。標準RF-DC轉(zhuǎn)換器體系結(jié)構(gòu)僅優(yōu)化標簽距離讀取器相對較遠時的接收靈敏度，不適用本文提出的系統(tǒng)。同理，僅優(yōu)化標簽在某一特定輸入功率時的PCE 性能，盡管當(dāng)標簽靠近讀取器時效果良好，但也不勝任本文提出的系統(tǒng)。當(dāng)然，在靜態(tài)工作條件下，讀取器和標簽之間的距離是固定并已知的，這些解決方案可能效果理想，但在動態(tài)工作條件下則差強人意。不幸的是，對于典型的RF-DC 電路架構(gòu)，很難同時優(yōu)化靈敏度和PCE 性能，因為這兩個參數(shù)往往是相互對立的。因此，動態(tài)系統(tǒng)需要具有利用MPPT 技術(shù)在較大范圍內(nèi)動態(tài)跟蹤可用能量的能力[73-78]。所有的MPPT 技術(shù)都有一個共同的要求，就是測量輸入功率。然而，這在超低功率環(huán)境中并不是一項簡單的事情，因為這個功能不可避免地會消耗更多的電能，并有可能進一步降低系統(tǒng)的PCE 效率，這也是為什么在被收集能量非常低的情況下，通常很難確定MPPT 電路是否有使用價值的原因。關(guān)于這一專題，參考文獻[79]提出了一種創(chuàng)新技術(shù)，介紹了如何通過監(jiān)測復(fù)制和空載的通用能量采集器(RF-DC 轉(zhuǎn)換器)的輸出DC 開路電壓，有效、動態(tài)地跟蹤標簽接收到的輸入功率。CMOS RF-DC 轉(zhuǎn)換器的典型結(jié)構(gòu)是一系列級聯(lián)倍壓器，即經(jīng)典的兩級Dickson 電荷泵[80]。達到系統(tǒng)要求的靈敏度功率值必需使用多級電荷泵。此外，在給定輸入功率值Pin 時，電路PCE 性能通常是最大值，Pin 取值非常接近或在大多數(shù)情況下就是靈敏度功率值。系統(tǒng)使輸出DC 電壓保持固定，通常使用最大允許電壓。但是，如果輸出DC 電壓恒定，并且級數(shù)NoS 保持不變，則隨著輸入功率變高，電路不再是最理想狀態(tài)，能效將會降低。如圖5 所示，這是一個基于6 級RF-DC 轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)，射頻功率分為三個等級：P1 = 18 dBm（靈敏度功率值），P2 = 12 dBm 和P3 = 6 dBm。
因此，如圖6 所示，為了保持最高的靈敏度性能，同時恢復(fù)和優(yōu)化PCE 性能，必需根據(jù)已知輸入功率Pin 改變轉(zhuǎn)換器的級數(shù)NoS。此外，圖6 還給出了一個三級RF-DC 轉(zhuǎn)換器的三種不同設(shè)置，即N1 = 6，N2 = 4 和N3 =2。當(dāng)級數(shù)最高時，NoS = N1 = 6，PCE 數(shù)值在最低輸入功率Pin= P1 = 18 dBm 時最大。如果功率增加到Pin = P2 = 12 dBm，通過將級數(shù)減少到NoS = N2 = 4，可以實現(xiàn)最大PCE。當(dāng)輸入功率進一步增加到Pin = P3 = 6 dBm 時，要想獲得最高PCE，級數(shù)必須減到NoS = N3 = 2。
圖5. 靜態(tài)RF-DC 轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE) 與DC 輸出電壓關(guān)系
圖6. 動態(tài)RF-DC 轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE) 與DC 輸出電壓關(guān)系.
在本文提出的系統(tǒng)中，按照本文提出的設(shè)計建議，RF-DC 轉(zhuǎn)換器采用868 MHz 頻率。有限狀態(tài)機（FSM）電路發(fā)出數(shù)字信號NoS，用于確定RF-DC 轉(zhuǎn)換器的最佳級數(shù)，如圖1 所示。超低功耗管理單元通過開路電壓Voc 信號測量輸入接收功率。這些功能使系統(tǒng)在靈敏度和PCE 性能之間找到最佳平衡點。圖7 是RF-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入功率關(guān)系。
圖7. 在868 MHz 時PCE 與輸入功率的關(guān)系.
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