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(xiàng)目中的智能感知設(shè)備已初具遠(yuǎn)程喚醒手段，但存在時(shí)效性差、功耗大、成功率不高等缺陷。為解決以上問(wèn)題，通過(guò)對(duì)特征射頻信號(hào)功率放大及濾波電路的研究，設(shè)計(jì)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(shí)，研究對(duì)特征頻率射頻信號(hào)的高Q值無(wú)源接收裝置，提高喚醒靈敏度，并降低功耗。結(jié)果表明：最終發(fā)射電路的輸出功率達(dá)33 dBm，發(fā)射距離10 m以上；無(wú)源接收裝置監(jiān)聽(tīng)功耗降低到10 μA級(jí)，并可過(guò)濾絕大多數(shù)環(huán)境干擾。通過(guò)射頻發(fā)射裝置和無(wú)源接收裝置的配套使用，實(shí)現(xiàn)了智能感知設(shè)備微功耗遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)喚醒。

關(guān)鍵詞：

非接觸喚醒； 抗干擾； 雙載波； 無(wú)源接收機(jī)； 農(nóng)村智慧水利

中圖法分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S1-0068-04

0 引 言

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

目前，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品中已存在一些遠(yuǎn)程喚醒方案，如藍(lán)牙［8-10］和WIFI［11-12］，適用范圍廣、技術(shù)成熟，如西門子RTU3000C系列，國(guó)內(nèi)的四聯(lián)、森孚等廠家等。但由于水利應(yīng)用對(duì)低功耗的要求，廣播時(shí)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(shì)是功耗低，由特征碼解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是解調(diào)復(fù)雜，喚醒成功率不高，而且AS3903僅支持150 kHz的信號(hào)頻率，射頻波長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，不易布設(shè)天線。在調(diào)制解調(diào)模式應(yīng)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(jī)功耗在10 mA左右，不適用于低功耗場(chǎng)景。

遠(yuǎn)程喚醒功能對(duì)RTU電池的使用壽命影響極大，以藍(lán)牙為例進(jìn)行測(cè)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(guó)內(nèi)RTU的內(nèi)置電池一般在76 Ah左右，按5 a使用壽命測(cè)算，RTU自身年功耗15.2 Ah，增加藍(lán)牙遠(yuǎn)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(wú)疑增大了智慧水利項(xiàng)目的建設(shè)維護(hù)成本。

本文研制了一種射頻雙載波遠(yuǎn)程喚醒系統(tǒng)，摒棄藍(lán)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(hào)頻率，縮短天線長(zhǎng)度，降低接收功耗。該系統(tǒng)既具有非接觸式維護(hù)功能，又滿足極低的待機(jī)功耗，還支持實(shí)時(shí)喚醒。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 問(wèn)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(shè)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(shè)計(jì)的喚醒系統(tǒng)應(yīng)該規(guī)避廣播功耗，采用純接收的監(jiān)聽(tīng)方式。一般應(yīng)用中，接收機(jī)將接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)［17］，判斷數(shù)據(jù)有效性，再進(jìn)行后續(xù)操作。但在水利行業(yè)中，需要結(jié)合農(nóng)村環(huán)境的特殊性，打破固有思維。解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)在于極大提高了射頻通信的抗干擾性，但同時(shí)也意味著對(duì)信號(hào)的信噪比有最基本要求，容易因?yàn)樾旁氡容^低而喚醒失敗。在水利項(xiàng)目維護(hù)場(chǎng)景下，對(duì)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(yīng)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(jié)合多年項(xiàng)目運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)村智慧水利項(xiàng)目的產(chǎn)品及配件應(yīng)盡量減小體積，縮短長(zhǎng)度，便于安裝和更換。涉及射頻功能時(shí)，應(yīng)考慮天線布設(shè)的難度和空間。

1.2 總體架構(gòu)

本文提出一種低功耗、易部署，同時(shí)具有一定抗干擾能力、適合水利項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用的遠(yuǎn)程喚醒系統(tǒng)，其大致結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為2個(gè)部分：維護(hù)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(gè)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(zhǎng)）的原則，天線長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)方式

2.1 調(diào)制雙載波

當(dāng)維護(hù)人員按下開(kāi)關(guān)時(shí)，MCU配置鎖相環(huán)產(chǎn)生兩路連續(xù)的射頻信號(hào)：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(méi)有低倍數(shù)諧波，相關(guān)性低、互擾小。同時(shí)，這兩個(gè)頻率避開(kāi)了低頻廣播FM/AM頻段，也避開(kāi)了315/433 MHz商用頻段以及890 MHz的GSM頻段，抗干擾能力強(qiáng)。由于水利RTU的射頻喚醒不需要很復(fù)雜的調(diào)制模式，此處使用OOK調(diào)制，即二進(jìn)制振幅鍵控。調(diào)制后的載波見(jiàn)圖2。

2.2 濾波及放大

鎖相環(huán)輸出的信號(hào)幅值非常低，遠(yuǎn)不能達(dá)到輸出、輻射的要求，所以需要經(jīng)過(guò)至少兩級(jí)射頻功率放大器放大。為減小鎖相環(huán)輸出負(fù)擔(dān)，本設(shè)計(jì)將鎖相環(huán)輸出功率設(shè)定在0 dBm左右，經(jīng)過(guò)聲表面放大器（SAW）過(guò)濾和衰減，進(jìn)入到第一級(jí)功放。此時(shí)功率較低，MCU通過(guò)對(duì)功放柵極電壓的控制實(shí)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(jí)濾波來(lái)過(guò)濾雜波。此時(shí)輸出信號(hào)功率在10～20 dBm量級(jí)，已不適合使用SAW濾波。因此，本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)源LRC濾波器（接收機(jī)部分詳述）。信號(hào)通過(guò)LRC濾波后進(jìn)入最后一級(jí)放大，并經(jīng)由天線輻射。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(lái)有效抵消空間衰減，并滿足接收機(jī)的最低接收靈敏度。本文的接收機(jī)大致增益約為21 dB，靈敏度約10 dBm，即載波信

號(hào)以0 dBm從鎖相環(huán)輸出后，到達(dá)接收機(jī)的總增益必須高于10 dBm才可被識(shí)別。SAW的插入損耗一般為3～5 dB。LRC電路插損約為3 dB。各個(gè)天線的SMA接口插損0.5 dB，共1 dB。每一級(jí)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(shè)備可以使用定向天線，接收機(jī)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(jì)，環(huán)路總衰減為9 dB（SAW、LRC、SMA總和）。根據(jù)射頻信號(hào)空間衰減公式：

Ls=10×log10（4πf）2/l2（1）

化簡(jiǎn)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(hào)，環(huán)路增益需要66.8 dB以上，刨除兩個(gè)天線16 dBi的增益、接收機(jī)21 dB增益，需要調(diào)整每級(jí)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(wú)源接收機(jī)

無(wú)源接收機(jī)是本設(shè)計(jì)優(yōu)于其他同類方案關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)極低的待機(jī)功耗，以及較高的Q值（選頻特性），將載波信號(hào)過(guò)濾出來(lái)，見(jiàn)圖3。

無(wú)源接收機(jī)的設(shè)計(jì)主要立足于通過(guò)LC的諧振選頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一特定頻率檢波。圖3中主要起作用的器件為L(zhǎng)4、L5、C17和L52。其中，L4、L5為串聯(lián)關(guān)系，C17和L52為并聯(lián)關(guān)系，然后再與L4和L5串聯(lián)。C19和C21起隔直和區(qū)分地信號(hào)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(dá)如下：

A（ω）=ZC17//ZL52ZL4+ZL5+ZC17//ZL52（3）

式中：“//”表示并聯(lián)關(guān)系；ZL為jωL，ZC表達(dá)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(jì)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(shí)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(jìn)行微調(diào)的預(yù)留位。另外，單純的LC電路Q值過(guò)高，選頻帶寬過(guò)窄，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，電阻、電容，包括電感特性都會(huì)發(fā)生變化，尤其是手持發(fā)射機(jī)的本振25 MHz晶體，溫度特性最差為50×10-6，過(guò)高的Q值不利于實(shí)際應(yīng)用，所以電路增加了R33和R34，用來(lái)平滑Q值，拓寬通頻帶，同時(shí)減小了增益。通過(guò)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(jī)的高頻阻抗匹配取75 Ω。一般射頻電路設(shè)計(jì)常用50 Ω匹配，這是綜合了電流敏感和電壓敏感的不同應(yīng)用。水利RTU的喚醒系統(tǒng)接收機(jī)與其他應(yīng)用不同，從電路原理上可以看出，對(duì)射頻功率并不敏感，僅對(duì)電壓敏感，所以此處可以進(jìn)行75 Ω匹配，以增大接收增益。利用工具軟件Polar Si9000可以計(jì)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(dǎo)線射頻阻抗匹配計(jì)算值75.20 Ω，見(jiàn)圖5。

2.4 喚醒邏輯

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

與比較器的預(yù)設(shè)參考電平進(jìn)行比較，當(dāng)沒(méi)有發(fā)射機(jī)激勵(lì)時(shí)，預(yù)設(shè)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(dāng)接收機(jī)收到發(fā)射機(jī)的射頻信號(hào)時(shí)，由于載波的存在，反相輸入端電平高于預(yù)設(shè)參考電平，比較器輸出翻轉(zhuǎn)。由圖7可以看出，默認(rèn)情況下，比較器輸出級(jí)集電極開(kāi)路，輸出高電平。當(dāng)射頻載波出現(xiàn)時(shí)，逐漸高于比較參考電平（VREF），此時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)（比較器響應(yīng)時(shí)間約為1.2 μs），產(chǎn)生一個(gè)下降沿。

同樣的電路處理邏輯同時(shí)作用于275 MHz載波和600 MHz載波，只有兩個(gè)載波同時(shí)存在時(shí)，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(jié) 語(yǔ)

本文研發(fā)出一種射頻雙載波喚醒系統(tǒng)，特點(diǎn)如下：接收機(jī)待機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)喚醒，無(wú)需等待廣播間隔；喚醒信號(hào)雙載波，避開(kāi)干擾頻段，提高抗干擾能力；載波信號(hào)頻率高，天線短，易于布設(shè)；最終實(shí)現(xiàn)10 m以上喚醒距離，很好地解決了對(duì)喚醒

低功耗遙測(cè)終端的功能需求。而且，此設(shè)計(jì)具有普

適性，可以搭載在任何RTU產(chǎn)品中。

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