农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究.pdf

2023年6 月引用格式：唐光辉,孙飞，王源楠.农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究J.水利水电快报，2 0 2 3,44（S1）：6 8-7 1.水利水电快报EWRHI第 44 卷增刊 1农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究唐光辉孙飞，王源楠（长江信达软件技术（武汉）有限责任公司，湖北武汉430 0 10）摘要：农村智慧供水及灌溉项目中的智能感知设备已初具远程唤醒手段，但存在时效性差、功耗大、成功率不高等缺陷。为解决以上问题，通过对特征射频信号功率放大及滤波电路的研究，设计出一种具有定向发射、0 0 OK调制且耦合双路载波的发射电路。同时，研究对特征频率射频信号的高Q值无源接收装置，提高唤醒灵敏度，并降低功耗。结果表明：最终发射电路的输出功率达33dBm，发射距离10 m以上；无源接收装置监听功耗降低到10 A级，并可过滤绝大多数环境干扰。通过射频发射装置和无源接收装置的配套使用，实现了智能感知设备微功耗远程实时唤醒。关键词：非接触唤醒；抗干扰；双载波；无源接收机；农村智慧水利中图法分类号：TP23文章编号：10 0 6-0 0 8 1(2 0 2 3)S1-0068-040引言远程测控终端（RTU）是一种可部署在智慧水利工程项目最前端的智能单元,具有远程数据采集、控制和通信功能。在智慧水利应用中，尤其是农村供水、灌渠项目中,RTU安装偏僻不易触及，这虽保证了设备安全性，维护却极为不便，由此诞生出非接触式远程维护功能。本文根据多年智慧水利项目施工经验,基于低功耗RTU长期处在休眠模式、无法通过联网唤醒1-2 1的特性,研究非接触式远程唤醒技术3-5 以及可持续的低功耗待机技术6-7 ,旨在将设备使用寿命由3a延长至5 a以上,以降低智慧水利项目总体实施成本。目前,国内外产品中已存在一些远程唤醒方案，如蓝牙8-10 和WIFI11-12,适用范围广、技术成熟，如西门子RTU3000C系列，国内的四联、森孚等厂家等。但由于水利应用对低功耗的要求，广播时间和广播频次都受到极大限制，唤醒效率不高。其他方案，如AS3903调制解调方案13-15 ，优势是功耗低，由特征码解调,抗干扰能力强，缺点是解调复杂，唤醒成功率不高，而且AS3903仅支持15 0 kHz的信号频率，射频波长过长，不易布设天线。在调制解调模式应用中,TI的CC11XX16系列是目前使用率较高收稿日期：2 0 2 2-12-0 9作者简介：唐光辉，男，高级工程师，主要从事水利信息化方面技术研究工作。E-mail：t a n g g u a n g h u i c j w s j y.c o m.c n通信作者：孙飞，男，工程师，硕士，主要从事水利智能设备研发工作。E-mail:68.文献标志码：ADOI:10.15974/ki.slsdkb.2023.S1.020的单芯片方案3,但是待机功耗在10 mA左右，不适用于低功耗场景。远程唤醒功能对RTU电池的使用寿命影响极大，以蓝牙为例进行测算，射频发射瞬间功耗150mA,每次广播30 ms，广播间隔2 min,则每年需要额外约6 Ah的电功耗。目前,国内RTU的内置电池一般在7 6 Ah左右,按5 a使用寿命测算,RTU自身年功耗15.2 Ah,增加蓝牙远程功能之后，年功耗增加到2 1.2 Ah,使用寿命缩短到3a左右,无疑增大了智慧水利项目的建设维护成本。本文研制了一种射频双载波远程唤醒系统，摒弃蓝牙、WIFI的广播工作模式，优化射频调制解调模式，耦合双路射频载波，提高射频信号频率，缩短天线长度，降低接收功耗。该系统既具有非接触式维护功能，又满足极低的待机功耗，还支持实时唤醒。1设计思路1.1问题分析如前所述,唤醒系统不能采用间歇广播形式，低功耗设备的广播功耗少则数十毫安，多则上百毫安，极大缩短了RTU使用寿命。本文设计的唤醒系统唐光辉等农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究应该规避广播功耗，采用纯接收的监听方式。一般应用中,接收机将接收到的射频信号进行解调17 ,判断数据有效性,再进行后续操作。但在水利行业中,需要结合农村环境的特殊性,打破固有思维。解调的优点在于极大提高了射频通信的抗干扰性，但同时也意味着对信号的信噪比有最基本要求，容易因为信噪比较低而唤醒失败。在水利项目维护场景下，对多次误唤醒的容忍度比多次唤醒失败的容忍度高得多,所以应该牺牲一部分唤醒系统的抗干扰能力,换取更高的唤醒成功率。结合多年项目运维经验，农村智慧水利项目的产品及配件应尽量减小体积，缩短长度，便于安装和更换。涉及射频功能时,应考虑天线布设的难度和空间。1.2总体架构本文提出一种低功耗、易部署,同时具有一定抗干扰能力、适合水利项目实际应用的远程唤醒系统，其大致结构如图1所示，系统分为2 个部分：维护人员配备的手持唤醒发射终端（上半部分虚线框内）以及每个RTU集成的接收终端（下半部分虚线框内）。载波频率最低2 7 5 MHz，按照1/4入（波长）的原则,天线长度2 5 cm左右,RTU安装井直径一般在0.5m以上,属于可接受范围。2实现方式2.1调制双载波当维护人员按下开关时，MCU配置锁相环产生两路连续的射频信号：2 7 5 MHz和6 0 0 MHz，均为25MHz本振的整数倍，所以可使用较低成本锁相环芯片。2 7 5 MHz和6 0 0 MHz分别是2 5 MHz的11倍275MHzANTPALRCPASAW锁相环SAWPALRCPAANT25MHz本振和2 4倍，其同频谐波至少为11次谐波，没有低倍数谐波,相关性低、互扰小。同时,这两个频率避开了低频广播FM/AM频段，也避开了315/433MHz商用频段以及8 9 0 MHz的GSM频段，抗干扰能力强。由于水利RTU的射频唤醒不需要很复杂的调制模式,此处使用OOK调制,即二进制振幅键控。调制后的载波见图2。图2 O0K调制载波（放大后）2.2氵滤波及放大锁相环输出的信号幅值非常低，远不能达到输出、辐射的要求，所以需要经过至少两级射频功率放大器放大。为减小锁相环输出负担，本设计将锁相环输出功率设定在0 dBm左右，经过声表面放大器(SAW)过滤和衰减,进入到第一级功放。此时功率较低，MCU通过对功放栅极电压的控制实现OOK调制。由于OOK调制以及功放有可能存在失真,在放大后需要加一级滤波来过滤杂波。此时输出信号功率在10 2 0 dBm量级，已不适合使用SAW滤波。因此,本文设计了一种无源LRC滤波器（接收机部分详述）。信号通过LRC滤波后进人最后一级放大，并经由天线辐射。为实现远程唤醒,即至少10 m的有效距离，需要发射端和接收端的环路增益来有效抵消空间衰减,并满足接收机的最低接收灵敏度。本文的接收机大致按键MCU开关控制SPI600MHZ开关控制ANTLRC比较器或门比较器LRCANT唤醒RTU图1唤醒系统结构框69.2023年6 月增益约为2 1dB，灵敏度约10 dBm,即载波信号以0dBm从锁相环输出后，到达接收机的总增益必须高于10 dBm才可被识别。SAW的插人损耗一般为35dB。L R C 电路插损约为3dB。各个天线的SMA接口插损0.5 dB,共1dB。每一级功放的增益在15 20dB可调。由于已知RTU的位置,所以手持设备可以使用定向天线，接收机使用全向天线，定向天线增益可以做到14dBi,全向天线增益普遍为2 4dBi。按最差情况估计,环路总衰减为9 dB（S A W、L R C、SMA总和）。根据射频信号空间衰减公式：L,=10 log1o(4/)/l?化简为L,=92.4+20 logiod+20 logiof式中:d为传播距离,km;f为载波频率,GHz。带人10m、2 7 5 MH z 和6 0 0 MHz,可得到L。约为41.0 dB和47.8 dB,即环路总衰减最大值5 6.8 dB。为保证10dBm的接收信号，环路增益需要6 6.8 dB以上，刨除两个天线16 dBi的增益、接收机2 1dB增益，需要调整每级功放平均增益至少为15 dB,功放性能可以满足,并保留10 dB允余。2.3无源接收机无源接收机是本设计优于其他同类方案关键因素。设计目标是通过无源器件实现极低的待机功耗,以及较高的Q值（选频特性），将载波信号过滤出来,见图3。ANTL433R33TBC0.5RL5R34TBC0.5RAGND图3LRC滤波电路无源接收机的设计主要立足于通过LC的谐振选频，实现对某一特定频率检波。图3中主要起作用的器件为L4、L 5、C 17 和 L52。其中,L4、L 5 为串联关系,C17和 L52 为并联关系,然后再与L4和L5串联。C19和C21起隔直和区分地信号的作用，由于后面10 0 K电阻R35的原因,不参与选频。传递函数可表达如下：A(a)=Zu+Zis+Zam/is式中：“/”表示并联关系;Z,为joL,Zc表达为分别代表电感和电容的阻抗，带入后得到：.70.水利水电快报EWRHIA(o)=jo(L4+L,)最终计算此电路在频率为2 7 5 MHz（此处以275MHz载波为例,6 0 0 MHz载波同理）时增益最高。由于电感和电容的取值受限于市面上主流值，(1)所以很难取到理想的电容或电感值，这里增加的CTBC就是为了进行微调的预留位。另外,单纯的(2)LC电路Q值过高，选频带宽过窄，当环境温度发生变化时，电阻、电容，包括电感特性都会发生变化，尤其是手持发射机的本振2 5 MHz晶体，温度特性最差为5 0 10-,过高的Q值不利于实际应用，所以电路增加了R33和R34,用来平滑Q值，拓宽通频带，同时减小了增益。通过最终调试,R33和R34选值为0.5。最终的增益控制在2 1dB左右。由图4滤波特性可以看出，通带变宽，通带内增益降低，选频特性得到改善。970750F500F250FC190RF唤醒273.5120pFLC23C17R348CL52TBCT330pF100KInHC21120pFGNDZc17/Z152(3)joC第 44 卷增刊 11 joLs2joCi,1joC,+joLs21joL521joCi+joLs2V(R7:1)V(C1:2)274.0274.5频率/MHzR35100K(4)275.0275.5图4滤波特性此外，与传统射频电路的5 0 Q阻抗匹配不同，接收机的高频阻抗匹配取7 5 Q。一般射频电路设计常用5 0 Q匹配，这是综合了电流敏感和电压敏感的不同应用。水利RTU的唤醒系统接收机与其他应用不同，从电路原理上可以看出，对射频功率并不敏感，仅对电压敏感,所以此处可以进行7 5 匹配，以增大接收增益。利用工具软件PolarSi9000可以计算出匹配值。板厚选择1mm,板材选用常规的FR4基板，介电常数4.2,线宽底部0.9 mm，顶部0.8mm,铺铜T1为1益司,则单导线射频阻抗匹配计算值7 5.2 0 Q,见图5。2.4唤醒逻辑回看图1的接收部分，信号经由天线、LRC电路之后，需要通过电阻分压，加入直流分量（图6）。276.0276.5唐光辉等农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究参考文献：lPolarSi9000PCBTra28atedMicrostrip与比较器的预设参考电平进行比较，当没有发射机激励时，预设参考电平（正向输入端）略高于直流分量（反相输入端），比较器输出高电平；当接收机收到发射机的射频信号时，由于载波的存在,反相输人端电平高于预设参考电平，比较器输出翻转。由图7 可以看出，默认情况下，比较器输出级集电极开路，输出高电平。当射频载波出现时，逐渐高于比较参考电平（VREF），此时比较器翻转（比较器响应时间约为1.2 s）,产生一个下降沿。图7 比较器翻转同样的电路处理逻辑同时作用于2 7 5 MHz载波和6 0 0 MHz载波，只有两个载波同时存在时，比较器的输出才为低电平,触发ARM的外部中断引脚,唤醒RTU。3结语本文研发出一种射频双载波唤醒系统，特点如下：接收机待机功耗在3A以下（其他产品均为数十A）,完全满足低功耗需求；实时监听唤醒,无需等待广播间隔；唤醒信号双载波，避开干扰频段，提高抗干扰能力；载波信号频率高，天线短，易于布设；最终实现10 m以上唤醒距离，很好地解决了对唤醒低功耗遥测终端的功能需求。而且，此设计具有普rogram Files(po6nPolarsi9ooountitled.sie)Surfacrostrip1B图5 阻抗匹配图6 增加直流偏置适性，可以搭载在任何RTU产品中。wamete Enly UnlitCMSubbde1DelechiceSbatste1HigtLomver Tce WidhUper TrsceWidhrce ThicknessMieronsEfH10.900W20.8000T10.030520000.0000.00000.00000.0000.80000.80000.0000.03050.0305Calaloel75.20/7520MoeDous1.000.20000.90000.90001:00004.20001汪宋良，杨鸣，邵华.基于无线唤醒功能的超微功耗收发系统设计J.电讯技术,2 0 0 6,46(5)：16 5-16 9.2孟凡振，刘宏，汪明亮，等.用于物联网通信的低功耗唤醒接收机设计J.西安电子科技大学学报（自然科学版),2 0 17,44(2):9 5-10 0.3 韩进，齐乃宝.CC430F5137的低功耗无线数据采集节点设计J.单片机与嵌人式系统应用,2 0 14,14(2）:2 7-30.4何骥，高红山.一种双载波收发信机的设计与实现J.无线电工程,2 0 16,46(3）：7 1-7 4.5 张滔，范芸菲，王思嘉，等.面向农田土壤温湿度监测的传感终端J.物联网技术,2 0 2 1,11（7）9-11,15.6BANNOURA A,HFLINGER F,GORGIES O,et al.Acoustic wake-up receivers for home automation controlapplicationsJ.Electronics,2016,5(1):4.7PEREZ A O,BIERER B,DICN C,et al.Low-power odor-sensing network based on wake-up nodes J.Pro-ceedings,2017,1(4):570.8祝维浩.Atmosic的蓝牙方案奇了可实现物联网设备永久续航或无需电池J.电子产品世界，2 0 2 0，2 7(11):83.9邹文婷.低功耗蓝牙广播技术及其在智能交互中的应用实例J.电视技术,2 0 2 2,46（5）：34-37.10闫云，丁永红.BLEMesh组网的可穿戴设备低功耗研究J.单片机与嵌人式系统应用，2 0 2 2,2 2（3）：5 2-55.11 胡乃平,贾浩杰,袁绍正.基于IPv6 和 LoRa 的智能门锁系统设计J.计算机测量与控制，2 0 2 2,30（2）：252-256,262.12 李艳，张帅，谢桂辉，等.基于WiFi散射通信技术的超低功耗放射源监测节点J.通信电源技术,2 0 2 1,38(16):122-124.13 包晨露，杨永杰，王志亮，等.基于无线唤醒方式的车间人员活动信息监测系统J.软件,2 0 2 2,43（1）2 3-28.14方乡,陈仲生，李文豪.一种基于STM32微控制器的低功耗LoRa感知系统设计J.电工电气,2 0 2 2（6)：14-18,29.15 姚达雯，周国平.低功耗半主动式水质传感电子标签设计J.单片机与嵌人式系统应用,2 0 14（9）：49-5 2.16 彭芬.低功耗射频唤醒无线传感器网络设计J.无线互联科技,2 0 16(6):4-5.17 林硕，张荣晶.基于LoRa的车辆称重系统中低功耗无线模块设计J.自动化与仪表,2 0 18,335)：7 9-8 3.(编辑：李慧).71.