基于光伏供电的RFID传感终端设计*

王礼康, 何怡刚, 邓芳明, 罗旗舞, 童 晋

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

射频识别(radio frequency identification，RFID)终端按供电方式分为有源和无源2类，其中有源RFID终端因采用外置电源供电，为传感终端提供了稳定能量来源，文献[5]采用锂电池为传感终端供电，测得通信距离最远达22 m；虽然辅助电池延长了通信距离，但电池有限的工作寿命以及终端安置的随意性，不仅增加了系统的维护成本并且降低了终端监测性能。随着新能源技术的发展，以太阳能的应用最为广泛[6～9]。文献[8]采用光伏电池与天线融合共同为无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)节点供电，但没有储能器件不能保证其连续工作；文献[9]采用可充电电池存储光伏电池转换的能量，保证了节点光照弱时继续工作，然而充放电次数只有几百次的储能电池不符合长时间监测需求。

如今超级电容器以其储能容量大、充放电达数万次、充放电迅速等优点已应用到诸多方案中。据此,本文提出了光伏电池供电的RFID传感终端，采用光伏电池采集并转换光能、超级电容器作为储能器件构成了稳定的能量管理系统；采用Monza X—2K芯片作为射频单元，以应用较广的温湿度、光强传感器丰富终端采集数据；设计的射频传感终端不仅解决了传统终端工作寿命较短的问题且其性能稳定、功耗较低、通信距离远的优点更适合应用于需要长期实时监测的场合。

1 传感终端能量管理方法研究

利用自然界中太阳能为终端供电，需经过能量收集转换、储能和稳压调节3个单元才能提供稳定高效的能源。本文采用理论充放电次数高达数万次、无记忆效应且充放电迅速的超级电容器作为储能器件，其一次完全放电时长为

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式中Cout为串联后电容量，ΔV为工作时电容压降，RESR为电容器自身等效内阻值，IL为终端消耗电流，μA。当超级电容器从5 V开始放电至3.2 V时，其持续放电Tcha约为几十小时。

本文利用太阳能作为终端提供能量来源，小体积的光伏电池收集其能量并转换为电能，经快速充电模块后存储到超级电容存储器中。当光照充足时，快速充电模块首先将超级电容器能量储满，再经稳压模块为终端供电；光照较弱时，充电模块停止工作，超级电容器开始放电，保证终端正常工作。射频通信时，由于其在休眠时消耗电流为微安(μA)级，因此，软件调控降低阅读器查询周期可有效延长超级电容器放电时间，上位机通过分析当前环境光照强度智能调节阅读器查询周期，反馈调节阅读器查询周期以延长监测时间。

2 射频传感终端设计实现

2.1 传感终端总体设计

本文设计的传感终端总体结构如图1所示。

图1 终端总体结构

终端整体由能量管理、感知以及射频三大模块组成，其中能量管理模块主要收集和存储能量，为负载模块正常工作提供所需直流电源；感知模块与射频模块通过I2C总线通信，控制器采用功耗低的MSP430FR6887芯片，其休眠电流仅为0.9 μA，几乎不产生功耗；温湿度传感器采用14 bit湿度、12 bit温度采集的高精度SHT20芯片，光强传感器则采用16 bit的MAX44009芯片；射频芯片选择符合射频通信协议要求的Monza X—2K芯片，其休眠时几乎不产生电流消耗。传感终端工作时，射频芯片接收查询读取命令后唤醒控制器，控制器则通过I2C总线获取传感器采集到的温湿度和光强的数字量信息，将不同的传感器数据信息分别编码到射频芯片的存储单元中。

2.2 能量管理电路设计

能量管理电路如图2,光伏电池端收集并转换光能为电能，经滤波后输出至开启阈值电压低的LTC3225直流充电泵，其快速将电能存储至两个串联的5F/5 V超级电容储能器中(C1,C2)。当电能储满时，充电泵持续输出5.3 V/150 mA的Vout电能到低压差、3 V输出的线性稳压器TPS780直接为后端负载传感终端供电；当光照不足时，超级电容器开始输出电能,保证传感射频终端继续正常工作，超级电容器放电时间长且电压范围为5～3.2 V。该能量管理电路最大程度上利用了太阳光照充足时的能量，且光照弱时超级电容储能器为传感终端提供稳定的续流能量。

图2 能量管理电路

3 RFID传感终端测试分析

测试实物如图3所示，其传感终端部分尺寸为8 cm×12 cm，光伏电池大小为8 cm×8 cm。

图3 实际测试样板

3.1 能量管理电路测试

3.1.1 超级电容器充电时长测试

实验选用的超级电容器充电泵LTC3225芯片的开启电压为2.8 V。充电时长测试结果如表1所示。

表1 超级电容实际充电时间测试

正常充电时，电容量充满时电压平均值约为5.31 V，充电时间平均值约为47 s。而在18∶30～19∶00时，测得光伏电池开路电压为2.8 V，低于充电芯片开启电压，此时超级电容电压值几乎未变，测试结果符合理论设计。

3.1.2 超级电容器放电时长测试

充电完成后，超级电容器持续放电时长决定着终端继续工作时长。当测得超级电容器储能满时，撤去光伏电池，进行不同查询周期下的放电时长测试，结果如表2所示。

表2 不同查询周期时超级电容器放电时长

表2中当终端查询周期为3 s时，其工作时间为27.3 h，当每6 s完成1次通信时，其工作时间为46.5 h，而当12 s工作1次时，其工作时长可达63.35 h。在以上查询周期条件下，测得工作时平均消耗电流约为1.23 mA，通信时长约为100 ms，而休眠时只有9.52 μA，满足低功耗设计需求，测试结果表明:射频传感终端在无太阳照射时可继续正常工作，且阅读器查询周期越长，其放电时间越长。

3.2 RFID传感终端长时间工作测试

为测试设计的射频终端是否可长期应用于实际监测环境，在6月1日～6月31日对设计的终端进行了为期1个月的室外测试，实验时设置每天上午9时采集超级电容器电压和记录每天天气状况，以表征终端是否正常工作；记录每天超级电容器充放电次数。测试结果如图4所示。

图4 传感终端连续工作一个月测试

图中天气状况坐标以“1”表示光照较强，而“0”表示其他天气状况。测试结果表明当超级电容器处于晴好或其他天气时，连续1个月每天测试的电压均大于3.2 V，符合传感终端能量管理稳压电路开启电压要求；且在连续4天光照较弱时可正常通信；实验记录得超级电容器每天不完全充放电平均次数约为10次。由此推算，设计传感终端预期工作寿命约为5.4年(理论上超级电容器充放电次数为2万次)，较大程度上延长了射频传感终端的工作寿命。

3.3 传感终端感知性能测试

传感终端工作在中心频率时(矢量网络分析仪测得为920.5 MHz)，对设计的传感终端进行读取距离和传感数据传输测试。实验选用聚星仪器公司型号为VISN—R1200的射频识别综合测试仪，进行完整的射频参数及协议参数的分析测试。为保证阅读器天线能持续发送和接收信号，设置了2个距离地面1.5 m的阅读器天线，由测试系统自动设定其中一个作为发送信号的天线，另一个作为接收信号的天线。在实验配置中，首先将工作中心频率设置为920.5 MHz，2个天线与终端之间的距离均为0.5 m。其实际测试环境如图5所示。

图5 传感终端实际测试环境

实验中对设计的终端进行3次重复距离测试，其通信距离分别为17.5,17.2,17.4 m。通信距离平均值约为17.37 m，与文献[10]的有源仿真距离结果比较相近。表明设计的光伏供电方案为传感终端提供了稳定工作电压，且传输距离较远、可靠度较高。上位机成功解码的感知数据结果如图6所示。

图6 射频传感通信结果

图6表明射频综合测试端完整读取了融合传感器的射频芯片存储电子产品编码(electronic product code,EPC)区中编码信息，且上位机端成功解码了传感数据，表明设计的射频传感终端实现了以较高精度对传感信息进行采集与无线传输。

4 结 论

本文设计了光伏供电的RFID传感终端，为延长终端工作寿命提出了光伏电池供电、超级电容储能的稳定能量管理方法，其结构简单且供电性能稳定。测试结果表明:设计的终端在以3 s查询周期下持续工作时长约为27.3 h，有效通信距离约为17.37 m，传感器数据可无线完整传输并且精度较高，加强了终端感知功能；设计的终端预期工作寿命为5.4年，满足长期监测的需求；可作为光照较充裕地区长期监测的理想选择方案。