常见的能量源主要有光能、热能、动能和射频能量[4]. 射频能量采集有明显优势，即收集的能量是完全“免费的”. 射频能量收集可以将环境中的射频能量转换成可用的电能并存储起来，可以为标签提供源源不断的能源[5-6]. 针对能量采集应用于标签供能，目前国内外学者已有一定的研究，研究主要集中在降低有源标签的功耗与优化标签能源供给2个方面. Liu等[7]提出通过提高标签对唤醒设备发射功率的敏感度，测量唤醒信号的功率大小以判断标签是否需要唤醒，以降低标签功耗，使得标签在3 min内传输30个字节数据耗能仅有1.10 uJ. Mohamad等[8]提出针对有源电子标签混合输入能量的设计方案，该方案可以从环境中收集射频能量、热能和振动能，仿真结果表明该方案能同时收集多种能量源，可以输出3.3 V电压以及6.5 mW功率. 钟志豪[4]设计并实现了一种基于太阳能收集的有源电子标签，通过将转换的直流电存储在锂电池中以实现标签供能，并提出一种能源管理策略，以BQ25504作为电源监测的主控芯片，当电池电压低于3 V时电源会自动断电从而保证标签的稳定. 已有文献的研究主题大多集中在标签功耗管理或者利用能量采集为标签进行供电，但如果两者之间不能较好地协调，采集到的能量也难以保证标签工作周期的正常完成. 到目前为止，较少有对能量采集供能与标签功耗管理之间协同工作进行讨论的. 本研究拟针对射频能量为电子标签供能进行研究，提出一种能量采集与标签运行协同管理策略.
1. 总体思路
图 1
图 1 带有能量采集与储能模块的标签方案图
Fig.1 Tag scheme diagram with energy acquisition and storage module
在理想情况下采集到的能量一直能满足标签工作所需，但环境中射频能量较弱. 按照环境中射频能量强弱来分，标签状态存在4种可能：1)掉电状态；2)欠能工作状态；3)间隙工作状态；4)持续工作状态.
在状态1)，采集到的能量较少，能量采集模块无电输出，一直无法为标签提供能量；在状态2)，能量采集模块有电能输出，但输出的电能无法满足标签的广播要求，标签只能处于休眠状态；在状态3)，采集到的能量不但能够让标签启动工作，而且能够在“休眠 − 广播”之间持续循环工作；在状态4)，采集到的能量足够多，标签能一直连续工作，无须考虑与能量采集模块协同工作的问题.
对于状态1)、2)，标签均不能进行有效工作；在状态4)下，标签状态也非常明确，能一直进行有效工作；在状态3)时，标签可以在“休眠 − 广播”之间切换而间歇性工作，但是如果不能有效地管理好标签间歇工作流程，标签也难于完成一个正常的工作周期. 如 图2所示. 图中，ECAP为储能模块中的电能值. 在第1个工作周期，T1为能量供给正常的情况，其中[t0, t1]段标签处于休眠状态，采集到的能量超过标签耗能，在t1时刻储能模块存储能量为E1；在[t1, t2]段标签进行广播，一次完整的广播时间为∆t，消耗能量为∆E；在第2个工作周期T2，在[t2, t3]段标签休眠时采集能量，但因从环境中采集到的能量减少，到t3时存储的能量小于∆E，在广播过程中的t3 ′时，储能模块中存储能量耗尽，导致广播无法正常完成，即一个工作周期无法完整完成；从t3 ′开始开启第3个工作周期T3，由于在上一个周期的能量耗尽，在该周期采集的能量更难于达到∆E，标签也无法完成一个工作周期. 同样地，后续由于上一次的能量耗尽，采集的能量更难于达到∆E，本研究将这种现象称之为“能量死锁”. 一旦出现这种情况，不但标签无法完成一个正常工作周期，而且会造成不必要的能量消耗，加剧了能量供给不足的问题.
图 2
图 2 “能量死锁”情况下储能变化示意图
Fig.2 Schematic diagram of energy storage change under "energy deadlock"
图 3
图 3 具有能量采集监测电路的标签结构框图
Fig.3 Tag structure block diagram with energy acquisition and monitoring circuit
图 4
图 4 添加监测电路后储能变化示意图
Fig.4 Schematic diagram of energy storage change after adding monitoring circuit
标签在完成第1个工作周期T1后，在t2时进入休眠状态，储能模块存储采集的能量，监测电路实时监测储能状况. 当能量上升到大于∆E时，即当存储到的能量能够供标签一次广播时，监测电路激活处于休眠的标签，标签进入广播状态；当广播过程结束即t4时，储能模块仍存有剩余能量，可以用于标签下一个工作周期，由此实现标签的间隙性广播，避免了“能量死锁”问题.
2. 定量分析
目前常用的储能元件有超级电容、钽电容和锂电池等[9]. 考虑到能量采集模块收集到的能量较弱，对储能元件的漏电特性要求较高，且标签尺寸小，故本研究选用漏电流较低、体积较小的钽电容作为储能模块.
为了能更好地分析，对能量采集与标签消耗之间的关系进行定量讨论. 对储能电容电压设置2个阈值：低阈值
标签1个工作周期分为2个状态：休眠与广播，并在2种状态下周期性交替工作. 记其中休眠时长为
在理想情况下，当
2.1. 最小接收功率
从前面讨论可知，只有当
由式(1)可以推导出能量采集模块的最小接收功率：
式中：
2.2. 最优输入功率
由式(1)可知，单位时间内采集到的能量大于标签休眠耗能，但小于标签连续广播耗能，标签可以启动工作，但要保证标签能够在“休眠 − 广播”之间持续地交替工作，即前述的状态3)，则必须有
即标签休眠期间储能增加量大于或等于标签一次广播耗能，才能完成一个工作周期. 将式(3)整理后可得
由式(4)可知标签能够在休眠和广播之间交替工作的能量输入最小值：
将式(5)转换成最小输入功率，即最优输入功率为
式中：Itr为广播过程中标签消耗的电流.
因此，若标签单次广播时间、广播间隔以及广播时耗能已知，就可以确定标签的最优输入功率.
2.3. 理想输入功率
当
记
2.4. 储能模块参数
要使得标签能正常启动，即避免出现标签在启动时瞬间耗尽储能而导致标签反复启动的问题，并能在“休眠 − 广播”之间持续地交替工作，选择电容非常重要. 从这2种约束条件出发对储能电容值进行讨论，计算出电容的理论最优解.
1)条件1：满足标签1个工作周期内正常工作.
当标签在广播时，储能电容除了为标签广播与监测电路供能外，还有整个电路漏电供能，同时还有采集模块采集到的能量输入. 由于后面3种能量远小于标签广播耗能，本研究不予考虑.
记电容电压从
式中：R为能量采集模块中电压转换器的输入负载.
根据电功率公式，式(8)可以表示为
式中：
将式(10)中参数转换成标签模块参数，可以得到
式中：
将式(12)代入式(11)，可以得出保证标签“休眠—广播”之间持续地交替工作（即前述的状态4)）的C的最小值：
2)条件2：满足标签顺利启动.
标签从上电进入工作状态，须进行系统初始化之类的操作，因此，须满足
式中：
根据式(14)，可以得出C的最小值：
综上，储能电容值C须同时满足式(13)、(15)，即取两者最大值为理论最优解：
所选用的电容不小于最优解，才能避免出现标签在上电启动时因电容存储电量不够而导致标签反复启动的问题，并且能保证标签在1个工作周期内正常工作.
3)电容大小的探讨.
当根据式(16)确定UH和UL后，从保证标签完成1个工作周期来说，储能电容C的取值越大越好，但其值越大，一旦储能电容电压低于
2.5. 监测电路设计
能量监测电路主要由电压比较器构成，其作用是通过实时监测储能电容的电压上升或下降的变化情况来控制标签的状态. 当电容电压上升到
阈值
式中：Umin为电压转换器能正常工作的最低输入电压. 将式(17)变换可以得到
至于
2.6. 标签工作状态转换
由于环境中射频能量是动态变化的，实际应用时标签是根据采集能量的情况在不同状态之间转换的. 如图5所示为标签状态转换情况示意图. 图中，
图 5
3. 测试方案设计
对上述推导出的公式进行验证，并证明本研究提出的协同工作策略有效性. 在验证方案中假设标签设计目标为每隔1 s广播一次，发射功率为+5 dBm. 标签的主芯片选用德州仪器（Texas Instruments，TI）公司的CC2640R2F[10]，该芯片包含一个32位MCU内核，内部还集成传感器控制器（sensor controller，SC），并且在编程方面可以实现MCU与SC的数据交互. 在硬件设计方面，方案采用CC2640R2F的典型应用电路.
3.1. 能量采集模块设计
能量采集模块选用Powercast公司的P2110B方案[11]，其典型的射频能量采集电路如图6所示. RFIN引脚外接SMA接口天线接收环境中射频信号，在引脚VCAP上连接3个电容，以便验证电容选用不同容值的情况；VOUT引脚连接标签电源，当
图 6
3.2. 电压比较器设计
采用SC中比较器COMPB构建电压比较器[12]，通过DIO23引脚对
编程实现电压比较器涉及到SC编程知识，非本研究重点，故不作过多解释，可以参考TI官方网站[10]. 此处只列出其中几个要点：1)当
3.3. 参数计算
根据前述的公式计算最小接收功率
表 1 测试方案中器件参数表
Tab.1
| 元件 | 参数 | 含义 | 数值 |
| CC2640R2F | | 工作电压 | 3.3 |
| | IO驱动电流 | 20.0 | |
| | 广播电流 | 5.8 | |
| | 休眠电流 | 3.0 | |
| | COMPB工作电流 | 0.4 | |
| | 启动电流 | 2.194 | |
| | 完成初始化时间 | 25.0 | |
| | 广播一帧时间 | 3.5 | |
| P2110B | | 能量转换效率 | 42 |
| | 电压转换效率 | 85 | |
| 477钽电容 | | 漏电流 | 28.2 |
| 227钽电容 | | 漏电流 | 13.9 |
| 106钽电容 | | 漏电流 | 1.0 |
| 其他 | | 高阈值 | 1.65 |
| | 低阈值 | 1.27 | |
| | | 0.427 |
标签的“休眠 − 广播”交替工作周期为1 s， ttr=3.5 ms，因此tslp=996.5 ms. 将表1中数据代入式(2)、(6)、(16)、(18)，依次计算出最小接收功率、最优接收功率、储能电容最优值和低阈值. 计算结果如下：1)最小接收功率(Phar)min=0.341 mW，即(Phar)min = −4.67 dBm. 2)最优接收功率( Phar)opt=0.524 mW，即(Phar)opt= −2.80 dBm. 3)当储能模块满足条件1时，计算出 C的取值范围为
3.4. 标签主程序设计
图 7
在回调函数线程中，标签首先发送一次广播，再读取当前COMPB输出值，当COMPB输出为0时，即
3.5. 计算结果总结
综上所述，根据本研究推导的理论公式，得出标签的最小接收功率
4. 测试与分析
按设计目标以及上述计算的参数选取元器件，制作的能量采集与标签模块的实物图如图8所示，2个模块通过排针上下叠接. 在测试时利用AV1441A信号发生器作为射频源，其输出端连接到能量采集模块的SMA端口，作为射频信号输入，并利用示波器DSO-X3032A进行测试，采用智能手机终端上应用软件接收广播信息.
图 8
1)最小接收功率测试. 设置信号发生器的输出功率为−4.6 dBm，测得标签上电启动的1个工作周期波形如图9所示.图中，通道1表示
图 9
根据测得波形，可以将其分为4个阶段：能量采集模块启动阶段、稳压电路启动阶段、电容电压达到
上述测试结果可以验证理论计算的正确性，即当能量采集模块的输入功率为−4.6 dBm时，选用690 µF的储能电容，标签能够启动且能进行一段时间的间隙广播，并且标签能够在掉电状态、欠能工作状态之间转换.
2)不同输入功率情况的综合测试.测试验证不同的射频信号能量下标签工作状态转换情况. 通过变更信号发生器的输出功率大小，依次为−1.5、−3.5、−7.0、−3.0、−2.0、−4.0、−2.5 dBm，测量标签
图 10
图 10 多种输入功率情况下电压情况测试图
Fig.10 Voltage test diagram under various input power conditions
（a）−1.5 dBm：此时
（b）−3.5 dBm：此时
（c）−7.0 dBm：此时
（d）−3.0 dBm：此时
（e）−2.0 dBm：在上述−3.0 dBm后半阶段，
（f）−4.0 dBm：此时
（g）−2.5 dBm：与上述−2.0 dBm类似，此时
3)低于最优容值的情况测试. 为了对比实验，继续探究储能电容对标签正常工作的影响程度. 在信号源输入功率−4.6 dBm不变的情况下，选择容值较小的570 µF（由470、100 µF共2个电容并联组成）作为储能电容，测得
图 11
图 11 570 uF情况下标签启动过程时电压测试图
Fig.11 Voltage test diagram during label startup at 570 uf
4)测试结论. 综上所述，从测试情况可以得出如下结论：(a)在不同的射频信号输入功率情况下，标签能够在不同工作状态下转换. 当射频信号输入功率大于最小接收功率时，标签能够进入“欠能工作状态”；反之，标签进入“掉电状态”. 当大于最优接收功率时，标签能够进入“间歇工作状态”；反之，标签进入“欠能工作状态”或“掉电状态”. (b)当储能电容低于最优容值时，标签不能正常启动，并陷入“能量死锁”. (c)当输入功率大于最优接收功率时能够进行持续的“休眠 − 工作”循环工作；在大于最低接收功率、小于最优接收功率时，标签能够间隙性地进行持续的“休眠 − 工作”循环工作，可以有效地防止标签陷入“能量死锁”；即使后续输入功率暂时低于最优接收功率，如果后续输入功率能及时大于最优接收功率，标签也能在一定程度上避免“能量死锁”.
5. 结 语
根据能量采集应用于电子标签的特点，在能量采集模块与标签模块之间添加监测电路，通过电压比较器监测储能电容电压的变化情况，并在设置高、低2个阈值的基础上，提出能量采集与标签协同工作策略，低阈值选取原则是保证储能模块的储能能够保证标签一次广播，最大限度地防止标签进入掉电状态；从标签设计目标要求的广播间隔与功率出发，推导出储能电容最优值、射频输入功率最小值与最优值. 利用P2110B与CC2640R2F芯片设计了一种基于射频采集的标签进行验证，设计目标为每隔1 s广播一次、发射功率为+5 dBm，方案中利用芯片内部传感器控制器动态地构建电压比较器. 测试结果表明：采取本研究方法设计的能量采集标签可以实现能量采集模块和标签模块协同工作，能有效地防止标签陷入“能量死锁”，并可自适应地在不同工作状态下转换. 值得注意的是，计算出的储能电容最优值可以用于标签的设计，而射频输入功率最小值与最优值可以用于构建标签应用环境，如物品库存管理，在仓库架设合适功率的射频发射基站，以便标签在无电池的情况下能够开启并进入“休眠 − 工作”循环工作. 另外，能量采集效率是环境能量应用的关键因素，如何提高采集效率本研究尚未涉及到. 本研究所提到的采集能量源是射频，不过本研究提出的方法同样也适合其他能量源采集应用，如光能、热能、动能等，这些都有待于进一步研究.
参考文献
Overview and evaluation of bluetooth low energy: an emerging low-power wireless technology
[J].DOI:10.3390/s120911734 [本文引用: 1]
基于智能手机的室内定位技术的发展现状和挑战
[J].DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170383 [本文引用: 1]
Indoor positioning with smartphones: the state-of-the-art and the challenges
[J].DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170383 [本文引用: 1]
RF energy harvesting wireless networks: challenges and opportunities
[J].
Energy harvesting research: the road from single source to multisource
[J].DOI:10.1002/adma.201707271 [本文引用: 1]
Architecture of micro energy harvesting using hybrid input of RF, thermal and vibration for semi-active RFID tag
[J].DOI:10.4186/ej.2017.21.2.183 [本文引用: 2]
超级电容的发展与应用
[J].DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2019.05.010 [本文引用: 2]
Development and application of super capacitor
[J].DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2019.05.010 [本文引用: 2]
基于NoRTOS框架的蓝牙信标设计与开发
[J].DOI:10.13777/j.cnki.issn1671-2250.2021.03.015 [本文引用: 1]
Design and development of bluetooth beacon based on NoRTOS framework
[J].DOI:10.13777/j.cnki.issn1671-2250.2021.03.015 [本文引用: 1]
