农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究

唐光辉 孙飞 王源楠

摘要：

农村智慧供水及灌溉项目中的智能感知设备已初具远程唤醒手段，但存在時效性差、功耗大、成功率不高等缺陷。为解决以上问题，通过对特征射频信号功率放大及滤波电路的研究，设计出一种具有定向发射、OOK调制且耦合双路载波的发射电路。同时，研究对特征频率射频信号的高Q值无源接收装置，提高唤醒灵敏度，并降低功耗。结果表明：最终发射电路的输出功率达33 dBm，发射距离10 m以上；无源接收装置监听功耗降低到10 μA级，并可过滤绝大多数环境干扰。通过射频发射装置和无源接收装置的配套使用，实现了智能感知设备微功耗远程实时唤醒。

关键词：

非接触唤醒； 抗干扰； 双载波； 无源接收机； 农村智慧水利

中图法分类号：TP23

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.020

文章编号：1006-0081（2023）S1-0068-04

0 引 言

远程测控终端（RTU）是一种可部署在智慧水利工程项目最前端的智能单元，具有远程数据采集、控制和通信功能。在智慧水利应用中，尤其是农村供水、灌渠项目中，RTU安装偏僻不易触及，这虽保证了设备安全性，维护却极为不便，由此诞生出非接触式远程维护功能。本文根据多年智慧水利项目施工经验，基于低功耗RTU长期处在休眠模式、无法通过联网唤醒［1-2］的特性，研究非接触式远程唤醒技术［3-5］以及可持续的低功耗待机技术［6-7］，旨在将设备使用寿命由3 a延长至5 a以上，以降低智慧水利项目总体实施成本。

目前，国内外产品中已存在一些远程唤醒方案，如蓝牙［8-10］和WIFI［11-12］，适用范围广、技术成熟，如西门子RTU3000C系列，国内的四联、森孚等厂家等。但由于水利应用对低功耗的要求，广播时间和广播频次都受到极大限制，唤醒效率不高。其他方案，如AS3903调制解调方案［13-15］，优势是功耗低，由特征码解调，抗干扰能力强，缺点是解调复杂，唤醒成功率不高，而且AS3903仅支持150 kHz的信号频率，射频波长过长，不易布设天线。在调制解调模式应用中，TI的CC11XX［16］系列是目前使用率较高的单芯片方案［3］，但是待机功耗在10 mA左右，不适用于低功耗场景。

远程唤醒功能对RTU电池的使用寿命影响极大，以蓝牙为例进行测算，射频发射瞬间功耗150 mA，每次广播30 ms，广播间隔2 min，则每年需要额外约6 Ah的电功耗。目前，国内RTU的内置电池一般在76 Ah左右，按5 a使用寿命测算，RTU自身年功耗15.2 Ah，增加蓝牙远程功能之后，年功耗增加到21.2 Ah，使用寿命缩短到3 a左右，无疑增大了智慧水利项目的建设维护成本。

本文研制了一种射频双载波远程唤醒系统，摒弃蓝牙、WIFI的广播工作模式，优化射频调制解调模式，耦合双路射频载波，提高射频信号频率，缩短天线长度，降低接收功耗。该系统既具有非接触式维护功能，又满足极低的待机功耗，还支持实时唤醒。

1 设计思路

1.1 问题分析

如前所述，唤醒系统不能采用间歇广播形式，低功耗设备的广播功耗少则数十毫安，多则上百毫安，极大缩短了RTU使用寿命。本文设计的唤醒系统应该规避广播功耗，采用纯接收的监听方式。一般应用中，接收机将接收到的射频信号进行解调［17］，判断数据有效性，再进行后续操作。但在水利行业中，需要结合农村环境的特殊性，打破固有思维。解调的优点在于极大提高了射频通信的抗干扰性，但同时也意味着对信号的信噪比有最基本要求，容易因为信噪比较低而唤醒失败。在水利项目维护场景下，对多次误唤醒的容忍度比多次唤醒失败的容忍度高得多，所以应该牺牲一部分唤醒系统的抗干扰能力，换取更高的唤醒成功率。

结合多年项目运维经验，农村智慧水利项目的产品及配件应尽量减小体积，缩短长度，便于安装和更换。涉及射频功能时，应考虑天线布设的难度和空间。

1.2 总体架构

本文提出一种低功耗、易部署，同时具有一定抗干扰能力、适合水利项目实际应用的远程唤醒系统，其大致结构如图1所示，系统分为2个部分：维护人员配备的手持唤醒发射终端（上半部分虚线框内）以及每个RTU集成的接收终端（下半部分虚线框内）。载波频率最低275 MHz，按照1/4λ（波长）的原则，天线长度25 cm左右，RTU安装井直径一般在0.5 m以上，属于可接受范围。

2 实现方式

2.1 调制双载波

当维护人员按下开关时，MCU配置锁相环产生两路连续的射频信号：275 MHz和600 MHz，均为25 MHz本振的整数倍，所以可使用较低成本锁相环芯片。275 MHz和600 MHz分别是25 MHz的11倍和24倍，其同频谐波至少为11次谐波，没有低倍数谐波，相关性低、互扰小。同时，这两个频率避开了低频广播FM/AM频段，也避开了315/433 MHz商用频段以及890 MHz的GSM频段，抗干扰能力强。由于水利RTU的射频唤醒不需要很复杂的调制模式，此处使用OOK调制，即二进制振幅键控。调制后的载波见图2。

2.2 滤波及放大

锁相环输出的信号幅值非常低，远不能达到输出、辐射的要求，所以需要经过至少两级射频功率放大器放大。为减小锁相环输出负担，本设计将锁相环输出功率设定在0 dBm左右，经过声表面放大器（SAW）过滤和衰减，进入到第一级功放。此时功率较低，MCU通过对功放栅极电压的控制实现OOK调制。

由于OOK调制以及功放有可能存在失真，在放大后需要加一级滤波来过滤杂波。此时输出信号功率在10～20 dBm量级，已不适合使用SAW滤波。因此，本文设计了一种无源LRC滤波器（接收机部分详述）。信号通过LRC滤波后进入最后一级放大，并经由天线辐射。

为实现远程唤醒，即至少10 m的有效距离，需要发射端和接收端的环路增益来有效抵消空间衰减，并满足接收机的最低接收灵敏度。本文的接收机大致增益约为21 dB，灵敏度约10 dBm，即载波信

号以0 dBm从锁相环输出后，到达接收机的总增益必须高于10 dBm才可被识别。SAW的插入损耗一般为3～5 dB。LRC电路插损约为3 dB。各个天线的SMA接口插损0.5 dB，共1 dB。每一级功放的增益在15～20 dB可调。由于已知RTU的位置，所以手持设备可以使用定向天线，接收机使用全向天线，定向天线增益可以做到14 dBi，全向天线增益普遍为2～4 dBi。按最差情况估计，环路总衰减为9 dB（SAW、LRC、SMA总和）。根据射频信号空间衰减公式：

Ls=10×log10（4πf）2/l2（1）

化简为

Ls=92.4+20log10d+20log10f（2）

式中：d为传播距离，km；f为载波频率，GHz。带入10 m、275 MHz和600 MHz，可得到Ls約为41.0 dB和47.8 dB，即环路总衰减最大值56.8 dB。为保证10 dBm的接收信号，环路增益需要66.8 dB以上，刨除两个天线16 dBi的增益、接收机21 dB增益，需要调整每级功放平均增益至少为15 dB，功放性能可以满足，并保留10 dB冗余。

2.3 无源接收机

无源接收机是本设计优于其他同类方案关键因素。设计目标是通过无源器件实现极低的待机功耗，以及较高的Q值（选频特性），将载波信号过滤出来，见图3。

无源接收机的设计主要立足于通过LC的谐振选频，实现对某一特定频率检波。图3中主要起作用的器件为L4、L5、C17和L52。其中，L4、L5为串联关系，C17和L52为并联关系，然后再与L4和L5串联。C19和C21起隔直和区分地信号的作用，由于后面100 K电阻R35的原因，不参与选频。传递函数可表达如下：

A（ω）=ZC17//ZL52ZL4+ZL5+ZC17//ZL52（3）

式中：“//”表示并联关系；ZL为jωL，ZC表达为1jωC，分别代表电感和电容的阻抗，带入后得到：

A（ω）=1jωC17×jωL521jωC17+jωL52jω（L4+L5）+1jωC17×jωL521jωC17+jωL52（4）

最终计算此电路在频率为275 MHz（此处以275 MHz载波为例，600 MHz载波同理）时增益最高。由于电感和电容的取值受限于市面上主流值，所以很难取到理想的电容或电感值，这里增加的CTBC就是为了进行微调的预留位。另外，单纯的LC电路Q值过高，选频带宽过窄，当环境温度发生变化时，电阻、电容，包括电感特性都会发生变化，尤其是手持发射机的本振25 MHz晶体，温度特性最差为50×10-6，过高的Q值不利于实际应用，所以电路增加了R33和R34，用来平滑Q值，拓宽通频带，同时减小了增益。通过最终调试，R33和R34选值为0.5 Ω。最终的增益控制在21 dB左右。

由图4滤波特性可以看出，通带变宽，通带内增益降低，选频特性得到改善。

此外，与传统射频电路的50 Ω阻抗匹配不同，接收机的高频阻抗匹配取75 Ω。一般射频电路设计常用50 Ω匹配，这是综合了电流敏感和电压敏感的不同应用。水利RTU的唤醒系统接收机与其他应用不同，从电路原理上可以看出，对射频功率并不敏感，仅对电压敏感，所以此处可以进行75 Ω匹配，以增大接收增益。利用工具软件Polar Si9000可以计算出匹配值。板厚选择1 mm，板材选用常规的FR4基板，介电常数4.2，线宽底部0.9 mm，顶部0.8 mm，铺铜T1为1盎司，则单导线射频阻抗匹配计算值75.20 Ω，见图5。

2.4 唤醒逻辑

回看图1的接收部分，信号经由天线、LRC电路之后，需要通过电阻分压，加入直流分量（图6）。

与比较器的预设参考电平进行比较，当没有发射机激励时，预设参考电平（正向输入端）略高于直流分量（反相输入端），比较器输出高电平；当接收机收到发射机的射频信号时，由于载波的存在，反相输入端电平高于预设参考电平，比较器输出翻转。由图7可以看出，默认情况下，比较器输出级集电极开路，输出高电平。当射频载波出现时，逐渐高于比较参考电平（VREF），此时比较器翻转（比较器响应时间约为1.2 μs），产生一个下降沿。

同样的电路处理逻辑同时作用于275 MHz载波和600 MHz载波，只有两个载波同时存在时，比较器的输出才为低电平，触发ARM的外部中断引脚，唤醒RTU。

3 结 语

本文研发出一种射频双载波唤醒系统，特点如下：接收机待机功耗在3 μA以下（其他产品均为数十μA），完全满足低功耗需求；实时监听唤醒，无需等待广播间隔；唤醒信号双载波，避开干扰频段，提高抗干扰能力；载波信号频率高，天线短，易于布设；最终实现10 m以上唤醒距离，很好地解决了对唤醒

低功耗遥测终端的功能需求。而且，此设计具有普

适性，可以搭载在任何RTU产品中。

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