基于環(huán)境反向散射的無源窗口報警裝置設計

趙培焱 王衍文

（西京學院 信息工程學院，陜西 西安710123）

伴隨著人們生活水平的提升，大眾對于安全問題的關注與日俱增，基于不同原理的報警裝置也是層出不窮。目前市面上常見的窗口報警裝置大多為紅外對射報警探測器或機電探測器，這些報警裝置都需要電源實時進行供電，易老化使用壽命短，而且維護繁瑣。因而，以此為背景的技術手段仍存在進步的空間，仍需要創(chuàng)新的應用技術對此背景下存在的問題進行改進。本文的目的在于采用環(huán)境反向散射技術解決現有技術存在的缺陷，提高設備的可靠性，避免了供電或更換電池等繁瑣的人力投入。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本文設計的無源窗口報警裝置，包括環(huán)境反向散射發(fā)射器、環(huán)境反向散射接收器，以及周圍環(huán)境中的射頻源RFs[1]發(fā)射的射頻信號。報警裝置控制框圖如圖1 所示。

發(fā)射器能量收集單元收集周圍環(huán)境中的射頻信號并將它轉換成電能，為控制單元和定向波束發(fā)射單元供電。控制單元中可以預先設置該發(fā)射器的id 標識[1]。然后，定向波束發(fā)射單元將控制單元輸出的id 標識[1]采用定向波束的形式發(fā)射至對應的接收器。

接收器能量收集單元收集周圍環(huán)境中的射頻信號并將它轉換成電能，為信號檢測單元、報警單元供電。當信號檢測單元檢測出定向波束發(fā)射單元向外部發(fā)射的定向波束時，表明能檢測到id 信號，表示無闖入行為，此時不觸發(fā)報警單元工作[2]。當未檢測到id 信號時，表示有闖入者觸發(fā)闖入行為，則觸發(fā)報警單元工作，提醒用戶有闖入者進入，以達到為用戶預警與震懾闖入者的作用。

圖1 報警裝置控制框圖

2 環(huán)境反向散射發(fā)射器設計

如圖2 和圖3 所示，本文設計的環(huán)境反向散射發(fā)射器分別采用以P2110B 射頻- 直流能量轉換芯片為核心的發(fā)射器能量收集單元，其中以型號為XC6206P302MR 的穩(wěn)壓芯片與漏電流較小的超級電容F750G228MRC組成穩(wěn)壓電路；以MSP430G2533 控制芯片為核心的控制單元；以ADG902 射頻開關為核心的定向波束發(fā)射單元等硬件。

環(huán)境反向散射發(fā)射器天線選用的是中心頻率為539MHz 的定向天線ET1，天線的阻抗為50Ω，采用定向天線即可以實現波束定向發(fā)射[3]。實際中，在布置天線時采用定向天線并調整天線下傾角來實現波束定向發(fā)射。采用定向波束是由于目前環(huán)境反向散射的效率還較低，功率較小，所以采用定向波束來增強信號的傳播距離。

2.1 發(fā)射器能量收集單元

射頻- 直流能量轉換由芯片UT1 實現，UT1 采用Powercast 公司的P2110B射頻- 直流能量轉換芯片，天線ET1 與射頻- 直流能量轉換芯片UT1 進行阻抗匹配后連接，其負載阻抗為50Ω[4]。

在環(huán)境反向散射系統(tǒng)中，應使天線與負載共軛匹配，即假設天線阻抗Za=Ra+jXa，則負載阻抗Zc=Z*a=Ra-jXa，其中Ra，是天線電阻，Xa是天線電抗，上角標*表示求共軛，j 為虛數單位。

當環(huán)境反向散射發(fā)射器的天線與負載阻抗達到匹配狀態(tài)時，周圍環(huán)境能量被天線吸收至發(fā)射器能量收集單元；當與負載阻抗處于失配狀態(tài)時，環(huán)境信號被環(huán)境反向散射發(fā)射器的天線反向散射到環(huán)境反向散射接收器。本裝置通過調節(jié)環(huán)境反向散射發(fā)射器的射頻開關，實現天線與負載之間的阻抗匹配/失配，決定環(huán)境反向散射發(fā)射器上的天線是接收能量還是反射射頻信號，其中，實現收集環(huán)境中射頻信號的射頻- 直流能量轉換芯片UT1 的天線與實現向接收器發(fā)射定向波束的天線是共用的，即UT1 與UT4 共用同一天線，發(fā)射/接收狀態(tài)是由射頻開關的關斷/導通來決定。進一步通過環(huán)境反向散射接收器的接收，從而實現發(fā)射器/接收器之間的通信。實際電路中，通過CTT1 置為低/高電平狀態(tài)實現的，當CTT1 置為低電平狀態(tài)時，射頻開關UT4 處于關閉狀態(tài)，環(huán)境反向散射發(fā)射器的天線反向散射環(huán)境信號；當CTT1 置為高電平狀態(tài)時，射頻開關UT4 處于導通狀態(tài)，環(huán)境反向散射發(fā)射器的天線與負載阻抗達到匹配狀態(tài)，周圍環(huán)境能量被發(fā)射器能量收集單元吸收。

發(fā)射器能量收集單元的電容CT1 選擇漏電流較小的超級電容F750G228MRC，容量值為1mF；其中的穩(wěn)壓芯片UT2、電容CT2 和CT3 組成穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓芯片UT2 型號為XC6206P 302MR，電容CT2 的容值為10μF，電容CT3 的容值為1μF[5]。

2.2 控制單元

控制單元由芯片UT3 和電阻RT1、電容CT4、晶振YT1 等外圍電路組成，UT3 采用TI 公司的MSP430G2533 作為控制芯片，電阻RT1 的阻值為5.1kΩ，電容CT4 的容值為2.2μF，晶振YT1 的頻率為8.032MHz，電容CT5 的容值為12pF，電容CT6 的容值為12pF[6]。

2.3 定向波束發(fā)射單元

定向波束發(fā)射單元由芯片UT4 和電阻RT2 組成；芯片UT4 選用的型號為ADG902 的射頻開關，RT2 的阻值為4.7kΩ。

圖2 發(fā)射器能量收集單元原理圖

圖3 控制電源和定向波束發(fā)射單元原理圖

3 環(huán)境反向散射接收器設計

如圖4 和圖5 所示，本文設計的環(huán)境反向散射接收器分別采用以P2110B 射頻- 直流能量轉換芯片為核心的接收器能量收集單元，其中以型號為XC6206P302MR 的穩(wěn)壓芯片與漏電流較小的超級電容F750G228MRC組成穩(wěn)壓電路；以MSP430G2533 控制芯片與ADG902 射頻開關組成的信號檢測單元；以MSP430G2533 控制芯片與型號為SFM-20-A-C（2310）的蜂鳴器組成的報警單元等硬件。

環(huán)境反向散射接收器天線ER1 選用的是中心頻率為539MHz的天線，天線的阻抗為50Ω。

3.1 接收器能量收集單元

射頻- 直流能量轉換由芯片UR1 實現，UR1 采用Powercast公司的P2110B射頻- 直流能量轉換芯片，天線ER1 與射頻- 直流能量轉換芯片UR1 進行阻抗匹配后連接，其負載阻抗為50Ω。實際電路中，將CTR1 始終置為高電平狀態(tài)，則環(huán)境反向散射接收器的天線與負載阻抗始終處于匹配狀態(tài)，使得周圍環(huán)境能量被接收器的天線吸收。

接收器能量收集單元的電容CR1 選擇漏電流較小的超級電容F750G228MRC，容量值為1mF；其中的穩(wěn)壓芯片UR2、電容CR2和CR3 組成穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓芯片UR2 型號為XC6206P302MR，電容CR2 的容值為10μF，電容CR3 的容值為1μF[7]。

3.2 信號檢測單元

信號檢測單元由芯片UR3、UR4 和電阻RR2 等外圍電路組成，UR3 采用TI 公司的MSP430G2533 作為控制芯片，芯片UR4選用的型號為ADG902 的射頻開關，電阻RR2 的阻值為4.7kΩ[8]。

3.3 報警單元

報警單元由芯片UR3 和電阻RR1、三極管VTR1、蜂鳴器SPR1 等外圍電路組成；電阻RR1 的阻值為1kΩ、三極管VTR1 的型號為NPN 型9013、報警單元中的蜂鳴器SPR1 選擇耗能較小的蜂鳴器型號為SFM-20-A-C（2310），阻值為8Ω，功率為0.25w。

圖4 接收器能量收集單元原理圖

圖5 信號檢測單元和報警單元原理圖

4 結論

利用環(huán)境反向散射技術來實現的無源窗口報警裝置，真正意義上做到了無源與無線通信，從根本上擺脫了對交流電和電池的依賴。有利于此技術在低功耗領域的發(fā)展和應用，為構建大規(guī)模無源無線傳感器網絡具有一定的推動意義。