无线能量收集式超高频物联网标签设计*

孙宁宁，刘 婷，孙 江，章佑鹏，韦 涛

（1.中国人民解放军93114 部队，北京 100085；2.电子科技大学，四川 成都 611731；3.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

RFID 技术是传统的无线通信识别技术，它能够实现非视距的通信，广泛应用于智能物流、交通、多目标识别、方位追踪等领域[1]。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是“Internet of things(IoT)”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思:其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮[2]。传感器技术与RFID 射频识别技术相结合形成物联网标签是物联网发展的重要趋势，温度传感器、压力传感器、化学气体传感器都是传感器与RFID 相结合的研究对象，物联网中RFID 与传感器想结合更加能够体现出其重要性。

近年来，个人医疗保健、智能交通管理、环境监控等传感网的应用需求大量增加，这些低功率节点的能耗问题备受关注[2]。RFID 射频识别中，功耗问题一直是其研究重点，特别是对于无源标签来说，低功耗设计是其生命线。RFID 设计中，可以分为射频电路解调和基带处理两个部分，本文主要介绍RFID 系统中标签基带信号的处理，并且运用单片机实现了RFID 与温度感知的基带处理。从环境中采集新能源来补充低功耗节点的能量可以大幅度延长这些自组织网络的生存时间，比如太阳能、风能等。与传统的新能源相比，环境中无处不在的RF 射频能量是一种新型的新能源。由于RF 射频能量的可持续性与功率可控性，在网络的可靠性上比传统新能源更具优势。同时，RF 射频信号经天线接收后通过整流电路转换为直流信号，这使得RF射频能量采集得到了大量的研究[3-6]。此外，由于无线电磁波可以在传输信息的同时承载能量，所以，RF 射频能量还具备传统新能源不具备的优势，即可以进行能量与信息的并行传输。但是，基于RF射频能量的采集也存在着一些实际挑战，因为自由空间损耗，RF 波的功率密度会随着传播距离的二次方成比例减小，这使得高效率的RF 能量采集只能在局部区域进行。除了传输距离的影响，设计出低射频功率信号条件下的高效率直流转换电路是目前急需努力的方向。

本方案介绍基于单片机的超高频识别与温度感知的物联网标签[7]，包括系统结构、关键电路设计[8]以及基带信号处理程序，能实现RFID 的传统功能，并且也能实现温度感知功能，基于单片机实现并测试通过，该程序能够作为物联网标签的一个基础点，并且能够在单片机上很快实现，可以为物联网标签芯片的前期研究提供参考。本文设计的物联网标签采用Impinj R420 读写器进行功能与性能测试。

1 无线能量收集式超高频物联网标签设计

基于超高频RFID 的物联网标签系统如图1 所示，其中PC 是计算机，实现路由器和Reader 配置等上位机程序的控制，Router 建立PC 和Reader 之间的网络连接，Reader 是使用Impinj 公司R420 的读写器，antenna 是读写器和标签的接收天线，TAG是无线能量收集式超高频物联网标签的能量收集和标签实现部分。

图1 超高频RFID 物联网标签系统结构

无线能量收集式超高频物联网标签的硬件结构主要包括4 部分：天线接收射频信号，整流电路，能量收集电路，收发射频前端电路，MCU 协议实现电路，其结构如图2 所示。

图2 无线能量收集超高频物联网标签结构框图

1.1 整流电路

整流电路采用高低通滤波功分器将多频点能量收集天线收集到的GSM900/GSM1800 信号能量分成两路，一路920～960 MHz 信号（覆盖GSM900 下行频段）经低通滤波器输出至针对该频段优化的整流电路（采用HSMS285C），另一路1710～1860 MHz 信号（覆盖GSM1800 下行信号）经高通滤波器输出至针对该频段优化的另一个整流电路（采用SMS7630）。高低通滤波功分器的输入输出端口阻抗与两个整流电路的输入阻抗均匹配至50Ω。两个整流电路输出级同时接限压保护齐纳二极管和BQ25570 能量管理芯片。

1.2 能量收集电路

能量收集电路的核心是BQ25570 芯片，其冷启动电压330mV，冷启动后，它的输入电压达到100mV，就能够充电。通过芯片收集整流电路输出的能量，把其存储在超级电容中，当电容电压到达设定的值时，关闭充电系统。BQ25570 可以通过外部电阻设置过压保护，并且也可以设置过度放电保护，防止对超级电容过充电和阻止过充电，BQ25570 的原理图参考其使用手册。

1.3 超高频标签中收发机电路设计

收发射频前端电路系统架构图如图3 所示。调制电路采用栅极受控的MOS 管BF1212WR 实现阻抗匹配状态控制与反向散射调制。解调电路采用基于肖特基二极管HSMS285C 的包络检波解调电路。

1.4 温度传感电路

温度传感器用来采集周围环境中的温度，本文采用的温度传感器件是LM94021 芯片，如图4 所示。这里选用增益GS1=0，并且 GS0=0。

图3 收发射频前端电路系统架构

2 无线能量收集式超高频物联网标签协议设计

本文选用MSP 430FR5969 单片机作为协议实现的载体，该芯片具有超低功耗的特点，被普遍用于低功耗系统的前期研究。本文采用低功耗机制，实现了ISO 18000-6c 的协议，并且用R420 读写器能够进行盘存和读写等操作。本设计实现了ISO/IEC18000-63 协议规定的所有强制命令，并且在实现通用的ISO/IEC18000-63 协议上添加了低速模式，支持小于40K 的前向和反向速率，并且扩展了Miller 编码值，扩展到M=256。添加低速模式是为了降低功耗，让其主时钟工作电压更低，扩展M 值可以降低干扰，协议架构如图5 所示。

图4 温度传感电路

2.1 各模块的主要功能描述

解码模块：检测delimiter 信号，当检测到有效的delimiter 则使单片机退出低功耗状态。

T1 定时：定时器中断解码，根据单片机端口接收到的数据来启动定时器，配置成上升沿触发，当检测到上升沿时启动计数器，并且触发中断，在中断程序当前计数器值减去上一次中断时计数器的值，就得到现在两个上升沿之间的计数器值，既是上升沿之间的长度。在Timer_0 中断中，根据长度计算命令的各个部分，并保存接收的命令。负责对前向链路数据进行解码，提取前向链路速率及Rtcal/Trcal 长度，并将相关数据提供给命令执行模块，在前向链路速率较低的情况下可以根据data0的长度来降低工作频率，达到降低功耗的目的。

图5 无线能量收集式超高频物联网标签协议架构

命令执行：命令执行模块负责标签系统整体运转，包括CRC 校验，状态机实现，随机数产生，总裁控制，命令处理，子模块调用，中断控制，时序控制，工作模式切换等。本文添加了温度传感，湿度传感，它们可以实现温度和湿度检测，并且将采集结果传递给PC 机，这在WSN 中是很重要的功能，物联网节点可以通过各种传感器收集相关的信息，并且把信息传递给控制系统，控制系统分析传感信息，并且可以根据相应的分析结果做后续处理。

伪随机数产生模块：负责产生通信过程中需要用到的R16 伪随机数，在单片机上电阶段计算标签PC+EPC 数据所对应的CRC16 数据，将该数据作为伪随机数产生模块的种子，由于不同标签对应的EPC 不同，因此该种子亦不相同。通过伪随机数生成算法在模块被调用时提供伪随机数给子命令处理程序使用。

编码模块：负责对将发送数据进行编码并发送，编码模块通过调用时钟产生模块可以配置多种频率的编码时钟，从而支持多种反向链路频率的编码。与此同时，在兼容6C 反向链路编码方式的基础上还支持低于40KHz 的前向和反向速率，并且还支持高M 值的Miller 副载波编码（M=16、32、64、128、256）。

时钟产生模块：时钟产生模块用来配置msp430FR5969 自带DCO 时钟，可配置的最高主时钟频率为16MHz，并且可以通过寄存器快速改变自身频率，根据反向链路速率，通过写相关寄存器改变时钟产生模块的时钟频率。

槽式计数器模块：负责槽式计数功能，能够根据Q 值截取固定长度的随机数并保存。同时能够根据防碰撞命令的要求动态修改自身计数器值，并在计数器值等于0 的情况下提供先关标志信号给子命令处理程序。

标签协议部分是通用的ISO/IEC18000-6C协议，这里主要介绍对于协议扩展的温度传感功能、湿度传感功能、扩展的Miller 编码，介绍如何在单片机中用汇编语言实现温度传感、湿度传感功能和标准协议中的Miller 编码及其扩展编码。其他传感功能，可以很方便地根据温度和湿度传感功能进行需要的扩展。

2.2 MSP430 单片机实现Miller 编码

在Miller 编码的时候，为了节省时钟，必须用最小的指令执行Miller 编码，并且跳转指令在+/-512words 之间能够实现稳定的指令周期跳转，超过512words 则会出现延迟，因此必须分开Miller2和其他Miller 值，因为Miller2 只有一个副载波，不能像其他Miller 值一样使用循环跳转发送的方式发送副载波，循环跳转需要判断副载波个数，并且跳转需要2 个时钟周期，将无法满足5 个时钟发送一个电平的要求，因此必须区分Miller 编码的值是2或其他值。

Miller 编码流程如图6 所示。当在其他程序通过CALLA 调用该Miller 编码模块时，首先配置输出时钟和输出端口，输出时钟根据Assure BLF 来确定。然后判断是否是M=2,跳转到M=2 还是跳转到其他M 值。然后根据query 中的TRext 参数确定pilot tone 的个数，再发送6 位前导码010111。前导码发送结束根据是否是整字节(bits=0,表示整字节)执行Send_byte 或Send_bit，执行完byte 后，执行Send_bit，Send_bit 直接根据bit 来判断是否继续循环执行还是直接发送dummy-1，最后RETA 跳出中断。其中“M2 select branch”执行的步骤和MX 类似，区别在于Mx 是根据不同M 值来发送副载波，而“M2 select branch”发送的副载波是one。

图6 Miller 编码流程

由于M 值扩展了18000-6C 协议规定的值(M=2,M=4,M=8)，因此超过的Miller 值（M=16,M=32,M=64,M=128,M=256）需要根据命令来确定到底是选择什么编码来发送。为了简单和兼容起见，我们采用Select 命令的Target=101 和110 来选择不同的M 值，具体映射关系如表1 所示。

3 无线能量收集式超高频物联网标签测试

3.1 无线能量收集测试

在测试无线能量收集时，首先对超级电容进行充电，根据能量收集部分计算出的结果，发现超级电容充电最高值可以到达5.15V＞5.09V，这可能是由于电阻不够精确导致充电略高，但是这是可以接受的。当读写器开始盘存的时候，超级电容开始快速放电，并且读写器能够稳定盘存，当超级电容电压下降到2.2V 左右＞2.16V，读写器不能盘存，这与理论计算是相符的。因此该无线能量收集式超高频物联网标签的能量收集部分达到了预期目标。

表1 Miller 码扩展指示

3.2 物联网标签温度感知测试

本设计实现了温度传感功能，其中温度传感芯片是LM94021，这里使用GS1=0,GS0=0 的模式，在高低温试验箱里测试了-30 度到+60 度的温度范围，其中步进是5，测试环境如图7 所示。

图7 标签温度感知测试环境

测试的结果如图8 所示，比较了真实温度和通过温度传感器测试的温度进行对比得出本文设计的标签再0 到60 度测试时和实际温度非常吻合，0 度以下有一点偏差，在可以接受的范围。

3.3 物联网标签工作距离测试

标签工作距离测试环境如图9 所示，使用米尺对盘存距离进行了测量，最终测出，在此环境下测得的结果如表2 所示。读写器能够盘存到标签的最远距离为36.5 米。R420 读写器与IoT 物联网标签的实地盘存测试所得出的盘存距离与理论计算得出的盘存距离基本一致，少许的误差主要是由于测试场地并非完全空旷所致。

图8 温度感知测试结果

图9 物联网标签工作距离测试环境

表2 R420 读写器与IoT 标签之间的通信距离测试

4 结语

本文实现了无线能量收集，能量收集实测值和理论值相吻合，其中整流电路在-14dbm 低射频输入功率条件下的整流效率达到39%，输出的电压值360mV 满足BQ25570 的冷启动电压。实现了物联网标签，能与R420 商用读写器进行正常通信，并且扩展了低速模式和高Miller 值，经过实际测试，读写器能盘存到标签的最远距离为36.5 米。