0 引言

    無線充電技術(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^[1-3],。隨著無線充電的發(fā)展成熟，它在醫(yī)療植入,、防水密閉設(shè)備等特殊無線傳感系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用^[1,，3-4]。無線充電應(yīng)用于無線傳感系統(tǒng),，解決了能量續(xù)航問題^[5-8],。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種非接觸式生物傳感器，該傳感器節(jié)點采用無線充電系統(tǒng)供電,，并通過WiFi技術(shù)將人體生理數(shù)據(jù)傳送至智能手機,。文獻(xiàn)[6]研究出的植入式胃腸電刺激系統(tǒng)也采用無線充電系統(tǒng)供電，并通過無線通信芯片IA4420收發(fā)數(shù)據(jù)引入生物反饋控制,。文獻(xiàn)[7]中的無線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點借助無線充電完成能量供應(yīng),，并通過CC2530無線收發(fā)模塊將所感知到的信息傳送至管理中心。文獻(xiàn)[8]同樣利用無線充電為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點解決能量問題,。

    這些無線充電傳感系統(tǒng)都需采用額外的無線通信模塊完成傳感數(shù)據(jù)的傳輸,，無疑增加了傳感器節(jié)點的體積與功耗。在可植入醫(yī)療設(shè)備,、體積受限空間,、嵌入物體等測量應(yīng)用中，傳感器節(jié)點的體積直接決定設(shè)備的可用性,、實施性和美觀性,。大體積的傳感器節(jié)點存在無法植入動物體內(nèi)、在體積受限空間無法實施和無法嵌入物體影響美觀等問題,。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)點電路組成,，將減小傳感器節(jié)點的體積，解決上述場景的問題,。

    近年來,，國內(nèi)外對無線充電系統(tǒng)的能量與信息混合傳輸方法多有研究，通過完成無線充電系統(tǒng)的閉環(huán)控制提升了無線充電的效率,、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)通過傳能線圈進(jìn)行通信。但他們都并未對數(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,，以充分利用無線充電系統(tǒng)的信息傳輸,。

    本文對基于Qi協(xié)議的無線充電系統(tǒng)進(jìn)行分析,，電能參數(shù)信息數(shù)據(jù)量較小，且傳輸時間上有間歇性的特點,，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,。通過對Qi協(xié)議擴(kuò)展,，將傳感器數(shù)據(jù)合理地安排在無線充電系統(tǒng)通信鏈路中，節(jié)省了傳感器節(jié)點的無線通信模塊的體積和功耗,，精簡了電路的設(shè)計,，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

1.1 基于Qi協(xié)議的無線充電系統(tǒng)

    基于Qi協(xié)議的無線充電系統(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?，完成了電能傳輸?shù)拈]環(huán)控制,。

1.2 工作階段分析

    基于Qi協(xié)議的無線充電系統(tǒng)工作狀態(tài)被分為7個階段：選擇階段、握手階段,、識別配置階段,、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)格的時間控制^[15-16],，如圖2所示,。

    可以看出，無線充電系統(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)商階段停留的時間短暫。若利用無線充電系統(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)送控制差錯數(shù)據(jù)包,、接收能量數(shù)據(jù)包,，且發(fā)送滿足時間限制。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)包時間限制如表1所示,。

    每一個數(shù)據(jù)包發(fā)送占用通信鏈路時長t_send+t_sil,，則發(fā)送控制差錯數(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程中的工作狀態(tài)，保證電能傳輸過程的安全,；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)，控制差錯數(shù)據(jù)包和接收能量數(shù)據(jù)包的時間限制列于表1,，發(fā)送控制差錯數(shù)據(jù)包占用通信鏈路時間為52 ms,，發(fā)送接收能量數(shù)據(jù)包占用通信鏈路時間最長為40 ms。將控制差錯數(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)送控制差錯數(shù)據(jù)包后發(fā)送專享數(shù)據(jù)包，可以發(fā)送多個專享數(shù)據(jù)包,，但發(fā)送和靜默總時長不超過180 ms,，流程如圖3所示。

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

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

    由于預(yù)留180 ms時間發(fā)送專享數(shù)據(jù)包,，而發(fā)送頭字節(jié)為0xE2的最長專享數(shù)據(jù)包時長為126.5 ms，此方案滿足要求且可避免發(fā)送控制差錯數(shù)據(jù)包和接收能量數(shù)據(jù)包超過時間限制,。由于控制差錯數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期最長為312 ms,，故自定義數(shù)據(jù)的最大發(fā)送延時為312 ms，在每小于312 ms的時間里可發(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)射器無法預(yù)知接收能量數(shù)據(jù)包的來臨,，設(shè)定在發(fā)送專享數(shù)據(jù)包過程中接收到24 bit接收能量數(shù)據(jù)包時,，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)送最長的頭字節(jié)為0x8F的專享數(shù)據(jù)包時長小于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,，發(fā)射器接收到“接收能量數(shù)據(jù)包”，此時立即停止專享數(shù)據(jù)包傳輸,，回復(fù)響應(yīng)重新發(fā)送專享數(shù)據(jù)包,，此時為專享數(shù)據(jù)包最大發(fā)送延時?？梢缘贸鲎畲蟀l(fā)送延時為專享數(shù)據(jù)包最大發(fā)送時長與響應(yīng)發(fā)送時長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或多個傳感器,，利用無線充電技術(shù)進(jìn)行供電,，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過上述設(shè)計方法從接收器傳輸至發(fā)射器，無需額外的通信模塊,，即可完成輕量級數(shù)據(jù)采集,。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示。

2 實例分析

    在化學(xué)原料的倉庫,，兩個直徑為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^無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測它們的濃度,，如圖5所示,。由于傳輸管道尺寸的限制,，傳感器節(jié)點的體積必須足夠小。此外,，小體積的傳感器節(jié)點更有利于氣體的正常傳輸,。

    基于能量與信號混合傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)無需無線通信模塊，有利于傳感器節(jié)點的小型化,。對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,，接收器用來對發(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,，用來設(shè)定數(shù)據(jù)采集的模式,，可以設(shè)定系統(tǒng)為主動上報數(shù)據(jù)模式和請求數(shù)據(jù)模式。

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

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

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

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

    目前常用的無線通信模塊尺寸約15 mm×20 mm×4 mm,，功耗約0.5 mW,。基于能量與信號混合傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)對比傳統(tǒng)基于無線充電的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，節(jié)省的無線通信模塊將大幅度減小傳感器節(jié)點的體積,。通過上述實際案例驗證了該方法的可行性。

3 結(jié)論

    在無線充電系統(tǒng)的能量與信號混合傳輸?shù)幕A(chǔ)上，本文通過對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)計的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，無需額外的無線通信模塊,，減小了傳感器節(jié)點的體積與功耗，精簡了電路,，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）