0 引言

    無(wú)線充電技術(shù)將充電設(shè)備與電源分離，充電更安全，并且具有便捷、防水防塵、在極其惡劣的條件下也能正常工作的特點(diǎn)^[1-3]。隨著無(wú)線充電的發(fā)展成熟，它在醫(yī)療植入、防水密閉設(shè)備等特殊無(wú)線傳感系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用^{[1，3-4]}。無(wú)線充電應(yīng)用于無(wú)線傳感系統(tǒng)，解決了能量續(xù)航問(wèn)題^[5-8]。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種非接觸式生物傳感器，該傳感器節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線充電系統(tǒng)供電，并通過(guò)WiFi技術(shù)將人體生理數(shù)據(jù)傳送至智能手機(jī)。文獻(xiàn)[6]研究出的植入式胃腸電刺激系統(tǒng)也采用無(wú)線充電系統(tǒng)供電，并通過(guò)無(wú)線通信芯片IA4420收發(fā)數(shù)據(jù)引入生物反饋控制。文獻(xiàn)[7]中的無(wú)線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)借助無(wú)線充電完成能量供應(yīng)，并通過(guò)CC2530無(wú)線收發(fā)模塊將所感知到的信息傳送至管理中心。文獻(xiàn)[8]同樣利用無(wú)線充電為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)解決能量問(wèn)題。

    這些無(wú)線充電傳感系統(tǒng)都需采用額外的無(wú)線通信模塊完成傳感數(shù)據(jù)的傳輸，無(wú)疑增加了傳感器節(jié)點(diǎn)的體積與功耗。在可植入醫(yī)療設(shè)備、體積受限空間、嵌入物體等測(cè)量應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的體積直接決定設(shè)備的可用性、實(shí)施性和美觀性。大體積的傳感器節(jié)點(diǎn)存在無(wú)法植入動(dòng)物體內(nèi)、在體積受限空間無(wú)法實(shí)施和無(wú)法嵌入物體影響美觀等問(wèn)題。如果能夠在完成數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上減少傳感器節(jié)點(diǎn)電路組成，將減小傳感器節(jié)點(diǎn)的體積，解決上述場(chǎng)景的問(wèn)題。

    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)的能量與信息混合傳輸方法多有研究，通過(guò)完成無(wú)線充電系統(tǒng)的閉環(huán)控制提升了無(wú)線充電的效率、平滑度及安全性^[9-15]。其中文獻(xiàn)[13]-[15]指出了基于Qi協(xié)議無(wú)線充電系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器采用負(fù)載調(diào)制和頻率調(diào)制技術(shù)通過(guò)傳能線圈進(jìn)行通信。但他們都并未對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路空余分析及應(yīng)用層進(jìn)行深入研究，以充分利用無(wú)線充電系統(tǒng)的信息傳輸。

    本文對(duì)基于Qi協(xié)議的無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行分析，電能參數(shù)信息數(shù)據(jù)量較小，且傳輸時(shí)間上有間歇性的特點(diǎn)，因此，通信鏈路上有大量的空余，這為傳輸傳感器采集數(shù)據(jù)提供了可行方法。通過(guò)對(duì)Qi協(xié)議擴(kuò)展，將傳感器數(shù)據(jù)合理地安排在無(wú)線充電系統(tǒng)通信鏈路中，節(jié)省了傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊的體積和功耗，精簡(jiǎn)了電路的設(shè)計(jì)，并降低了成本。

1 基于Qi協(xié)議的數(shù)據(jù)采集方法設(shè)計(jì)

1.1 基于Qi協(xié)議的無(wú)線充電系統(tǒng)

    基于Qi協(xié)議的無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，接收器將自身的電能相關(guān)參數(shù)傳輸?shù)桨l(fā)射器，然后發(fā)射器做出響應(yīng)調(diào)節(jié)傳輸?shù)墓β剩瓿闪穗娔軅鬏數(shù)拈]環(huán)控制。

1.2 工作階段分析

    基于Qi協(xié)議的無(wú)線充電系統(tǒng)工作狀態(tài)被分為7個(gè)階段：選擇階段、握手階段、識(shí)別配置階段、協(xié)商階段、校準(zhǔn)階段、重新協(xié)商階段、電能傳輸階段，并在任何階段都進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間控制^[15-16]，如圖2所示。

    可以看出，無(wú)線充電系統(tǒng)將在電能傳輸階段穩(wěn)定傳輸電能，而在握手階段、識(shí)別配置階段、協(xié)商階段、校準(zhǔn)階段、重新協(xié)商階段停留的時(shí)間短暫。若利用無(wú)線充電系統(tǒng)傳輸傳感器數(shù)據(jù)，應(yīng)將傳感器數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間安排在電能傳輸階段。

1.3 數(shù)據(jù)鏈路空閑狀態(tài)分析

    在電能傳輸階段，接收器必須發(fā)送控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包、接收能量數(shù)據(jù)包，且發(fā)送滿足時(shí)間限制。接收器到發(fā)射器的通信速率為2 k/s，則接收器發(fā)送的兩種類型的數(shù)據(jù)包時(shí)間限制如表1所示。

    每一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送占用通信鏈路時(shí)長(zhǎng)t_send+t_sil，則發(fā)送控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包占用通信鏈路52 ms，發(fā)送“接收能量數(shù)據(jù)包”占用通信鏈路40 ms。若取控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔t_int1為260 ms，接收能量數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔t_int2為1 600 ms，則發(fā)送兩種數(shù)據(jù)包占用通信鏈路的百分率為：

    經(jīng)過(guò)上述分析，在電能傳輸階段，發(fā)射器和接收器之間存在較大的通信空閑，為傳輸傳感器數(shù)據(jù)提供了可能性。

1.4 數(shù)據(jù)包擴(kuò)展分析

    Qi協(xié)議定義接收器向發(fā)射器傳輸信息以數(shù)據(jù)包的方式，發(fā)射器向接收器傳輸信息以數(shù)據(jù)包和響應(yīng)的形式。在數(shù)據(jù)包類型和響應(yīng)類型中，其中部分已經(jīng)設(shè)定了名稱并定義了數(shù)據(jù)包中每位的意義，利用這些數(shù)據(jù)包嚴(yán)格地控制電能傳輸過(guò)程中的工作狀態(tài)，保證電能傳輸過(guò)程的安全；還有一部分未設(shè)定名稱的專享數(shù)據(jù)包，如果出現(xiàn)在接收器與發(fā)射器的信息傳輸中，可自由決定解析數(shù)據(jù)包還是忽視數(shù)據(jù)包。

    因此，可在發(fā)射器與接收器之間約定專享數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)內(nèi)容，將傳感器數(shù)據(jù)填充在約定的專享數(shù)據(jù)包中。表2和表3分別統(tǒng)計(jì)了接收器向發(fā)射器傳輸和發(fā)射器向接收器傳輸可用的專享數(shù)據(jù)包。

1.5 數(shù)據(jù)包傳輸規(guī)避分析

    發(fā)射器和接收器之間傳遞包含傳感器數(shù)據(jù)信息的專享數(shù)據(jù)包可能造成傳輸電能控制信息超出時(shí)間限制。因此，數(shù)據(jù)包傳輸必須采取一定的策略。

    接收器向發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)，控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包和接收能量數(shù)據(jù)包的時(shí)間限制列于表1，發(fā)送控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包占用通信鏈路時(shí)間為52 ms，發(fā)送接收能量數(shù)據(jù)包占用通信鏈路時(shí)間最長(zhǎng)為40 ms。將控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔設(shè)定為200~260 ms(發(fā)送周期為252~312 ms)，接收能量數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔設(shè)定為1 300~1 600 ms(發(fā)送周期為1 340~1 640 ms)。在發(fā)送控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包后發(fā)送專享數(shù)據(jù)包，可以發(fā)送多個(gè)專享數(shù)據(jù)包，但發(fā)送和靜默總時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)180 ms，流程如圖3所示。

    若在發(fā)送控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包200 ms后，開(kāi)始發(fā)送“接收能量數(shù)據(jù)包”(占用40 ms)，此時(shí)控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間間隔為240 ms，小于最大時(shí)間間隔260 ms。

    若在發(fā)送“接收能量數(shù)據(jù)包”1 300 ms后，開(kāi)始發(fā)送控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包及專享數(shù)據(jù)包(最大占用52+180=232 ms)，此時(shí)接收能量數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間間隔為1 532 ms，小于最大發(fā)送時(shí)間間隔1 600 ms。

    由于預(yù)留180 ms時(shí)間發(fā)送專享數(shù)據(jù)包，而發(fā)送頭字節(jié)為0xE2的最長(zhǎng)專享數(shù)據(jù)包時(shí)長(zhǎng)為126.5 ms，此方案滿足要求且可避免發(fā)送控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包和接收能量數(shù)據(jù)包超過(guò)時(shí)間限制。由于控制差錯(cuò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期最長(zhǎng)為312 ms，故自定義數(shù)據(jù)的最大發(fā)送延時(shí)為312 ms，在每小于312 ms的時(shí)間里可發(fā)送180 ms的專享數(shù)據(jù)包。

    發(fā)射器接收到24 bit接收能量數(shù)據(jù)包，需在3~10 ms之間回復(fù)8 bit響應(yīng)。發(fā)射器無(wú)法預(yù)知接收能量數(shù)據(jù)包的來(lái)臨，設(shè)定在發(fā)送專享數(shù)據(jù)包過(guò)程中接收到24 bit接收能量數(shù)據(jù)包時(shí)，立即停止專享數(shù)據(jù)包的傳輸，在回復(fù)響應(yīng)后重新發(fā)送專享數(shù)據(jù)包。由于發(fā)射器到接收器的通信速率大于195 b/s，發(fā)送最長(zhǎng)的頭字節(jié)為0x8F的專享數(shù)據(jù)包時(shí)長(zhǎng)小于620.5 ms，遠(yuǎn)小于接收器發(fā)送接收能量數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期1 340~1 640 ms，不會(huì)被連續(xù)中止兩次，可完成數(shù)據(jù)傳輸。

    若在專享數(shù)據(jù)包即將傳輸完成時(shí)，發(fā)射器接收到“接收能量數(shù)據(jù)包”，此時(shí)立即停止專享數(shù)據(jù)包傳輸，回復(fù)響應(yīng)重新發(fā)送專享數(shù)據(jù)包，此時(shí)為專享數(shù)據(jù)包最大發(fā)送延時(shí)?？梢缘贸鲎畲蟀l(fā)送延時(shí)為專享數(shù)據(jù)包最大發(fā)送時(shí)長(zhǎng)與響應(yīng)發(fā)送時(shí)長(zhǎng)t_rep之和(620.5+41=661.5 ms)，且最大重新發(fā)送次數(shù)為1次。

1.6 基于Qi協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

    在接收器上搭載一個(gè)或多個(gè)傳感器，利用無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行供電，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)方法從接收器傳輸至發(fā)射器，無(wú)需額外的通信模塊，即可完成輕量級(jí)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示。

2 實(shí)例分析

    在化學(xué)原料的倉(cāng)庫(kù)，兩個(gè)直徑為30 mm的玻璃管道中分別傳輸著易散發(fā)的有毒氣體H₂S和CO。為了氣體傳輸?shù)陌踩枰ㄟ^(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)它們的濃度，如圖5所示。由于傳輸管道尺寸的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的體積必須足夠小。此外，小體積的傳感器節(jié)點(diǎn)更有利于氣體的正常傳輸。

    基于能量與信號(hào)混合傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)無(wú)需無(wú)線通信模塊，有利于傳感器節(jié)點(diǎn)的小型化。對(duì)Qi協(xié)議的部分專享數(shù)據(jù)包做出擴(kuò)展定義，列于表4。

    圖6為參數(shù)設(shè)定確認(rèn)包，接收器用來(lái)對(duì)發(fā)射器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定的確認(rèn)（包含數(shù)據(jù)采集模式設(shè)定數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)上報(bào)周期設(shè)定數(shù)據(jù)包進(jìn)行的參數(shù)設(shè)定）。

    圖7為傳感器數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)包，用來(lái)發(fā)送氣體類別、濃度信息數(shù)據(jù)。

    圖8為數(shù)據(jù)采集模式設(shè)定數(shù)據(jù)包，用來(lái)設(shè)定數(shù)據(jù)采集的模式，可以設(shè)定系統(tǒng)為主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)模式和請(qǐng)求數(shù)據(jù)模式。

    圖9為數(shù)據(jù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。當(dāng)系統(tǒng)工作在請(qǐng)求數(shù)據(jù)模式時(shí)，數(shù)據(jù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包用來(lái)向接收器請(qǐng)求傳感器數(shù)據(jù)信息。

    圖10為數(shù)據(jù)上報(bào)周期設(shè)定數(shù)據(jù)包。當(dāng)系統(tǒng)工作在主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)模式時(shí)，數(shù)據(jù)上報(bào)周期設(shè)定數(shù)據(jù)包可以設(shè)定數(shù)據(jù)上報(bào)的周期。

    將無(wú)線充電發(fā)射器放置在導(dǎo)管A指定區(qū)域，無(wú)線充電接收器A和H₂S傳感器開(kāi)始工作；將無(wú)線充電發(fā)射器放置在導(dǎo)管B指定區(qū)域，無(wú)線充電接收器B和CO傳感器開(kāi)始工作。分別對(duì)系統(tǒng)在不同工作模式下進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集成功率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5和表6所示。

    從測(cè)試數(shù)據(jù)看出，基于能量與信號(hào)混合傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了對(duì)氣體濃度監(jiān)測(cè)，并可靈活設(shè)置系統(tǒng)的工作模式。

    目前常用的無(wú)線通信模塊尺寸約15 mm×20 mm×4 mm，功耗約0.5 mW?；谀芰颗c信號(hào)混合傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)基于無(wú)線充電的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，節(jié)省的無(wú)線通信模塊將大幅度減小傳感器節(jié)點(diǎn)的體積。通過(guò)上述實(shí)際案例驗(yàn)證了該方法的可行性。

3 結(jié)論

    在無(wú)線充電系統(tǒng)的能量與信號(hào)混合傳輸?shù)幕A(chǔ)上，本文通過(guò)對(duì)Qi協(xié)議的數(shù)據(jù)包擴(kuò)展定義、數(shù)據(jù)包傳輸?shù)暮侠硪?guī)避，完成了傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。使用該技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無(wú)需額外的無(wú)線通信模塊，減小了傳感器節(jié)點(diǎn)的體積與功耗，精簡(jiǎn)了電路，且降低了成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者信息:

白光磊，江  昊，史佳雯，江  威，張  琪

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢430072）