摘要

文章介绍了WISP-6.0的改进工作，并与WISP-5.1相对比，展示了其性能上的提升。

一、RFID工作原理

EPCglobal Gen2规范在RFID系统中定义了两种设备类型：询问器和标签。询问器生成一个带有双边带幅移键控(DSB-ASK)、单边带幅移键控(SSB-ASK)或相位反转幅移键控(PR-ASK)调制的RF载波，并使用PIE编码。标签通过收集这些能量工作，并通过使用ASK或PSK调制与FM0基带或米勒编码对载波进行反向散射通信。WISP目前仅支持FM0编码。

一个询问器（RFID 读卡器）通常通过以太网或串行通信接口与主机连接。标签通过一系列称为库存轮的交换与询问器通信。询问器通过发送查询命令在其周围区域启动一个库存轮。当标签从射频载波接收到电力时，它进入就绪状态。如果处于就绪状态的标签接收到查询命令，它会生成一个随机数，将其加载到槽计数器中，并在该数字为非零时转换到仲裁状态，或在该数字为零时转换到回复状态。仲裁状态是一种防碰撞机制，旨在减少同时通信的标签数量。在仲裁状态中，标签每次接收到询问器的 QueryRep 命令时，都会递减槽计数器中的数字。一旦槽计数器变为零，标签就会转换到回复状态。处于回复状态的标签会反向散射一个 RN16，即一个 16 位的随机数。如果询问器发送一个有效的带有有效 RN16 的 ACK，标签就会转换到确认状态，并可以用各种回复进行响应，其中之一是 EPC（电子产品代码）。WISP 使用此响应与主机通信，使用最后 2 个字节来标识 WISP 标签，剩余的 10 个字节包含任意的传感器数据。

询问器还可以发送一个 Req_RN 命令来请求标签的句柄。这个句柄可用于对特定标签的内存进行读写操作。当标签接收到 Req_RN 命令时，它会回复一个句柄，并可以转换到打开状态或安全状态。如果标签有一个非零密码，它会转换到安全状态；如果没有密码，它会转换到打开状态。询问器可以在这两种状态下执行各种访问命令。如果标签在打开或安全状态下接收到销毁命令，它会转换到被销毁状态，这会永久禁用该标签。WISP 目前未实现打开、安全或被销毁状态。

二、传感节点设计

文章目标是开发一个可编程的RFID节点，该节点能够适应不同的感应模式，使用EPC Class 1 Gen 2标准与附近的基站（充当询问器的RFID读卡器）通信，并从中收集能量。

为实现这一目标，作者使用了一个具有多种有线串行通信协议的低功耗微控制器作为控制单元。一个RF收集器IC用于从基站收集能量并为节点供电。此外，主WISP板上的环境传感器展示了基本传感器节点的功能。通过提供的外部引脚，用户可以根据需要向基本传感器节点添加更多传感器。图1展示了作者设计的框图。

图1 WISP-6.0框图.

Backscatter：反向散射是一种低功耗通信技术，其中直接供电的发射器生成高频载波信号，传感器通过反射或吸收信号来调制载波，而接收器单元监听并解码这些调制包。因此，在反向散射系统中，高功耗组件被分配给直接供电的基站，而传感器的功耗保持在低水平。

Energy Harvesting：WISP是一个自供电平台，设备从RFID读卡器中收集能量以运行。

Down-Link Receiver：在设计中，WISP保持在深度睡眠模式，直到被读卡器激活。因此，读卡器需要能够远程触发WISP唤醒。

Modular Design：设计一个模块化板，可以适应多种感应模式。

Mount-on Boards：为了验证系统适用于不同的感应模式，作者设计了多种传感器作为安装板。这些传感器由收集器供电，记录数据，与MCU通信，并通过反向散射通信将结果传输给读卡器。

三、传感节点实现

A. 基本传感节点

基本传感器节点能够从基站收集RF能量，接收命令，测量环境数据，并将结果反向散射回基站。

使用TI MSP430FR5969微控制器作为控制单元。该MCU在睡眠模式下的功耗极低（0.3 µA），这是开发无电池传感器的必要条件。

在睡眠模式下，接收器处于启用状态并监听来自读卡器的数据包。图2展示了接收器的设计，其中输入为RF信号并与能量收集器共享。接收器电路的第一级使用SMS7621 Skyworks肖特基二极管和一个10 pF电容整流RF信号。接下来，将整流信号输入到一个平均计算器阶段，在这里，信号与其动态平均值进行比较。比较器的输出是从RFID读卡器解码的消息，最大比特率为640 Kbps。使用Onsemi NCS2200比较器（静态电流为10 µA）来解码信号。MCU上实现了一个简单的引脚读取功能，用于读取和存储比较器的输出。

图2 低功耗下行接收器电路.

基本板配备了低功耗TI HDC2010湿度和温度传感器，以展示一个端到端的无电池RFID感应平台，而无需使用任何安装板。MCU通过I2C连接查询并接收传感器的数据。一旦MCU读取数据，使用RF开关（Analog Devices的ADG902）来反向散射数据。

最后，使用TI BQ25570能量收集IC从读卡器收集能量并储存在电容器中。该IC提供2V（最低电压水平由MCU的FRAM决定）的电源来启动电路板。

B. 安装版

基本板设计提供了16个IO引脚，用于与安装板和传感器接口。通过这些引脚可以为传感器供电，并通过SPI/I2C/UART连接与其通信。此外，提供了6个电源管理引脚，用于连接额外的能量收集器。如果安装了额外的收集器，它将独立于基本传感器板的RF收集器工作，并可以从其独立的存储元件中收集能量。一旦收集到足够的能量来为传感器供电，由收集器控制的简单开关会在能源源之间进行选择。

C. WISP-6.0 vs WISP-5.1

四、主机应用程序

WISP的数据通过更改EPC（12字节值）进行传输，使用市售的RFID读卡器即可读取这些值。然而，将这些EPC值转换为有意义的传感器数据通常需要大量处理。由于WISP传感器类型多样，论文展示了一种模块化的主机应用程序，用于实时处理和可视化WISP EPC数据。

五、评估

为了展示系统的性能，作者在论文中分别评估主机应用程序和设备。主机应用程序的评估基于其处理WISP标签的速率。WISP 6.0设备的评估基于其在不同模式下的功耗。

A. 主机应用程序

通过测量应用程序处理来自WISP标签的12字节EPC包所需的平均时间来评估主机应用程序。由于不同传感器需要显著不同的处理量，文章测试了三个WISP传感器的应用程序：

相机标签：需要应用程序在图像传输期间累积像素并进行图像修复以去除遮挡。
加速度计标签：需要简单的代数运算来计算加速度值。
确认标签：不需要传感器数据处理，作为基线。
我们的结果列在表2中。

文章发现主机应用程序处理WISP EPC包的开销相对较小。加速度计和确认EPC包不太可能限制系统的性能。相比之下，相机EPC包的平均处理时间为0.83毫秒。其逆值（每秒1200个包）是相机EPC包的绝对最大速率。由于单个相机标签的速率可以达到每秒330个包，因此应用程序限制了3-4个相机同时读取。

B. 功耗

测量了WISP-6.0和WISP-5.1在监听模式下的功耗，此时MCU处于深度睡眠模式，下行接收器的比较器处于活动状态。接下来，编程让WISP-5.1和WISP-6.0板连续发送确认包给RFID读卡器，并测量平均功耗。最后，对加速度计标签重复实验。

与前代产品（WISP-5.1）相比，WISP-6.0在加速度计和确认标签的活动状态下功耗较低。在监听模式下，WISP-6.0的表现略差，功耗比前一版本高4.2%。

C. 能量收集速率

为了比较WISP-5.1和WISP-6.0的能量收集速率，文章在两种情况下测量了每个设备收集500𝜇J能量所需的时间：（1）冷启动，即电容器上没有电荷时；（2）冷启动后，即连续能量收集之间。

为了测量能量收集，在每个WISP设备的稳压输出上放置一个恒定负载。测量该负载上的电压，并在各种输入功率水平下测量负载的功耗，以计算总累积能量。

WISP-6.0在大多数输入功率下能更快地累积能量，但在输入功率低于-7dBm时无法冷启动。这可能是由于WISP-6.0上的BQ25770能量收集芯片的最低输入电压要求。

总结

WISP-6.0平台展示了一种创新的传感器节点设计，通过RF能量收集和背散射通信实现了真正的无电池操作。它的模块化设计使得添加各种传感器和能量收集器变得简单，同时提供了灵活的接口和低功耗运行模式。我们的主机应用程序可以实时处理和可视化大量传感器数据，为进一步的开发和实际应用提供了强有力的支持。通过这一系统，我们展示了在无电池环境下传感器节点的可行性和实用性，为未来的无处不在计算和物联网应用铺平了道路。