基于無源物聯(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)通模式向無源擴散模式轉(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、維護檢修頻繁、功率損耗較大、鏈接網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等多種問題，阻礙了物聯(lián)網(wǎng)擴散通信的發(fā)展。本文對基于無源物聯(lián)網(wǎng)的WiFi通信技術(shù)進行了研究，對散射通信模式進行了原理分析和結(jié)構(gòu)組成分析。采用自收集電磁波能量進行設(shè)備供能，可促進無源物聯(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、廣域部署和鏈接穩(wěn)定等優(yōu)勢。

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互聯(lián)網(wǎng)進行相關(guān)性鏈接的模式，目的在于實現(xiàn)萬物互聯(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)級速度增長，無論生活中的傳感體驗互聯(lián)還是工作中的各類數(shù)值監(jiān)測都離不開物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。但是由于我國物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展時間較短，當前大多數(shù)設(shè)備都采用傳統(tǒng)有源物聯(lián)網(wǎng)供能方式，能源的耗費和傳遞都導致巨量的開支。因此，致力于實現(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、無源WiFi原理概述

無源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)出的電磁波信號進行調(diào)制，替代傳統(tǒng)WiFi主動發(fā)射電磁波的通信方式。無源WiFi通信技術(shù)可將單頻電磁波信號轉(zhuǎn)換成符合IEEE802.11協(xié)議的WiFi信號，再通過具備WiFi解調(diào)器的設(shè)備進行信號獲取和解調(diào)，獲得信號數(shù)據(jù)。無源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、功耗較大等問題，對同類型射頻應(yīng)用設(shè)備具備較強的兼容性。但無源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)尚處于開發(fā)研究階段，且實際應(yīng)用環(huán)境存在復雜性和可變性，目前實際調(diào)制的信號能量較弱，無法驅(qū)動當前大多數(shù)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備?；诖耍疚膶o源WiFi通信技術(shù)進行原理和應(yīng)用技術(shù)研究，期望通過自收集模式實現(xiàn)低功耗無源WiFi通信設(shè)備的應(yīng)用，為無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供解決方案。

根據(jù)WiFi數(shù)據(jù)解調(diào)標準IEEE802.11協(xié)議可知，直接序列擴頻（DSSS）工作方式就是在發(fā)射端采用速率較高的擴頻序列對電磁波信號進行頻譜擴展，在接收端采用對應(yīng)的方式進行擴頻序列解析，將組合后的擴頻信號轉(zhuǎn)換成標準信號進行信號還原，完成射頻通信信號傳輸。其中，當直接序列擴頻進行多速率數(shù)據(jù)傳輸時，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)傳輸速率通過二分制或四相相對方式進行分割，從而得到相對快和相對慢的不同傳輸速率。在此基礎(chǔ)上采用補碼鍵控（CCK）方式對傳輸速率進行擴頻速率增加，以此提高分割傳輸速率的實際傳輸能力。因此，以二進制進行的DPSK是數(shù)據(jù)傳輸速率反應(yīng)的核心，也是擴頻調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)。

三、無源WiFi設(shè)備組成

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

在無源WiFi設(shè)備工作過程中，信號發(fā)生端一般指獨立設(shè)備之外的基站?；臼菃我簧漕l信號的發(fā)射源，由信號發(fā)生器和天線組成，在規(guī)定時間和規(guī)定區(qū)域發(fā)射固定頻率的電磁波信號，是能量和信號提供源頭。

通常情況下，信號處理端即為無源WiFi設(shè)備，由設(shè)備使用的微型控制芯片、射頻信號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作為信號處理核心，通過MCU輸出管腳對射頻控制開關(guān)進行打開操作，以匹配對應(yīng)天線頻率。射頻信號天線負責吸收或反射固定射頻信號，從而完成設(shè)備基于反射散射調(diào)制過程的無源供能任務(wù)。

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

四、無源WiFi設(shè)備實現(xiàn)

無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是一個集成系統(tǒng)控制、能量轉(zhuǎn)換、儲能管理、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，儲能管理由電感電容儲能電路控制，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、儲能電路、控制電路和信號放大電路組成，其中無源WiFi設(shè)備是在無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中射頻通信管理中采用WiFi通信模塊。在設(shè)備功能實現(xiàn)過程中，天線接收端將基站發(fā)送的固定頻率電磁波信號進行收集，通過射頻開關(guān)進行頻率匹配輪轉(zhuǎn)，采用最大傳輸功率將射頻電磁信號能量轉(zhuǎn)換成可控的直流電源能量，儲存在電感電容中，再通過放大器傳輸給電源管理模塊進行電壓供能，對設(shè)備控制終端進行喚醒和操作。在整個系統(tǒng)功能運行階段，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。但在實際的電磁波能量收集過程中，越高的頻率能量衰減速度越快，所以在無源能量收集過程中，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行能量收集和信號通信，同時為了盡可能減少上下級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，而電感電容儲能電路可較好地滿足功能需求。

在無源WiFi設(shè)備的能量使用過程中，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。電磁波射頻信號能量供給較少且能量呈發(fā)散特性，需要對轉(zhuǎn)換電壓進行倍壓整流處理提高輸出電壓值。但由于提高電壓又會造成能源的損耗，因此需要降低傳統(tǒng)的倍壓級數(shù)，根據(jù)設(shè)備電源供能情況計算倍壓級數(shù)。目前常用的方式是采用冷啟動和DC-DC轉(zhuǎn)換相結(jié)合的方式，當射頻直流轉(zhuǎn)換輸出功率小于冷啟動功率時進行系統(tǒng)供能冷啟動，而當其大于冷啟動功率時則進行DC-DC轉(zhuǎn)換。這樣會導致小幅度能量供給長期處于冷啟動狀態(tài)而造成能量耗費，需要對供能方式進行改進。合適的方法是進行電感電容儲能處理，當達到超過冷啟動功率時直接啟動DC-DC轉(zhuǎn)換，達到瞬時啟動無源WiFi設(shè)備的效果，通過累積的方式增強了設(shè)備的運作時常。

五、結(jié)束語

無源WiFi設(shè)備是無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)展的重要形式之一，其本質(zhì)是通過電磁波能量散射收集進行WiFi設(shè)備供能。本文通過對無源WiFi原理的論述和無源WiFi設(shè)備組成的分析，研究了當前無源WiFi設(shè)備功能實現(xiàn)的技術(shù)途徑；在原理論述中對電磁波信號中基波和諧波能量進行了研究，得出頻率和相位是影響能量收集的主要原因；在設(shè)備組成過程中，通過三端分析了無源WiFi設(shè)備的供能結(jié)構(gòu)；在功能實現(xiàn)中，提出了雙頻天線和儲能累積進行供能的方法。無源WiFi設(shè)備的主要優(yōu)勢在于低功耗、高性價比、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)問題，可望促進基于無源WiFi通信技術(shù)的無源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

作者單位：西安智維尼教育科技有限公司