第54卷 第1期2021年1月
通信技术
关于加强干部选拔任用工作监督的意见Communications Technology
Vol.54 No.1
Jan. 2021
文献引用格式：孙宁宁，刘婷，孙江，等. 无线能量收集式超高频物联网标签设计[J].通信技术，2021， 54（01）：231-237. SUN Ningning, LIU Ting ,SUN Jiang, et al. Design of Wireless Energy Harvesting UHF IoT Tag[J].
Communications Technology,2021,54(01):231-237.
doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2021.01.036
无线能量收集式超高频物联网标签设计*
孙宁宁1，刘 婷1，孙 江1，章佑鹏2，韦 涛3
（1.中国人民解放军93114部队，北京 100085；2. 电子科技大学，四川 成都 611731；
3.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）
摘 要：设计了一种环境无线能量收集式超高频蜂窝物联网标签的系统架构，包括无线能量收集电路、环境温度感知电路、超高频RFID标签电路、嵌入式程序等软硬件，研制出无线能量收集式超高频蜂窝物联网标签，其兼容ISO/IEC 18000-6C 超高频RFID空口标准协议，具有温度感知与射频识别功能。无线能量收集式超高频蜂窝物联网标签收集环境中GSM900、GSM1800频段无线能量，将其转换成直流，经过DC-DC升压电路（BQ25570）后驱动无线收发前端电路模块、MSP430单片机、温度感知电路等模块工作，实现环境温度无线感知与传输。测试结果表明，收集的射频功率为-14dBm时, RF-DC转换效率高于39%，直流输出电压高于330mV，冷启动BQ25570和标签正常工作。无线能量收集式物联网标签克服了有源标签需频繁更换电池的缺点，具有识别灵敏度高、通信距离远、使用寿命长和免维护等优点，在冷链仓储物流领域应用前景广泛。 关键词：Miller编码；BQ25570；无线能量收集；物联网标签；低功耗
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1002-0802(2021)-01-0231-07
Design of Wireless Energy Harvesting UHF IoT Tag
SUN Ningning1, LIU Ting1, SUN Jiang1, ZHANG Youpeng2, WEI Tao3
(1.Unit 93114 of PLA，Beijing 100085，China；2.University of Electronic Science and Technology of China,
Chengdu Sichuan 611731, China；3. No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China) Abstract: A system architecture of environmental wireless energy harvesting UHF cellular IoT tags is designed, including software and hardware such as wireless energy harvesting circuits, environmental temperature sensing circuits, UHF RFID tag circuits, and embedded programs. The wireless energy harvesting UHF cellular IoT tag is developed, which is compatible with the ISO/IEC 18000-6C UHF RFID air interface standard protocol and has temperature sensing and radio frequency identification functions. The wireless energy harvesting UHF cellular IoT tag collects wireless energy in the GSM900 and GSM1800 frequency bands in the environment and converts it into direct current. After passing through the DC-DC boost circuit (BQ25570), it drives the wireless transceiver front-end circuit module, MSP430 single-
* 收稿日期：2020-09-10；修回日期：2020-12-10 Received date:2020-09-10;Revised date:2020-12-10
基金项目：宜宾市科技项目（No. 2018ZSF001）、教育部-中国移动科研基金（No.MCM20180104）以及中山市智能陈列展示技术工程实验室。
Foundation Item:Science and Technology Project of Yibin (No.2018ZSF001)、Ministry of Education-China Mobile Research Fund (No.MCM20180104) and Intelligent Display Technology Engineering Laboratory of Zhongshan.
图1 超高频RFID物联网标签系统结构
无线能量收集式超高频物联网标签的硬件结构主要包括4部分：天线接收射频信号，整流电路，能量收集电路，收发射频前端电路，MCU协议实现电路，其结构如图2所示。
第54卷第1期
孙宁宁，刘 婷，孙 江，章佑鹏，韦 涛：无线能量收集式超高频物联网标签设计1.1 整流电路整流电路采用高低通滤波功分器将多频点能量收集天线收集到的GSM900/GSM1800信号能量分成两路，一路920~960 MHz 信号（覆盖GSM900下行频段）经低通滤波器输出至针对该频段优化的整流电路（采用HSMS285C），另一路1710~1860 MHz 信号（覆盖GSM1800下行信号）经高通滤波器输出至针对该频段优化的另一个整流电路（采
用SMS7630）。高低通滤波功分器的输入输出端口阻抗与两个整流电路的输入阻抗均匹配至50Ω。两个整流电路输出级同时接限压保护齐纳二极管和BQ25570能量管理芯片。1.2 能量收集电路能量收集电路的核心是BQ25570芯片，其冷启动电压330mV，冷启动后，它的输入电压达到100mV，就能够充电。通过芯片收集整流电路输出
沃尼希密码的能量，把其存储在超级电容中，当电容电压到达设定的值时，关闭充电系统。BQ25570可以通过外部电阻设置过压保护，并且也可以设置过度放电保护，防止对超级电容过充电和阻止过充电，BQ25570的原理图参考其使用手册。
1.3 超高频标签中收发机电路设计
收发射频前端电路系统架构图如图3所示。调制电路采用栅极受控的MOS 管BF1212WR 实现阻抗匹配状态控制与反向散射调制。解调电路采用基于肖特基二极管HSMS285C 的包络检波解调电路。
1.4 温度传感电路
温度传感器用来采集周围环境中的温度，本文采用的温度传感器件是LM94021芯片，如图4所示。
这里选用增益GS1=0，并且 GS0=0。
整流电路能量收集MCU协议处理
天线及
匹配电路无线能量收集超高频IoT标签
前端收发电路图2 无线能量收集超高频物联网标签结构框图
DEMOD_DATA
CSW1L12C20L13D5R1010K C18R13R14
C1613
4R9
R11C14
C19
MOD_DATA
C17图3 收发射频前端电路系统架构
2 无线能量收集式超高频物联网标签协议设计本文选用MSP 430FR5969单片机作为协议实现的载体，该芯片具有超低功耗的特点，被普遍用于低功耗系统的前期研究。本文采用低功耗机制，实现了ISO 18000-6c 的协议，并且用R420读写器能够进行盘存和读写等操作。本设计实现了ISO/IEC18000-63协议规定的所有强制命令，并且在实
现通用的ISO/IEC18000-63协议上添加了低速模式，支持小于40K 的前向和反向速率，并且扩展了Miller 编码值，扩展到M=256。添加低速模式是为了降低功耗，让其主时钟工作电压更低，扩展M 值
通信技术jszz 2021年可以降低干扰，协议架构如图5所示。 GS2GS1Gnd Out Vcc LM94021CD1CD2GND_D GND_D Temp_Pwr Temp_Data
12345图4 温度传感电路2.1 各模块的主要功能描述解码模块：检测delimiter 信号，当检测到有效的delimiter 则使单片机退出低功耗状态。
T1定时：定时器中断解码，根据单片机端口
接收到的数据来启动定时器，配置成上升沿触发，
当检测到上升沿时启动计数器，并且触发中断，在
中断程序当前计数器值减去上一次中断时计数器的
值，就得到现在两个上升沿之间的计数器值，既是
上升沿之间的长度。在Timer_0中断中，根据长度
计算命令的各个部分，并保存接收的命令。负责
对前向链路数据进行解码，提取前向链路速率及
Rtcal/Trcal 长度，并将相关数据提供给命令执行模
块，在前向链路速率较低的情况下可以根据data0
的长度来降低工作频率，达到降低功耗的目的。 主状态机模块Query 命令处理模块其他6C 命令处理模块拓展命令处理模块
T1定时调用返回调用返回返回
参数设定开启溢出开启溢出开启溢出解码模块编码模块伪随机数生成模块
槽式计数器模块
时钟产生模块
Data_IN Rtcal ，data0长度
Cmd 数组
RxClcok Open Or Off
RxClock BLFM TxClock
起始地址发送长度Trext 种子
RN16
调用Q 值
Slotcounter=0？
调用RN16
安阳市三官庙小学Data_OUT 调用图5 无线能量收集式超高频物联网标签协议架构
命令执行：命令执行模块负责标签系统整体运转，包括CRC 校验，状态机实现，随机数产生，总裁控
制，命令处理，子模块调用，中断控制，时序控制，工作模式切换等。本文添加了温度传感，湿度传感，它们可以实现温度和湿度检测，并且将采集结果传递给PC 机，这在WSN 中是很重要的功能，物联网节点可以通过各种传感器收集相关的信息，并且把信息传递给控制系统，控制系统分析传感信息，并且可以根据相应的分析结果做后续处理。伪随机数产生模块：负责产生通信过程中需要用到的R16伪随机数，在单片机上电阶段计算标签PC+EPC 数据所对应的CRC16数据，将该数据作为伪随机数产生模块的种子，由于不同标签对应的EPC 不同，因此该种子亦不相同。通过伪随机数生成算法在模块被调用时提供伪随机数给子命令处理程序使用。编码模块：负责对将发送数据进行编码并发送，编码模块通过调用时钟产生模块可以配置多种频率的编码时钟，从而支持多种反向链路频率的编码。
与此同时，在兼容6C 反向链路编码方式的基础上还支持低于40KHz 的前向和反向速率，并且还支持高M 值的Miller 副载波编码（M=16、32、64、128、256）。
时钟产生模块：时钟产生模块用来配置msp430FR5969自带DCO 时钟，可配置的最高主时钟频率为16MHz，并且可以通过寄存器快速改变自身频率，根据反向链路速率，通过写相关寄存器改变时钟产生模块的时钟频率。
槽式计数器模块：负责槽式计数功能，能够根据Q 值截取固定长度的随机数并保存。同时能够根据防碰撞命令的要求动态修改自身计数器值，并在
计数器值等于0的情况下提供先关标志信号给子命令处理程序。
哈尔滨铁路局局长标签协议部分是通用的ISO/IEC18000-6C 协议，这里主要介绍对于协议扩展的温度传感功能、湿度传感功能、扩展的Miller 编码，介绍如何在单片机中用汇编语言实现温度传感、湿度传感功能和标准协议中的Miller 编码及其扩展编码。其他传感功能，
可以很方便地根据温度和湿度传感功能进行需要的扩展。
2.2 MSP430单片机实现Miller 编码
在Miller 编码的时候，为了节省时钟，必须用最小的指令执行Miller 编码，并且跳转指令在
第54卷第1期孙宁宁，刘 婷，孙 江，章佑鹏，韦 涛：无线能量收集式超高频物联网标签设计+/-512words 之间能够实现稳定的指令周期跳转，超过512words 则会出现延迟，因此必须分开Miller2和其他Miller 值，因为Miller2只有一个副载波，不能像其他Miller 值一样使用循环跳转发送的方式发送副载波，循环跳转需要判断副载波个数，并且跳转需要2个时钟周期，将无法满足5个时钟发送一个电平的要求，因此必须区分Miller 编码的值是2或其他值。Miller 编码流程如图6所示。当在其他程序通过CALLA 调用该Miller 编码模块时，首先配置输出时钟和输出端口，输出时钟根据Assure BLF 来
确定。然后判断是否是M=2，跳转到M=2还是跳转到其他M 值。然后根据query 中的TRext 参数确定p
ilot tone 的个数，再发送6位前导码010111。前导码发送结束根据是否是整字节(bits=0，表示整字节)执行Send_byte 或Send_bit，执行完byte 后，执行Send_bit，Send_bit 直接根据bit 来判断是否继续循环执行还是直接发送dummy-1，最后RETA 跳出中断。其中“M2 select branch”执行的步骤和MX 类似，
区别在于Mx 是根据不同M 值来发送副载波，而“M2 select branch”发送的副载波是one。
CALLA
M_byte1_bit1Send_010111Send_byte Mx Byte=0Byte！=0M_byte1_bit0Send_010111
Send _bit Mx
Bit!=0
Send _dummy1
Bit=0RETA
M2 select
branch
YES
NO Send_byte
Mx
Byte =0
Byte！=0
johnnashSend _dummy1
RETA
config
Miller=2?TRext
(4)*M (12T+4)*M TRext
(4)×2(12T+4)×2
bits Bits=0Bits!=0小说世界
图6 Miller 编码流程
由于M 值扩展了18000-6C 协议规定的值(M=2,M=4,M=8)，因此超过的Miller 值（M=16,
M=32,M=64,M=128,M=256）需要根据命令来确定到底是选择什么编码来发送。为了简单和兼容起见，我们采用Select 命令的Target=101和110来选择不同的M 值，具体映射关系如表1所示。 3 无线能量收集式超高频物联网标签测试3.1 无线能量收集测试
在测试无线能量收集时，首先对超级电容进行充电，根据能量收集部分计算出的结果，发现超级电容充电最高值可以到达5.15V>5.09V，这可能是
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