農(nóng)村智慧水利射頻雙載波喚醒系統(tǒng)研究

唐光輝 孫飛 王源楠

摘要：

農(nóng)村智慧供水及灌溉項目中的智能感知設備已初具遠程喚醒手段，但存在時效性差、功耗大、成功率不高等缺陷。為解決以上問題，通過對特征射頻信號功率放大及濾波電路的研究，設計出一種具有定向發(fā)射、OOK調(diào)制且耦合雙路載波的發(fā)射電路。同時，研究對特征頻率射頻信號的高Q值無源接收裝置，提高喚醒靈敏度，并降低功耗。結果表明：最終發(fā)射電路的輸出功率達33 dBm，發(fā)射距離10 m以上；無源接收裝置監(jiān)聽功耗降低到10 μA級，并可過濾絕大多數(shù)環(huán)境干擾。通過射頻發(fā)射裝置和無源接收裝置的配套使用，實現(xiàn)了智能感知設備微功耗遠程實時喚醒。

關鍵詞：

非接觸喚醒； 抗干擾； 雙載波； 無源接收機； 農(nóng)村智慧水利

中圖法分類號：TP23

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.020

文章編號：1006-0081（2023）S1-0068-04

0 引 言

遠程測控終端（RTU）是一種可部署在智慧水利工程項目最前端的智能單元，具有遠程數(shù)據(jù)采集、控制和通信功能。在智慧水利應用中，尤其是農(nóng)村供水、灌渠項目中，RTU安裝偏僻不易觸及，這雖保證了設備安全性，維護卻極為不便，由此誕生出非接觸式遠程維護功能。本文根據(jù)多年智慧水利項目施工經(jīng)驗，基于低功耗RTU長期處在休眠模式、無法通過聯(lián)網(wǎng)喚醒［1-2］的特性，研究非接觸式遠程喚醒技術［3-5］以及可持續(xù)的低功耗待機技術［6-7］，旨在將設備使用壽命由3 a延長至5 a以上，以降低智慧水利項目總體實施成本。

目前，國內(nèi)外產(chǎn)品中已存在一些遠程喚醒方案，如藍牙［8-10］和WIFI［11-12］，適用范圍廣、技術成熟，如西門子RTU3000C系列，國內(nèi)的四聯(lián)、森孚等廠家等。但由于水利應用對低功耗的要求，廣播時間和廣播頻次都受到極大限制，喚醒效率不高。其他方案，如AS3903調(diào)制解調(diào)方案［13-15］，優(yōu)勢是功耗低，由特征碼解調(diào)，抗干擾能力強，缺點是解調(diào)復雜，喚醒成功率不高，而且AS3903僅支持150 kHz的信號頻率，射頻波長過長，不易布設天線。在調(diào)制解調(diào)模式應用中，TI的CC11XX［16］系列是目前使用率較高的單芯片方案［3］，但是待機功耗在10 mA左右，不適用于低功耗場景。

遠程喚醒功能對RTU電池的使用壽命影響極大，以藍牙為例進行測算，射頻發(fā)射瞬間功耗150 mA，每次廣播30 ms，廣播間隔2 min，則每年需要額外約6 Ah的電功耗。目前，國內(nèi)RTU的內(nèi)置電池一般在76 Ah左右，按5 a使用壽命測算，RTU自身年功耗15.2 Ah，增加藍牙遠程功能之后，年功耗增加到21.2 Ah，使用壽命縮短到3 a左右，無疑增大了智慧水利項目的建設維護成本。

本文研制了一種射頻雙載波遠程喚醒系統(tǒng)，摒棄藍牙、WIFI的廣播工作模式，優(yōu)化射頻調(diào)制解調(diào)模式，耦合雙路射頻載波，提高射頻信號頻率，縮短天線長度，降低接收功耗。該系統(tǒng)既具有非接觸式維護功能，又滿足極低的待機功耗，還支持實時喚醒。

1 設計思路

1.1 問題分析

如前所述，喚醒系統(tǒng)不能采用間歇廣播形式，低功耗設備的廣播功耗少則數(shù)十毫安，多則上百毫安，極大縮短了RTU使用壽命。本文設計的喚醒系統(tǒng)應該規(guī)避廣播功耗，采用純接收的監(jiān)聽方式。一般應用中，接收機將接收到的射頻信號進行解調(diào)［17］，判斷數(shù)據(jù)有效性，再進行后續(xù)操作。但在水利行業(yè)中，需要結合農(nóng)村環(huán)境的特殊性，打破固有思維。解調(diào)的優(yōu)點在于極大提高了射頻通信的抗干擾性，但同時也意味著對信號的信噪比有最基本要求，容易因為信噪比較低而喚醒失敗。在水利項目維護場景下，對多次誤喚醒的容忍度比多次喚醒失敗的容忍度高得多，所以應該犧牲一部分喚醒系統(tǒng)的抗干擾能力，換取更高的喚醒成功率。

結合多年項目運維經(jīng)驗，農(nóng)村智慧水利項目的產(chǎn)品及配件應盡量減小體積，縮短長度，便于安裝和更換。涉及射頻功能時，應考慮天線布設的難度和空間。

1.2 總體架構

本文提出一種低功耗、易部署，同時具有一定抗干擾能力、適合水利項目實際應用的遠程喚醒系統(tǒng)，其大致結構如圖1所示，系統(tǒng)分為2個部分：維護人員配備的手持喚醒發(fā)射終端（上半部分虛線框內(nèi)）以及每個RTU集成的接收終端（下半部分虛線框內(nèi)）。載波頻率最低275 MHz，按照1/4λ（波長）的原則，天線長度25 cm左右，RTU安裝井直徑一般在0.5 m以上，屬于可接受范圍。

2 實現(xiàn)方式

2.1 調(diào)制雙載波

當維護人員按下開關時，MCU配置鎖相環(huán)產(chǎn)生兩路連續(xù)的射頻信號：275 MHz和600 MHz，均為25 MHz本振的整數(shù)倍，所以可使用較低成本鎖相環(huán)芯片。275 MHz和600 MHz分別是25 MHz的11倍和24倍，其同頻諧波至少為11次諧波，沒有低倍數(shù)諧波，相關性低、互擾小。同時，這兩個頻率避開了低頻廣播FM/AM頻段，也避開了315/433 MHz商用頻段以及890 MHz的GSM頻段，抗干擾能力強。由于水利RTU的射頻喚醒不需要很復雜的調(diào)制模式，此處使用OOK調(diào)制，即二進制振幅鍵控。調(diào)制后的載波見圖2。

2.2 濾波及放大

鎖相環(huán)輸出的信號幅值非常低，遠不能達到輸出、輻射的要求，所以需要經(jīng)過至少兩級射頻功率放大器放大。為減小鎖相環(huán)輸出負擔，本設計將鎖相環(huán)輸出功率設定在0 dBm左右，經(jīng)過聲表面放大器（SAW）過濾和衰減，進入到第一級功放。此時功率較低，MCU通過對功放柵極電壓的控制實現(xiàn)OOK調(diào)制。

由于OOK調(diào)制以及功放有可能存在失真，在放大后需要加一級濾波來過濾雜波。此時輸出信號功率在10～20 dBm量級，已不適合使用SAW濾波。因此，本文設計了一種無源LRC濾波器（接收機部分詳述）。信號通過LRC濾波后進入最后一級放大，并經(jīng)由天線輻射。

為實現(xiàn)遠程喚醒，即至少10 m的有效距離，需要發(fā)射端和接收端的環(huán)路增益來有效抵消空間衰減，并滿足接收機的最低接收靈敏度。本文的接收機大致增益約為21 dB，靈敏度約10 dBm，即載波信

號以0 dBm從鎖相環(huán)輸出后，到達接收機的總增益必須高于10 dBm才可被識別。SAW的插入損耗一般為3～5 dB。LRC電路插損約為3 dB。各個天線的SMA接口插損0.5 dB，共1 dB。每一級功放的增益在15～20 dB可調(diào)。由于已知RTU的位置，所以手持設備可以使用定向天線，接收機使用全向天線，定向天線增益可以做到14 dBi，全向天線增益普遍為2～4 dBi。按最差情況估計，環(huán)路總衰減為9 dB（SAW、LRC、SMA總和）。根據(jù)射頻信號空間衰減公式：

Ls=10×log10（4πf）2/l2（1）

化簡為

Ls=92.4+20log10d+20log10f（2）

式中：d為傳播距離，km；f為載波頻率，GHz。帶入10 m、275 MHz和600 MHz，可得到Ls約為41.0 dB和47.8 dB，即環(huán)路總衰減最大值56.8 dB。為保證10 dBm的接收信號，環(huán)路增益需要66.8 dB以上，刨除兩個天線16 dBi的增益、接收機21 dB增益，需要調(diào)整每級功放平均增益至少為15 dB，功放性能可以滿足，并保留10 dB冗余。

2.3 無源接收機

無源接收機是本設計優(yōu)于其他同類方案關鍵因素。設計目標是通過無源器件實現(xiàn)極低的待機功耗，以及較高的Q值（選頻特性），將載波信號過濾出來，見圖3。

無源接收機的設計主要立足于通過LC的諧振選頻，實現(xiàn)對某一特定頻率檢波。圖3中主要起作用的器件為L4、L5、C17和L52。其中，L4、L5為串聯(lián)關系，C17和L52為并聯(lián)關系，然后再與L4和L5串聯(lián)。C19和C21起隔直和區(qū)分地信號的作用，由于后面100 K電阻R35的原因，不參與選頻。傳遞函數(shù)可表達如下：

A（ω）=ZC17//ZL52ZL4+ZL5+ZC17//ZL52（3）

式中：“//”表示并聯(lián)關系；ZL為jωL，ZC表達為1jωC，分別代表電感和電容的阻抗，帶入后得到：

A（ω）=1jωC17×jωL521jωC17+jωL52jω（L4+L5）+1jωC17×jωL521jωC17+jωL52（4）

最終計算此電路在頻率為275 MHz（此處以275 MHz載波為例，600 MHz載波同理）時增益最高。由于電感和電容的取值受限于市面上主流值，所以很難取到理想的電容或電感值，這里增加的CTBC就是為了進行微調(diào)的預留位。另外，單純的LC電路Q值過高，選頻帶寬過窄，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，電阻、電容，包括電感特性都會發(fā)生變化，尤其是手持發(fā)射機的本振25 MHz晶體，溫度特性最差為50×10-6，過高的Q值不利于實際應用，所以電路增加了R33和R34，用來平滑Q值，拓寬通頻帶，同時減小了增益。通過最終調(diào)試，R33和R34選值為0.5 Ω。最終的增益控制在21 dB左右。

由圖4濾波特性可以看出，通帶變寬，通帶內(nèi)增益降低，選頻特性得到改善。

此外，與傳統(tǒng)射頻電路的50 Ω阻抗匹配不同，接收機的高頻阻抗匹配取75 Ω。一般射頻電路設計常用50 Ω匹配，這是綜合了電流敏感和電壓敏感的不同應用。水利RTU的喚醒系統(tǒng)接收機與其他應用不同，從電路原理上可以看出，對射頻功率并不敏感，僅對電壓敏感，所以此處可以進行75 Ω匹配，以增大接收增益。利用工具軟件Polar Si9000可以計算出匹配值。板厚選擇1 mm，板材選用常規(guī)的FR4基板，介電常數(shù)4.2，線寬底部0.9 mm，頂部0.8 mm，鋪銅T1為1盎司，則單導線射頻阻抗匹配計算值75.20 Ω，見圖5。

2.4 喚醒邏輯

回看圖1的接收部分，信號經(jīng)由天線、LRC電路之后，需要通過電阻分壓，加入直流分量（圖6）。

與比較器的預設參考電平進行比較，當沒有發(fā)射機激勵時，預設參考電平（正向輸入端）略高于直流分量（反相輸入端），比較器輸出高電平；當接收機收到發(fā)射機的射頻信號時，由于載波的存在，反相輸入端電平高于預設參考電平，比較器輸出翻轉。由圖7可以看出，默認情況下，比較器輸出級集電極開路，輸出高電平。當射頻載波出現(xiàn)時，逐漸高于比較參考電平（VREF），此時比較器翻轉（比較器響應時間約為1.2 μs），產(chǎn)生一個下降沿。

同樣的電路處理邏輯同時作用于275 MHz載波和600 MHz載波，只有兩個載波同時存在時，比較器的輸出才為低電平，觸發(fā)ARM的外部中斷引腳，喚醒RTU。

3 結 語

本文研發(fā)出一種射頻雙載波喚醒系統(tǒng)，特點如下：接收機待機功耗在3 μA以下（其他產(chǎn)品均為數(shù)十μA），完全滿足低功耗需求；實時監(jiān)聽喚醒，無需等待廣播間隔；喚醒信號雙載波，避開干擾頻段，提高抗干擾能力；載波信號頻率高，天線短，易于布設；最終實現(xiàn)10 m以上喚醒距離，很好地解決了對喚醒

低功耗遙測終端的功能需求。而且，此設計具有普

適性，可以搭載在任何RTU產(chǎn)品中。

參考文獻：

［1］ 汪宋良，楊鳴，邵華.基于無線喚醒功能的超微功耗收發(fā)系統(tǒng)設計［J］.電訊技術，2006，46（5）：165-169.

［2］ 孟凡振，劉宏，汪明亮，等.用于物聯(lián)網(wǎng)通信的低功耗喚醒接收機設計［J］.西安電子科技大學學報（自然科學版），2017，44（2）：95-100.

［3］ 韓進，齊乃寶.CC430F5137的低功耗無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2014，14（2）：27-30.

［4］ 何驥，高紅山.一種雙載波收發(fā)信機的設計與實現(xiàn)［J］.無線電工程，2016，46（3）：71-74.

［5］ 張?zhí)希妒|菲，王思嘉，等.面向農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測的傳感終端［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術，2021，11（7）：9-11，15.

［6］ BANNOURA A，HFLINGER F，GORGIES O，et al.Acoustic wake-up receivers for home automation control applications［J］.Electronics，2016，5（1）：4.

［7］ PEREZ A O，BIERER B，DICN C，et al.Low-power odor-sensing network based on wake-up nodes［J］.Proceedings，2017，1（4）：570.

［8］ 祝維浩.Atmosic的藍牙方案奇了可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備永久續(xù)航或無需電池［J］.電子產(chǎn)品世界，2020，27（11）：83.

［9］ 鄒文婷.低功耗藍牙廣播技術及其在智能交互中的應用實例［J］.電視技術，2022，46（5）：34-37.

［10］ 閆云，丁永紅.BLE Mesh組網(wǎng)的可穿戴設備低功耗研究［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2022，22（3）：52-55.

［11］ 胡乃平，賈浩杰，袁紹正.基于IPv6和LoRa的智能門鎖系統(tǒng)設計［J］.計算機測量與控制，2022，30（2）：252-256，262.

［12］ 李艷，張帥，謝桂輝，等.基于WiFi散射通信技術的超低功耗放射源監(jiān)測節(jié)點［J］.通信電源技術，2021，38（16）：122-124.

［13］ 包晨露，楊永杰，王志亮，等.基于無線喚醒方式的車間人員活動信息監(jiān)測系統(tǒng)［J］.軟件，2022，43（1）：23-28.

［14］ 方鄉(xiāng)，陳仲生，李文豪.一種基于STM32微控制器的低功耗LoRa感知系統(tǒng)設計［J］.電工電氣，2022（6）：14-18，29.

［15］ 姚達雯，周國平.低功耗半主動式水質傳感電子標簽設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2014（9）：49-52.

［16］ 彭芬.低功耗射頻喚醒無線傳感器網(wǎng)絡設計［J］.無線互聯(lián)科技，2016（6）：4-5.

［17］ 林碩，張榮晶.基于LoRa的車輛稱重系統(tǒng)中低功耗無線模塊設計［J］.自動化與儀表，2018，33（5）：79-83.