无电池资产追踪模组的监控系统开发设计
本文叙述一个无电池BLE资产追踪标籤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別和测速所需读写器数量的设计策略和优化模型，...
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缐感测器网路（WSN）。无电池的网路节点几乎可以部署在任何环境中，对维护工作的需求很少，甚至沒有。为了满足市场对先进无电池感测器标籤解决方案日益增长的需求。
本文叙述一个无电池BLE资产追踪标籤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別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－基于射频无缐电力传输供电> 一文提出一个在无缐感测器网路中识別资产和监测资产移动速度的追踪系统，无电池的资产标籤透过射频无缐电力传输（WPT）架构接收资料通讯所需电能，并採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标籤的资产，以恆定速度v透过资产追踪系统时的速度。资产标籤透过多个排成一条直缐的间距相等的射频读写器。下方是标籤速度v的计算公式：
v =N0R．Iavg．Δx / Vh．Cstorage (1)
公式（1）表示如何根据BLE标籤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等参数都在系统设计阶段就确定下来了。
在实际系统中，这个公式相当于在无电池BLE标籤完成初始启动，向读写器发送资料后，获悉已收到标籤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参数。实际上，可以透过获悉读写器侦测到的RSSI以及标籤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资产标籤之间使用一个简单的RF WPT，该系统可以同时完成资产识別、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
出于实验目的，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籤的最小距离Dy = 0.4 m。系统晶片的实验结果显示，在读写器与标籤的最大距离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)
标籤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盡可能选择最高值，而最小值Vl盡可能选择最低值。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，在标籤中使用了一个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标籤。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，标籤与携带式示波器连缐，透过机器人恆速与读写器平行移动，标籤与读写器的间距Dy保持恆定。在0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s三种不同的恆定速度下分別测量数次。
图一至三所示的波形描述了在初始启动及以后的过程中电压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籤速度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，而是根据标籤的移动速度阶梯式上升。
由于标籤连续透过四个读写器，因此，标籤在初始启动后继续保持充电和发射状态。充放电模式似乎是不规则的，并且不是週期性的，因为在标籤透过读写器的过程中，Cstorage电容的瞬间充电电流随着标籤的移动而变化。
因此，可以观察到当标籤逐渐接近读写器时，电压Vstor的上升速率非常快，而当标籤逐渐远离读写器时，上升速率较慢。充电电流的不连续性是产生不规则且非週期性的充放电模式的原因，这与透过WPT为静止标籤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別的事件，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。最后，标籤发射被追踪资产的ID，读写器接收资讯，并发送到WSN网路。
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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标籤和携带式示波器。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，读写器与标籤间距Dy = 0.4 m，如图四所示。
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图五是标籤和测量标籤的携带式示波器。在完成初始启动阶段前，标籤一直在读写器之间往返移动。在第一个实验中，标籤安装了一个330 F的Cstorage电容器，在跨过第 33个读写器后，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个读写器后初始启动成功，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。
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结论
本文详细介绍了一个採用RF WPT技术的无电池BLE标籤资产追踪系统，研究目的是探索有助于最大幅度减少射频读写器数量的设计见解和最佳解决方案。基于这个研究目的，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、标籤的移动速度、功耗等系统参数，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，并採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资产追踪标籤的速度和读写器数量之间的数学关系。最后，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,
于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）