基于LoRa的有源電子標簽低功耗模型研究

盧光躍，蘇可可，王宏剛，劉志朋，裴沛東

(西安郵電大學 陜西省信息通信網絡及安全重點實驗室，陜西 西安 710121)

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式無線通信技術[1]，其可通過射頻信號實現對不同目標的識別與管理。RFID系統主要由電子標簽和讀寫器兩部分構成，其中標簽按照供電方式的不同可分為無源電子標簽、半有源電子標簽和有源電子標簽[2]。有源電子標簽不依賴讀寫器進行供電且與讀寫器之間的通信距離可達上百米，因此，其廣泛應用于資產管理、倉儲和車輛管理等遠距離實際場景[3]。考慮有源電子標簽的電池能量有限且更換困難，如何降低功耗以提高電池工作壽命成為有源電子標簽相關研究的核心內容。

考慮成本與功耗的限制，有源電子標簽通常在同一信道中進行通信，使得不同標簽在傳輸信息時會發生碰撞且造成更多的能量消耗[4]。為解決這一問題，不少研究者提出了防碰撞算法[5-8]。文獻[4]提出了多種標簽防碰撞算法，包括純ALOHA(Pure ALOHA)算法和時隙ALOHA(Slot ALOHA)算法等。結果表明，相比于純ALOHA算法，時隙ALOHA算法可實現更高的吞吐量和數據平均交換量，但是當標簽數量增加時，該算法的效率會顯著下降并進一步導致能效下降。文獻[6-8]分別提出了改進的動態幀時隙ALOHA算法、改進的二進制防碰撞算法和可并行識別的分組動態幀時隙ALOHA算法，進一步改善系統性能。上述算法盡管緩解了標簽之間的碰撞問題，但是仍存在算法復雜度高和耗時長等不足，未能有效的在效率和耗能之間取得平衡。

針對上述問題，將選擇幀時隙ALOHA防碰撞算法與適用于遠距離傳輸的LoRa協議[9-11]相結合，擬設計一種低功耗有源電子標簽系統。通過對硬件結構、軟件工作模式及預喚醒機制等方面的聯合優化相結合，以降低有源電子標簽的功耗，延長有源電子標簽的電池能量壽命。

1 硬件設計

標簽主要由天線、射頻模塊、微處理器模塊、電源模塊及擴展接口構成。考慮到功耗低及性能穩定的要求，微處理器模塊采用超低功耗單片機STM32F103RCT6。此外，射頻模塊采用SX1262，并通過串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)方式與微處理器進行通信。標簽的硬件結構如圖1所示。

圖1 標簽的硬件結構

1.1 STM32F103RCT6芯片

STM32F103RCT6芯片是ST公司開發的一款嵌入式-微處理器集成電路，采用Cortex-M3內核、中央處理器(Central Processing Unit，CPU)最高速度達72 MHz，內置的Flash程序存儲器容量為256 kb，隨機存取存儲器(Random Access Memory，RAM)量為48 kb[12]。值得注意的是，該芯片處于睡眠、停機和待機模式時可實現低功耗效果，其中待機模式下的功耗最低。

1.2 SX1262芯片

SX1262芯片是Semtech公司推出的一款sub-GHz無線收發器。為延長電池的工作壽命，該芯片的有效接收電流最低，可小于4.2 mA[13]。相較于前代的芯片SX1276/8，SX1262芯片的最大發射功率與最大空中速率可分別達到22 dBm和62.5 kb/s。為滿足不同實際應用的需求，SX1262提供了兩種調制方式，即傳統的(G)FSK調制和滿足遠距離通信的LoRa調制。LoRa調制采用了擴頻調制技術[14]，與傳統的頻移鍵控(Frequency Shift Keying，FSK)、通斷鍵控(On-Off Keying，OOK)調制技術相比，LoRa調制技術擴大了無線通訊鏈路的覆蓋范圍，提高了鏈路的魯棒性[15]。綜上可知，SX1262芯片具備遠距離通信與低功耗等特點，因此，其適用于智能儀表、資產追蹤及智慧城市等多種應用。

2 軟件設計流程

以Keil 5作為軟件開發環境，并在該環境下對標簽及讀寫器進行軟、硬件參數的配置。設計的軟件系統流程圖如圖2所示。

圖2 軟件系統流程圖

如圖2的軟件系統流程圖所示，標簽初始在FSK信道進行預喚醒階段的周期性休眠(狀態1)與偵聽(狀態2)，接收來自讀寫器的預喚醒命令后，標簽開始喚醒階段的周期性休眠(狀態3)與偵聽(狀態4)，讀寫器隨后發送喚醒命令，標簽在接收到該命令后切換到LoRa信道并進行偵聽(狀態5)，讀寫器發送Query命令，判斷標簽是否能夠接收到Query命令(狀態6)，若標簽能夠接收Query命令(狀態7)，則隨機選擇時隙0,…,L-1，其中，L表示時隙個數(狀態8)并發送TagID(狀態9)，TagID發送后，標簽偵聽是否能接收到讀寫器回復的ACK命令(狀態10)，若TagID發送成功(狀態11)，讀寫器回復ACK命令且標簽接收到ACK命令后不再響應Query，命令若TagID發送不成功(狀態12)，即標簽接收ACK命令超時，標簽返回FSK信道重新開始。

3 功耗模型及其分析

3.1 模型建立

在傳統RFID系統中，標簽的準備模式僅包含喚醒周期且分為休眠階段和偵聽階段。在休眠階段中，標簽的微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)處于休眠狀態，消耗較少的能量。然而，在偵聽階段中，數據幀攜帶大量的數據信息，偵聽時間較長且能量消耗較多。為改善上述功耗問題，在標簽中引入了預喚醒命令。在引入預喚醒命令后，標簽的準備模式包括預喚醒周期和喚醒周期，其中預喚醒、喚醒周期均分為休眠階段和偵聽階段。標簽的MCU在預喚醒周期的休眠階段中處于待機狀態，而在喚醒周期的休眠階段中處于休眠狀態。相較于后者，標簽的MCU在前者中的功耗更低。此外，考慮預喚醒周期中的數據幀不攜帶多余的數據，故相應的偵聽時間較短。綜上所述，相比于傳統RFID系統，標簽在引入預喚醒命令后功耗更小。

具體而言，在一個周期內，標簽的總能耗等于準備模式與活動模式的能耗之和[16]，計算表達式為

E=Ep+Ea

(1)

考慮能耗可以表示為功率與時間之積，為描述不同狀態的能耗，需要知道每個狀態的電壓、電流以及每個狀態的時長。由于不同狀態標簽的電壓U為常數(U=3.3 V)，圖3給出的時隙圖表征了標簽不同狀態的描述、時隙時長表示和該狀態的電流表示等信息，其中準備模式包括標簽的狀態1到狀態5，活動模式包括標簽的狀態6到狀態12。

圖3 不同狀態的描述、時隙及電流表示情況

Ep的具體表達式為

Ep=Pps(Tps+Tpl)+Ps(Ts+Tl)

(2)

其中：Pps和Ps分別表示標簽在預喚醒周期與喚醒周期的功率；Tps和Ts分別表示標簽在預喚醒休眠模式與喚醒休眠模式下的時間；Tpl和Tl分別表示標簽在預喚醒偵聽階段與喚醒偵聽階段下的時間。

Ea的具體表達式為

Ea=Ew+EwQ+ErQ+Ews+Et+EwA+ErA+Eto=
UIwTw+UIwQTwQ+UIrQTrQ+UIwsTws+UItTt+
UIwATwA+UIrATrA+UItoTto

(3)

其中：Iw與Tw分別表示喚醒電流與時間；IwQ與TwQ分別表示等待Query命令的電流與時間；IrQ與TrQ分別表示接收Query命令的電流與時間；Iws與Tws分別表示等待自身時隙的電流與時間；It與Tt分別表示發送TagID的電流與時間；IwA與TwA分別表示等待ACK的電流與時間；IrA與TrA分別表示接收ACK的電流與時間；Ito與Tto分別表示接收超時的電流與時間。

值得注意的是，Tt表示前導碼持續時間Tpr與有效載荷持續時間Tpa之和[9]。Tpr與Tpt的表達式分別為

Tpr=(4.25+Np)Tsy

(4)

(5)

Tpa=NpaTsy

(6)

其中：Np表示已設定的前導碼長度(取值可參考文獻[13])；Tsy表示符號周期；SF表示擴頻因子；B表示帶寬;Npa表示有效載荷符號數。

對于給定的有效負載PL、擴頻因子SF及編碼率CR，Npa可以表示為

(7)

其中，ceil(·)表示上取整函數；H表示是否啟用LoRa物理層幀格式報頭，當啟用報頭時，H=1，關閉報頭時，H=0；DE表示是否啟用低數據速率優化，當啟用低數據速率優化時，DE=1，在其他情況下，DE=0。

結合式(4)-式(7)，Tt可以表示為

作為讀寫器管理標簽集的基本操作方式，盤點主要完成整個系統工作流程的測試工作。在單次盤點中，標簽在數據傳輸成功時的活動能耗可以表示為

Es=Ew+EwQ+ErQ+Ews+Et+EwA+ErA

(8)

此外，當數據傳輸失敗時，標簽的活動能耗可以表示為

Er=Ew+EwQ+ErQ+

Ews+Et+EwA+Eto

(9)

穩態情況下系統MAC層的效率決定重傳次數，應用幀時隙ALOHA算法解決標簽碰撞問題。單個標簽在一輪盤點中的平均活動能耗可以表示為

Eav=Esρs+(1-ρs)ErNav

(10)

其中：Es表示一幀中標簽傳輸成功的活動能耗；ρs表示標簽在一幀中傳輸成功的概率；Er表示標簽一次重傳的活動能耗；Nav表示單個標簽的平均重傳次數。

標簽在一幀中傳輸成功的概率可以表示為

(11)

其中；L表示時隙個數；n表示標簽數量。根據式(11)，單個標簽在第k個幀中傳輸成功的概率可表示為

(12)

由式(12)可知，在k個幀中，單個標簽進行重傳的平均次數可表示為

(13)

將式(8)-式(9)、式(11)及式(13)代入式(10)，單個標簽在一輪盤點中的平均活動能耗可以表示為

(14)

因此，單個標簽在一輪盤點中的平均活動消耗時間可表示為

(15)

Tsu=Tw+TwQ+TrQ+TwsL/2+Tt+TwA+TrA

Tr=Tw+TwQ+TrQ+TwsL/2+Tt+TwA+Tto

其中，傳輸成功時間Tsu和傳輸失敗時間Tr均為平均傳輸時間。

3.2 模型分析

在硬件的實際調試中，預喚醒命令的物理層數據幀為5個字節，其中包括2個前導字節、1個同步字節、1個循環冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)字節以及1個介質訪問控制(Medium Access Control，MAC)數據字節。根據LoRa協議，FSK信道的數據速率可設置為38.4 kb/s。預喚醒命令的具體步驟為標簽首先對SX1262進行多條SPI操作，SX1262隨后需要等待晶振響應并準備鎖相環。由文獻[13]可知，預喚醒的空中時間是FSK數據幀長度與之比約為1.04 ms。SPI操作大約需要50 μs，等待晶振響應的TS_OSC大致為250 μs，準備鎖相環的TS_FS大致為60 μs，因此，預喚醒休眠的耗時大約為1.4 ms。考慮到讀寫器的發送數據幀間隔為4 ms，預喚醒偵聽的持續時間應至少為4 ms。

此外，由式(14)-式(15)可知，時隙數與標簽數會影響標簽活動狀態的功耗，因此，選擇合適的時隙可以降低標簽的重傳概率。

4 系統實現與性能測試

4.1 測試數據

在滿足硬件要求的前提下，經過反復的實驗調試，最終的測試參數為LoRa帶寬B=20.8 kHz，擴頻因子SF=10，時隙個數L=3，編碼率CR=4/5。基于上述參數，測量得到的各狀態持續時間及相應電流測試值如表1所示。

表1 各狀態的時間及電流測試值

4.2 模型驗證

根據功耗模型以及測試結果，可計算盤點一輪時標簽的平均功耗。由文獻[5]可知，標簽數與時隙數相等時識別效率達到最高。在標簽數等于時隙個數時標簽消耗能量與標簽個數的關系，如圖4所示。當標簽數目增多時，標簽之間更容易發生碰撞，這使得標簽的重發次數增加并消耗更多的能量。從圖4中可以看出，隨著標簽數量的增加，單個標簽的能量消耗也隨之增大。

圖4 標簽數等于時隙數時單個標簽平均功耗

根據測試結果，可以計算標簽的平均功耗并進一步驗證所提功耗模型。

圖5給出了單個標簽平均功耗值隨標簽數量變化的曲線，其中設計模型的理論數值為標簽盤點100次的平均功耗。從圖5可以看出，理論曲線與實測曲線基本擬合。在時隙數與標簽數都等于8時，實測數值與設計模型的理論數值幾乎完全擬合，因此，壽命分析中選擇L=n=8分析電池壽命。式(15)的理論平均傳輸時間與標簽數目有直接關系，進而導致功耗計算出現誤差。因此，相對于理論功耗值，實測功耗值在標簽數目較小時整體偏高，在標簽數目較大時較低。

圖5 單個標簽平均功耗模型驗證

根據測試結果，可計算標簽的平均時間并進一步驗證所提功耗模型。圖6給出了單個標簽平均傳輸時間值隨標簽數量變化的曲線，其中設計模型的理論數值等于標簽盤點100次的平均時耗。圖6的結果與圖5基本保持一致，在時隙數與標簽數均等于8時，實測數值與設計模型的理論數值幾乎完全擬合。從圖6中可以看出，相對于理論功耗值，實測功耗值在標簽數目較小時整體偏高，而在標簽數目較大時較低，表明所建立的功耗模型是較為準確的。

4.3 壽命分析

由式(1)-式(3)可知，標簽功耗與預喚醒周期、喚醒周期以及活動周期相關，則標簽每天盤點一次的功耗為

Ed=U(hms-Tav-Tsl-Tl)(TpsIpsTplIpl)+
U(TsIs+TlIl)+Eav

(16)

其中：h表示每天的小時數；m表示每小時的分鐘數；s表示每分鐘的秒數。盤點一輪后，當SF=10,B=20.8,L=8,n=8時，單個標簽的平均活動功耗Eav=4.9 J。此外，當SF=10,B=20.8,L=8,n=8時，單個標簽盤點一輪的平均時長Tav≈37 s。所采用的電池容量為8 000 mAh，在計算過程中暫不考慮電池的效率和自放電參數。根據式(16)能計算出標簽一天的耗能，進而得出電池為標簽供能的時間。

不同預喚醒周期的標簽壽命對比情況如圖7所示，從圖7可以看出，加入預喚醒命令后單個標簽工作壽命隨預喚醒偵聽時間變化的曲線，預喚醒的休眠偵聽總周期范圍為1～60 s。預喚醒的整體休眠偵聽周期越長、偵聽時間越短，標簽的工作壽命就越長。

圖8給出了有無預喚醒命令的標簽工作壽命對比情況，加入預喚醒命令后，在預喚醒命令為4 ms時，單個標簽有預喚醒命令與無預喚醒命令的壽命對比。從圖8可以看出，相比于無預喚醒命令的標簽，標簽在加入預喚醒命令后的工作壽命大幅度提高。

圖8 有無預喚醒命令的標簽工作壽命對比

在預喚醒偵聽時間為4 ms的理想情況下，表2給出了不同預喚醒周期及盤點頻率下的電池壽命。由表2可知，當預喚醒周期越長且盤點頻率越低時，電池的壽命越長。然而，該趨勢可能會引發標簽的漏檢情況。因此，在實際應用中需要靈活選擇最佳盤點方案。

表2 預喚醒周期與盤點頻率不同時的電池壽命/年

5 結語

提出了一種基于LoRa協議與幀時隙ALOHA算法的低功耗有源電子標簽的實現方法。分析了各硬件組件模塊的功耗特征并建立功耗模型。以Keil 5作為平臺，完成了軟件部分的功耗優化。加入預喚醒機制，討論了標簽休眠周期對標簽壽命的影響。測試實驗表明，所提出的功耗模型及其相應的分析方法符合實際情況。