基于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的WiFi通信技術(shù)研究

李駿杰

隨著能源通信技術(shù)和信息傳導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已從有源聯(lián)通模式向無(wú)源擴(kuò)散模式轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的有源物聯(lián)網(wǎng)通信存在能源供給方式單一、維護(hù)檢修頻繁、功率損耗較大、鏈接網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等多種問(wèn)題，阻礙了物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)散通信的發(fā)展。本文對(duì)基于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的WiFi通信技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)散射通信模式進(jìn)行了原理分析和結(jié)構(gòu)組成分析。采用自收集電磁波能量進(jìn)行設(shè)備供能，可促進(jìn)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建，具有低功耗、免維護(hù)、廣域部署和鏈接穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）本質(zhì)是一種采用各類型傳感器將物體通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)性鏈接的模式，目的在于實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)和同類屬物體分類。隨著微系統(tǒng)技術(shù)和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前應(yīng)用于各領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量呈指數(shù)級(jí)速度增長(zhǎng)，無(wú)論生活中的傳感體驗(yàn)互聯(lián)還是工作中的各類數(shù)值監(jiān)測(cè)都離不開物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。但是由于我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，當(dāng)前大多數(shù)設(shè)備都采用傳統(tǒng)有源物聯(lián)網(wǎng)供能方式，能源的耗費(fèi)和傳遞都導(dǎo)致巨量的開支。因此，致力于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)低功耗、廣傳播、高穩(wěn)定的通信技術(shù)研究一直是該領(lǐng)域的核心內(nèi)容。

二、無(wú)源WiFi原理概述

無(wú)源WiFi通信技術(shù)是以射頻反向散射技術(shù)為基礎(chǔ)，將基站發(fā)出的電磁波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，替代傳統(tǒng)WiFi主動(dòng)發(fā)射電磁波的通信方式。無(wú)源WiFi通信技術(shù)可將單頻電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合IEEE802.11協(xié)議的WiFi信號(hào)，再通過(guò)具備WiFi解調(diào)器的設(shè)備進(jìn)行信號(hào)獲取和解調(diào)，獲得信號(hào)數(shù)據(jù)。無(wú)源WiFi通信技術(shù)解決了傳統(tǒng)WiFi通信傳播距離短、傳送數(shù)據(jù)慢、功耗較大等問(wèn)題，對(duì)同類型射頻應(yīng)用設(shè)備具備較強(qiáng)的兼容性。但無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)尚處于開發(fā)研究階段，且實(shí)際應(yīng)用環(huán)境存在復(fù)雜性和可變性，目前實(shí)際調(diào)制的信號(hào)能量較弱，無(wú)法驅(qū)動(dòng)當(dāng)前大多數(shù)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。基于此，本文對(duì)無(wú)源WiFi通信技術(shù)進(jìn)行原理和應(yīng)用技術(shù)研究，期望通過(guò)自收集模式實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)源WiFi通信設(shè)備的應(yīng)用，為無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供解決方案。

根據(jù)WiFi數(shù)據(jù)解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11協(xié)議可知，直接序列擴(kuò)頻（DSSS）工作方式就是在發(fā)射端采用速率較高的擴(kuò)頻序列對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，在接收端采用對(duì)應(yīng)的方式進(jìn)行擴(kuò)頻序列解析，將組合后的擴(kuò)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)還原，完成射頻通信信號(hào)傳輸。其中，當(dāng)直接序列擴(kuò)頻進(jìn)行多速率數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要采用差分相移鍵控（DPSK）和正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制解調(diào)模式，將數(shù)據(jù)傳輸速率通過(guò)二分制或四相相對(duì)方式進(jìn)行分割，從而得到相對(duì)快和相對(duì)慢的不同傳輸速率。在此基礎(chǔ)上采用補(bǔ)碼鍵控（CCK）方式對(duì)傳輸速率進(jìn)行擴(kuò)頻速率增加，以此提高分割傳輸速率的實(shí)際傳輸能力。因此，以二進(jìn)制進(jìn)行的DPSK是數(shù)據(jù)傳輸速率反應(yīng)的核心，也是擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)。

三、無(wú)源WiFi設(shè)備組成

無(wú)源WiFi設(shè)備屬于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的一種，其組成結(jié)構(gòu)主要分為信號(hào)發(fā)生端、信號(hào)處理端和信號(hào)接收端三部分。信號(hào)發(fā)生端是信號(hào)傳輸?shù)陌l(fā)射端，可進(jìn)行原始射頻信號(hào)發(fā)射并形成電磁波源；信號(hào)處理端即設(shè)備，一般由處理芯片、射頻信號(hào)開關(guān)器和信號(hào)捕捉器組成；信號(hào)接收端對(duì)散射射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解析，將散射信號(hào)形成規(guī)格協(xié)議內(nèi)的中心頻率信號(hào)，從而接收傳遞的數(shù)據(jù)信息。

在無(wú)源WiFi設(shè)備工作過(guò)程中，信號(hào)發(fā)生端一般指獨(dú)立設(shè)備之外的基站。基站是單一射頻信號(hào)的發(fā)射源，由信號(hào)發(fā)生器和天線組成，在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定區(qū)域發(fā)射固定頻率的電磁波信號(hào)，是能量和信號(hào)提供源頭。

通常情況下，信號(hào)處理端即為無(wú)源WiFi設(shè)備，由設(shè)備使用的微型控制芯片、射頻信號(hào)天線和射頻控制開關(guān)組成。微控制器（MCU）發(fā)展迅速，一般采用低功耗的MCU作為信號(hào)處理核心，通過(guò)MCU輸出管腳對(duì)射頻控制開關(guān)進(jìn)行打開操作，以匹配對(duì)應(yīng)天線頻率。射頻信號(hào)天線負(fù)責(zé)吸收或反射固定射頻信號(hào)，從而完成設(shè)備基于反射散射調(diào)制過(guò)程的無(wú)源供能任務(wù)。

信號(hào)接收端是對(duì)發(fā)射、散射信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一接收的部位，一般是具備單獨(dú)處理WiFi信號(hào)的能力，在信號(hào)接收端工作過(guò)程中，接收基站固定頻率信號(hào)和散射調(diào)制的基波信號(hào)，并對(duì)擴(kuò)頻和分頻的高次諧波信號(hào)和轉(zhuǎn)換迭代信號(hào)也進(jìn)行接收，再通過(guò)WiFi過(guò)濾器將不符合協(xié)議頻率的信號(hào)進(jìn)行濾除，完成對(duì)WiFi信號(hào)進(jìn)行單頻道的控制和接收。

四、無(wú)源WiFi設(shè)備實(shí)現(xiàn)

無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是一個(gè)集成系統(tǒng)控制、能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能管理、網(wǎng)絡(luò)通信和匹配電路的嵌入式綜合設(shè)備。設(shè)備的系統(tǒng)控制功能由微處理器管理，能量轉(zhuǎn)換功能由電源轉(zhuǎn)換器管理，儲(chǔ)能管理由電感電容儲(chǔ)能電路控制，網(wǎng)絡(luò)通信由射頻接收器和射頻開關(guān)管理，匹配電路則由直流電路、儲(chǔ)能電路、控制電路和信號(hào)放大電路組成，其中無(wú)源WiFi設(shè)備是在無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中射頻通信管理中采用WiFi通信模塊。在設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，天線接收端將基站發(fā)送的固定頻率電磁波信號(hào)進(jìn)行收集，通過(guò)射頻開關(guān)進(jìn)行頻率匹配輪轉(zhuǎn)，采用最大傳輸功率將射頻電磁信號(hào)能量轉(zhuǎn)換成可控的直流電源能量，儲(chǔ)存在電感電容中，再通過(guò)放大器傳輸給電源管理模塊進(jìn)行電壓供能，對(duì)設(shè)備控制終端進(jìn)行喚醒和操作。在整個(gè)系統(tǒng)功能運(yùn)行階段，WiFi的通信頻道為2.4GHz，所以應(yīng)盡可能將散射電磁波功能和通信傳輸集中在2.4GHz的頻段中。但在實(shí)際的電磁波能量收集過(guò)程中，越高的頻率能量衰減速度越快，所以在無(wú)源能量收集過(guò)程中，應(yīng)采用頻率較低的頻段。目前通常采用433MHz的低頻共用雙頻天線進(jìn)行能量收集和信號(hào)通信，同時(shí)為了盡可能減少上下級(jí)不同頻率之間的能量耗散，應(yīng)盡可能地減少匹配網(wǎng)絡(luò)耗能元器件，而電感電容儲(chǔ)能電路可較好地滿足功能需求。

在無(wú)源WiFi設(shè)備的能量使用過(guò)程中，能量轉(zhuǎn)換配置起到?jīng)Q定性作用，其中轉(zhuǎn)換電路可將交轉(zhuǎn)直，也可將直轉(zhuǎn)直。電磁波射頻信號(hào)能量供給較少且能量呈發(fā)散特性，需要對(duì)轉(zhuǎn)換電壓進(jìn)行倍壓整流處理提高輸出電壓值。但由于提高電壓又會(huì)造成能源的損耗，因此需要降低傳統(tǒng)的倍壓級(jí)數(shù)，根據(jù)設(shè)備電源供能情況計(jì)算倍壓級(jí)數(shù)。目前常用的方式是采用冷啟動(dòng)和DC-DC轉(zhuǎn)換相結(jié)合的方式，當(dāng)射頻直流轉(zhuǎn)換輸出功率小于冷啟動(dòng)功率時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)供能冷啟動(dòng)，而當(dāng)其大于冷啟動(dòng)功率時(shí)則進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換。這樣會(huì)導(dǎo)致小幅度能量供給長(zhǎng)期處于冷啟動(dòng)狀態(tài)而造成能量耗費(fèi)，需要對(duì)供能方式進(jìn)行改進(jìn)。合適的方法是進(jìn)行電感電容儲(chǔ)能處理，當(dāng)達(dá)到超過(guò)冷啟動(dòng)功率時(shí)直接啟動(dòng)DC-DC轉(zhuǎn)換，達(dá)到瞬時(shí)啟動(dòng)無(wú)源WiFi設(shè)備的效果，通過(guò)累積的方式增強(qiáng)了設(shè)備的運(yùn)作時(shí)常。

五、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)源WiFi設(shè)備是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)展的重要形式之一，其本質(zhì)是通過(guò)電磁波能量散射收集進(jìn)行WiFi設(shè)備供能。本文通過(guò)對(duì)無(wú)源WiFi原理的論述和無(wú)源WiFi設(shè)備組成的分析，研究了當(dāng)前無(wú)源WiFi設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑；在原理論述中對(duì)電磁波信號(hào)中基波和諧波能量進(jìn)行了研究，得出頻率和相位是影響能量收集的主要原因；在設(shè)備組成過(guò)程中，通過(guò)三端分析了無(wú)源WiFi設(shè)備的供能結(jié)構(gòu)；在功能實(shí)現(xiàn)中，提出了雙頻天線和儲(chǔ)能累積進(jìn)行供能的方法。無(wú)源WiFi設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)在于低功耗、高性價(jià)比、廣域部署等，而高效的能源收集和利用可拓展設(shè)備的應(yīng)用范圍。解決相關(guān)問(wèn)題，可望促進(jìn)基于無(wú)源WiFi通信技術(shù)的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

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