基于能量收集和BLE的低功耗有源标签设计

摘要

电子标签实质上是一种无线通信技术，接收端通过读取发送端所传递的信息来进行目标识别。实际应用中，根据电子标签是否需要外部电源供电或者内部装载电池，把电子标签分为无源标签、半无源标签和有源标签三种类型。
　　有源标签与无源标签相比，有发射功率低、通信距离远、传输数据量大、可靠性高和兼容性好等特点。
　　然而有源标签的应用受到其内置电池使用寿命的约束，怎样提升有源标签的续航时间和降低其功耗是一项极具实现意义和挑战的工作。
　　降低有源标签功耗是提升电池续航能力的有效方式之一，但是并没有从根本上提升电池续航能力。从太阳能中持续收集能量是从根本上解决电池持续供电问题，但是这些收集而来的能量必须是充足的。
　　本课题为解决上述问题，主要研究内容和工作如下：
　　第一，能量收集源分析。在详细分析可以利用的环境能量后，选择采用光能量收集。只要该标签位于有可见光的环境下，就能进行能量收集，将收集到的能量存储于储能单元内。
　　第二，电源管理设计。在详细分析各种储能器件后，选择采用可充电式锂电池作为储能单元。该设计对采集到的光能量升压供锂电池充电，并且实时监测电池状态，电池过压时停止充电，电池欠压时切断系统供电以保护电池。
　　第三，BLE蓝牙硬件设计。在详细分析多种无线通信协议之后，选择采用BLE作为本设计的通信协议。在选定通信协议后，对多种BLE芯片进行分析对比，选择采用功耗最低，性能较好的DA14580作为主芯片，并选择了相应PCB印制天线方案。该设计通信距离远，功耗极低，是整个有源标签的核心部分，负责与终端设备的无线通信和定位。
　　第四，有源标签软件与终端软件设计。详细分析iBeacon通信协议后，在BLE4.0协议栈上利用C语言编写符合iBeacon通信协议的iBeacon基站程序，并且在硬件设计低功耗的基础上达到软件设计低功耗。利用Java语言开发了一款识别该有源标签的应用软件，能够显示通信信息，并具有测距功能。
　　设计完成后，对该有源标签进行了功能和性能测试，给出了该有源标签的测试数据。测试数据表明，该有源标签工作良好，在光照充足的条件下，标签能够持续工作，已达到设计要求，解决了有源标签电池更换问题。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 能量收集技术简介

1.2 BLE技术简介

1.3 Beacon技术简介

1.4 电子标签技术简介

1.5国内外发展现状

1.6 论文研究背景及意义

1.7 论文研究内容

1.7 论文结构安排

第二章 能量收集源选择

2.1 光能量收集

2.2 振动能量收集

2.3 温度能量收集

2.4 电磁能量收集

2.5 能量收集总结

2.6 本章小结

第三章 电源管理设计

3.1 储能单元

3.2 最大功率点跟踪算法分析

3.3 电源管理电路设计

3.4 电源管理PCB设计

3.5 本章小结

第四章 有源标签设计

4.1 通信协议选择

4.2 硬件电路设计

4.3 本章小结

第五章 有源标签软件设计

5.1 蓝牙协议栈

5.2 操作系统抽象层

5.3 Beacon协议

5.4 软件低功耗

5.5 终端软件设计

5.6 本章小结

第六章 系统测试与结果分析

6.1 标签PCB图和实物图

6.2 系统能耗计算

6.3 能量收集测试

6.4 功能测试

6.5 测试结论

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果