趙培焱 王衍文

（西京學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安710123）

伴隨著人們生活水平的提升，大眾對(duì)于安全問(wèn)題的關(guān)注與日俱增，基于不同原理的報(bào)警裝置也是層出不窮。目前市面上常見(jiàn)的窗口報(bào)警裝置大多為紅外對(duì)射報(bào)警探測(cè)器或機(jī)電探測(cè)器，這些報(bào)警裝置都需要電源實(shí)時(shí)進(jìn)行供電，易老化使用壽命短，而且維護(hù)繁瑣。因而，以此為背景的技術(shù)手段仍存在進(jìn)步的空間，仍需要?jiǎng)?chuàng)新的應(yīng)用技術(shù)對(duì)此背景下存在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。本文的目的在于采用環(huán)境反向散射技術(shù)解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提高設(shè)備的可靠性，避免了供電或更換電池等繁瑣的人力投入。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本文設(shè)計(jì)的無(wú)源窗口報(bào)警裝置，包括環(huán)境反向散射發(fā)射器、環(huán)境反向散射接收器，以及周?chē)h(huán)境中的射頻源RFs[1]發(fā)射的射頻信號(hào)。報(bào)警裝置控制框圖如圖1 所示。

發(fā)射器能量收集單元收集周?chē)h(huán)境中的射頻信號(hào)并將它轉(zhuǎn)換成電能，為控制單元和定向波束發(fā)射單元供電。控制單元中可以預(yù)先設(shè)置該發(fā)射器的id 標(biāo)識(shí)[1]。然后，定向波束發(fā)射單元將控制單元輸出的id 標(biāo)識(shí)[1]采用定向波束的形式發(fā)射至對(duì)應(yīng)的接收器。

接收器能量收集單元收集周?chē)h(huán)境中的射頻信號(hào)并將它轉(zhuǎn)換成電能，為信號(hào)檢測(cè)單元、報(bào)警單元供電。當(dāng)信號(hào)檢測(cè)單元檢測(cè)出定向波束發(fā)射單元向外部發(fā)射的定向波束時(shí)，表明能檢測(cè)到id 信號(hào)，表示無(wú)闖入行為，此時(shí)不觸發(fā)報(bào)警單元工作[2]。當(dāng)未檢測(cè)到id 信號(hào)時(shí)，表示有闖入者觸發(fā)闖入行為，則觸發(fā)報(bào)警單元工作，提醒用戶有闖入者進(jìn)入，以達(dá)到為用戶預(yù)警與震懾闖入者的作用。

圖1 報(bào)警裝置控制框圖

2 環(huán)境反向散射發(fā)射器設(shè)計(jì)

如圖2 和圖3 所示，本文設(shè)計(jì)的環(huán)境反向散射發(fā)射器分別采用以P2110B 射頻- 直流能量轉(zhuǎn)換芯片為核心的發(fā)射器能量收集單元，其中以型號(hào)為XC6206P302MR 的穩(wěn)壓芯片與漏電流較小的超級(jí)電容F750G228MRC組成穩(wěn)壓電路；以MSP430G2533 控制芯片為核心的控制單元；以ADG902 射頻開(kāi)關(guān)為核心的定向波束發(fā)射單元等硬件。

環(huán)境反向散射發(fā)射器天線選用的是中心頻率為539MHz 的定向天線ET1，天線的阻抗為50Ω，采用定向天線即可以實(shí)現(xiàn)波束定向發(fā)射[3]。實(shí)際中，在布置天線時(shí)采用定向天線并調(diào)整天線下傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)波束定向發(fā)射。采用定向波束是由于目前環(huán)境反向散射的效率還較低，功率較小，所以采用定向波束來(lái)增強(qiáng)信號(hào)的傳播距離。

2.1 發(fā)射器能量收集單元

射頻- 直流能量轉(zhuǎn)換由芯片UT1 實(shí)現(xiàn)，UT1 采用Powercast 公司的P2110B射頻- 直流能量轉(zhuǎn)換芯片，天線ET1 與射頻- 直流能量轉(zhuǎn)換芯片UT1 進(jìn)行阻抗匹配后連接，其負(fù)載阻抗為50Ω[4]。

在環(huán)境反向散射系統(tǒng)中，應(yīng)使天線與負(fù)載共軛匹配，即假設(shè)天線阻抗Za=Ra+jXa，則負(fù)載阻抗Zc=Z*a=Ra-jXa，其中Ra，是天線電阻，Xa是天線電抗，上角標(biāo)*表示求共軛，j 為虛數(shù)單位。

當(dāng)環(huán)境反向散射發(fā)射器的天線與負(fù)載阻抗達(dá)到匹配狀態(tài)時(shí)，周?chē)h(huán)境能量被天線吸收至發(fā)射器能量收集單元；當(dāng)與負(fù)載阻抗處于失配狀態(tài)時(shí)，環(huán)境信號(hào)被環(huán)境反向散射發(fā)射器的天線反向散射到環(huán)境反向散射接收器。本裝置通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境反向散射發(fā)射器的射頻開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)天線與負(fù)載之間的阻抗匹配/失配，決定環(huán)境反向散射發(fā)射器上的天線是接收能量還是反射射頻信號(hào)，其中，實(shí)現(xiàn)收集環(huán)境中射頻信號(hào)的射頻- 直流能量轉(zhuǎn)換芯片UT1 的天線與實(shí)現(xiàn)向接收器發(fā)射定向波束的天線是共用的，即UT1 與UT4 共用同一天線，發(fā)射/接收狀態(tài)是由射頻開(kāi)關(guān)的關(guān)斷/導(dǎo)通來(lái)決定。進(jìn)一步通過(guò)環(huán)境反向散射接收器的接收，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射器/接收器之間的通信。實(shí)際電路中，通過(guò)CTT1 置為低/高電平狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)CTT1 置為低電平狀態(tài)時(shí)，射頻開(kāi)關(guān)UT4 處于關(guān)閉狀態(tài)，環(huán)境反向散射發(fā)射器的天線反向散射環(huán)境信號(hào)；當(dāng)CTT1 置為高電平狀態(tài)時(shí)，射頻開(kāi)關(guān)UT4 處于導(dǎo)通狀態(tài)，環(huán)境反向散射發(fā)射器的天線與負(fù)載阻抗達(dá)到匹配狀態(tài)，周?chē)h(huán)境能量被發(fā)射器能量收集單元吸收。

發(fā)射器能量收集單元的電容CT1 選擇漏電流較小的超級(jí)電容F750G228MRC，容量值為1mF；其中的穩(wěn)壓芯片UT2、電容CT2 和CT3 組成穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓芯片UT2 型號(hào)為XC6206P 302MR，電容CT2 的容值為10μF，電容CT3 的容值為1μF[5]。

2.2 控制單元

控制單元由芯片UT3 和電阻RT1、電容CT4、晶振YT1 等外圍電路組成，UT3 采用TI 公司的MSP430G2533 作為控制芯片，電阻RT1 的阻值為5.1kΩ，電容CT4 的容值為2.2μF，晶振YT1 的頻率為8.032MHz，電容CT5 的容值為12pF，電容CT6 的容值為12pF[6]。

2.3 定向波束發(fā)射單元

定向波束發(fā)射單元由芯片UT4 和電阻RT2 組成；芯片UT4 選用的型號(hào)為ADG902 的射頻開(kāi)關(guān)，RT2 的阻值為4.7kΩ。

圖2 發(fā)射器能量收集單元原理圖

圖3 控制電源和定向波束發(fā)射單元原理圖

3 環(huán)境反向散射接收器設(shè)計(jì)

如圖4 和圖5 所示，本文設(shè)計(jì)的環(huán)境反向散射接收器分別采用以P2110B 射頻- 直流能量轉(zhuǎn)換芯片為核心的接收器能量收集單元，其中以型號(hào)為XC6206P302MR 的穩(wěn)壓芯片與漏電流較小的超級(jí)電容F750G228MRC組成穩(wěn)壓電路；以MSP430G2533 控制芯片與ADG902 射頻開(kāi)關(guān)組成的信號(hào)檢測(cè)單元；以MSP430G2533 控制芯片與型號(hào)為SFM-20-A-C（2310）的蜂鳴器組成的報(bào)警單元等硬件。

環(huán)境反向散射接收器天線ER1 選用的是中心頻率為539MHz的天線，天線的阻抗為50Ω。

3.1 接收器能量收集單元

射頻- 直流能量轉(zhuǎn)換由芯片UR1 實(shí)現(xiàn)，UR1 采用Powercast公司的P2110B射頻- 直流能量轉(zhuǎn)換芯片，天線ER1 與射頻- 直流能量轉(zhuǎn)換芯片UR1 進(jìn)行阻抗匹配后連接，其負(fù)載阻抗為50Ω。實(shí)際電路中，將CTR1 始終置為高電平狀態(tài)，則環(huán)境反向散射接收器的天線與負(fù)載阻抗始終處于匹配狀態(tài)，使得周?chē)h(huán)境能量被接收器的天線吸收。

接收器能量收集單元的電容CR1 選擇漏電流較小的超級(jí)電容F750G228MRC，容量值為1mF；其中的穩(wěn)壓芯片UR2、電容CR2和CR3 組成穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓芯片UR2 型號(hào)為XC6206P302MR，電容CR2 的容值為10μF，電容CR3 的容值為1μF[7]。

3.2 信號(hào)檢測(cè)單元

信號(hào)檢測(cè)單元由芯片UR3、UR4 和電阻RR2 等外圍電路組成，UR3 采用TI 公司的MSP430G2533 作為控制芯片，芯片UR4選用的型號(hào)為ADG902 的射頻開(kāi)關(guān)，電阻RR2 的阻值為4.7kΩ[8]。

3.3 報(bào)警單元

報(bào)警單元由芯片UR3 和電阻RR1、三極管VTR1、蜂鳴器SPR1 等外圍電路組成；電阻RR1 的阻值為1kΩ、三極管VTR1 的型號(hào)為NPN 型9013、報(bào)警單元中的蜂鳴器SPR1 選擇耗能較小的蜂鳴器型號(hào)為SFM-20-A-C（2310），阻值為8Ω，功率為0.25w。

圖4 接收器能量收集單元原理圖

圖5 信號(hào)檢測(cè)單元和報(bào)警單元原理圖

4 結(jié)論

利用環(huán)境反向散射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的無(wú)源窗口報(bào)警裝置，真正意義上做到了無(wú)源與無(wú)線通信，從根本上擺脫了對(duì)交流電和電池的依賴。有利于此技術(shù)在低功耗領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，為構(gòu)建大規(guī)模無(wú)源無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一定的推動(dòng)意義。