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当无电池BLE 标签跨过读取器间距Dx 时，Cstorage 电容器的瞬间充电电流Idc(x)不是恒定电流，而是读取器与标签之间的距离x 的函数。因此，下面是无电池BLE 标签跨越读取器间距Dx 时接收到的平均充电电流Iavg 的计算公式：

   (6)

Idc(x)是接收到的瞬间电流，电流大小与以下因素相关：发射功率、接收和发射天线的增益、读取器与节点之间的最小和最大距离Dy 和Dmax、RF-DC 转换器的工作频率和PCE 效率。图8 是RF-DC 转换器的接收瞬时电流Idc(x)与距离x 的关系图，其中读取器与节点之间的最小距离Dy 为0.5 m，RF-DC 转换器灵敏度准许读取器与节点之间最大距离Dmax 为1.5 m。表征测试频率868 MHz，读取器发射功率设为27 dBm。功率发射器和射频能量收集器均装有Laird 的Revie Pro 天线^[81]。

图8. 在868 MHz 时RF-DC 输出电流与标签至读取器间距的关系

4.   速度测量

本部分介绍如何测量一个配备无电池BLE 标签的资产，以恒定速度v 通过资产跟踪系统时的速度。测速场景与图4 所示的场景相同，资产标签通过多个排成一条直线的间距相等的射频读取器。下面是标签速度v 的计算公式：

   (7)

公式(7)表示如何根据BLE 标签发射第一个数据包时所穿过的读取器数量NoR 来估算资产的移动速度，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 标签完成初始启动，向读取器发送数据后，获悉已收到标签数据的读取器的序号。通过计算已收到RSSI(最高接收信号强度)信号的读取器的数量,可以确定读取器序号。将RSSI 与BLE 广播数据包中包含的发射功率信息一起使用，还可以确定信号的路径损耗，并通过下面的公式确定设备的距离：

   (8)

这个计算结果可以帮助优化定速资产运送系统（例如传送带）的成本。这种方法的优点是不需要专门的传感器来检测物体的移动速度，因为该信息是系统固有参数。实际上，可以通过获悉读取器检测到的RSSI 以及标签首次发射数据时所经过的读取器的数量，来估计资产的运输速度。因此，通过在BLE 读取器和无电池BLE 资产标签之间实现一个简单的RF WPT，该系统可以同时完成资产识别、速度检测和控制功能，而无需安装硬件速度传感器。

5.实验结果

出于实验目的，本文提出的跟踪系统被开发出来并进行了测试。实际系统规定读取器与标签的最小距离Dy = 0.4m。系统芯片的实验表征结果显示，在读取器与标签的最大距离Dmax = 1.5 m 时，平均电流为1 A，根据公式（9），算出读取器间距Dx 是2.9 m。

   (9)

标签BLE 芯片加2V 偏置电压，配置为无法连接的无目标广播模式，发射32 字节广播数据包，输出功率14 dBm，如前文所述，在这种配置下，BLE 的能耗EBLE 估计约36 J，即BLE 芯片从Cstorage 电容器中消耗36 J 电能。根据公式（10），为了最小化Cstorage 电容值，电压Vstor 的最大值Vh 尽可能选择最高值，而最小值Vl 尽可能选择最低值。因此，Vh = 2.4 V 是由系统芯片的130 m CMOS 技术所允许的最大工作电压定义的。设定Vl= 2V，是为了给BLE 芯片加1.8V 偏置稳压，给DC/DC 转换器的功率级提供200 mV 的电压裕量。

   (10)

为了提供一些功率裕量和更多的能量，以便可选择性地激活其它嵌入式传感器，在标签中使用了一个330 F 的Cstorage 电容器。实验装置包括四个读取器、便携式示波器、机器人和无电池BLE 标签。把读取器排列成正方形，相邻读取器2.9米等长间距。每个读取器都设为27 dBm 发射功率。在测量过程中，标签连接便携式示波器，通过机器人恒速与读取器平行移动，标签与读取器的间距Dy 保持恒定。在0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s 三种不同的恒定速度下分别测量数次。图9-11 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。这些数据是从其中一次测量中提取的，并给出了示波器获取的实验数据。这些图表还给出了根据标签速度v、读取器间距Dx、RF-DC 转换器输出的平均电流Iavg、Vstor 电压最大值Vh 和储电电容等实验条件。此外，这些图表还给出了通过公式（5）推算出的理论上的读取器数量NoR。这些实验结果与以前的实验测量值有良好的相关性。还可以观察到，在初始启动期间，电压V_stor 不会连续上升，而是根据标签的移动速度阶梯式上升。由于标签连续通过四个读取器，因此，标签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，并且不是周期性的，因为在标签通过读取器的过程中，C_storage 电容的瞬间充电电流随着标签的移动而变化。因此，可以观察到，当标签逐渐接近读取器时，电压Vstor 的上升速率非常快，而当标签逐渐远离读取器时，上升速率较慢。充电电流的不连续性是产生不规则且非周期性的充放电模式的原因，这与通过WPT 为静止标签充电的情况完全不同。这些图表证明公式（5）的估算结果是正确的。在资产跟踪系统中，初始启动是指资产第一次被跟踪识别的事件，完成初始启动阶段所需的读取器数量NoR 与资产移动速度v 相关，速度v 越高，所需读取器数量NoR 越多。最后，标签发射被跟踪资产的ID，读取器接收信息，并发送到WSN 网络。

图9.标签以0.05 m/s 的速度穿过读取器的实验结果

关键词： 无线电力传输(WPT) 无线传感器网络(WSN) 射频 能量收集 无线充电 物联网