基于环境反向散射的无源窗口报警装置设计

赵培焱 王衍文

（西京学院 信息工程学院，陕西 西安710123）

伴随着人们生活水平的提升，大众对于安全问题的关注与日俱增，基于不同原理的报警装置也是层出不穷。目前市面上常见的窗口报警装置大多为红外对射报警探测器或机电探测器，这些报警装置都需要电源实时进行供电，易老化使用寿命短，而且维护繁琐。因而，以此为背景的技术手段仍存在进步的空间，仍需要创新的应用技术对此背景下存在的问题进行改进。本文的目的在于采用环境反向散射技术解决现有技术存在的缺陷，提高设备的可靠性，避免了供电或更换电池等繁琐的人力投入。

1 系统组成及工作原理

本文设计的无源窗口报警装置，包括环境反向散射发射器、环境反向散射接收器，以及周围环境中的射频源RFs[1]发射的射频信号。报警装置控制框图如图1 所示。

发射器能量收集单元收集周围环境中的射频信号并将它转换成电能，为控制单元和定向波束发射单元供电。控制单元中可以预先设置该发射器的id 标识[1]。然后，定向波束发射单元将控制单元输出的id 标识[1]采用定向波束的形式发射至对应的接收器。

接收器能量收集单元收集周围环境中的射频信号并将它转换成电能，为信号检测单元、报警单元供电。当信号检测单元检测出定向波束发射单元向外部发射的定向波束时，表明能检测到id 信号，表示无闯入行为，此时不触发报警单元工作[2]。当未检测到id 信号时，表示有闯入者触发闯入行为，则触发报警单元工作，提醒用户有闯入者进入，以达到为用户预警与震慑闯入者的作用。

图1 报警装置控制框图

2 环境反向散射发射器设计

如图2 和图3 所示，本文设计的环境反向散射发射器分别采用以P2110B 射频- 直流能量转换芯片为核心的发射器能量收集单元，其中以型号为XC6206P302MR 的稳压芯片与漏电流较小的超级电容F750G228MRC组成稳压电路；以MSP430G2533 控制芯片为核心的控制单元；以ADG902 射频开关为核心的定向波束发射单元等硬件。

环境反向散射发射器天线选用的是中心频率为539MHz 的定向天线ET1，天线的阻抗为50Ω，采用定向天线即可以实现波束定向发射[3]。实际中，在布置天线时采用定向天线并调整天线下倾角来实现波束定向发射。采用定向波束是由于目前环境反向散射的效率还较低，功率较小，所以采用定向波束来增强信号的传播距离。

2.1 发射器能量收集单元

射频- 直流能量转换由芯片UT1 实现，UT1 采用Powercast 公司的P2110B射频- 直流能量转换芯片，天线ET1 与射频- 直流能量转换芯片UT1 进行阻抗匹配后连接，其负载阻抗为50Ω[4]。

在环境反向散射系统中，应使天线与负载共轭匹配，即假设天线阻抗Za=Ra+jXa，则负载阻抗Zc=Z*a=Ra-jXa，其中Ra，是天线电阻，Xa是天线电抗，上角标*表示求共轭，j 为虚数单位。

当环境反向散射发射器的天线与负载阻抗达到匹配状态时，周围环境能量被天线吸收至发射器能量收集单元；当与负载阻抗处于失配状态时，环境信号被环境反向散射发射器的天线反向散射到环境反向散射接收器。本装置通过调节环境反向散射发射器的射频开关，实现天线与负载之间的阻抗匹配/失配，决定环境反向散射发射器上的天线是接收能量还是反射射频信号，其中，实现收集环境中射频信号的射频- 直流能量转换芯片UT1 的天线与实现向接收器发射定向波束的天线是共用的，即UT1 与UT4 共用同一天线，发射/接收状态是由射频开关的关断/导通来决定。进一步通过环境反向散射接收器的接收，从而实现发射器/接收器之间的通信。实际电路中，通过CTT1 置为低/高电平状态实现的，当CTT1 置为低电平状态时，射频开关UT4 处于关闭状态，环境反向散射发射器的天线反向散射环境信号；当CTT1 置为高电平状态时，射频开关UT4 处于导通状态，环境反向散射发射器的天线与负载阻抗达到匹配状态，周围环境能量被发射器能量收集单元吸收。

发射器能量收集单元的电容CT1 选择漏电流较小的超级电容F750G228MRC，容量值为1mF；其中的稳压芯片UT2、电容CT2 和CT3 组成稳压电路，稳压芯片UT2 型号为XC6206P 302MR，电容CT2 的容值为10μF，电容CT3 的容值为1μF[5]。

2.2 控制单元

控制单元由芯片UT3 和电阻RT1、电容CT4、晶振YT1 等外围电路组成，UT3 采用TI 公司的MSP430G2533 作为控制芯片，电阻RT1 的阻值为5.1kΩ，电容CT4 的容值为2.2μF，晶振YT1 的频率为8.032MHz，电容CT5 的容值为12pF，电容CT6 的容值为12pF[6]。

2.3 定向波束发射单元

定向波束发射单元由芯片UT4 和电阻RT2 组成；芯片UT4 选用的型号为ADG902 的射频开关，RT2 的阻值为4.7kΩ。

图2 发射器能量收集单元原理图

图3 控制电源和定向波束发射单元原理图

3 环境反向散射接收器设计

如图4 和图5 所示，本文设计的环境反向散射接收器分别采用以P2110B 射频- 直流能量转换芯片为核心的接收器能量收集单元，其中以型号为XC6206P302MR 的稳压芯片与漏电流较小的超级电容F750G228MRC组成稳压电路；以MSP430G2533 控制芯片与ADG902 射频开关组成的信号检测单元；以MSP430G2533 控制芯片与型号为SFM-20-A-C（2310）的蜂鸣器组成的报警单元等硬件。

环境反向散射接收器天线ER1 选用的是中心频率为539MHz的天线，天线的阻抗为50Ω。

3.1 接收器能量收集单元

射频- 直流能量转换由芯片UR1 实现，UR1 采用Powercast公司的P2110B射频- 直流能量转换芯片，天线ER1 与射频- 直流能量转换芯片UR1 进行阻抗匹配后连接，其负载阻抗为50Ω。实际电路中，将CTR1 始终置为高电平状态，则环境反向散射接收器的天线与负载阻抗始终处于匹配状态，使得周围环境能量被接收器的天线吸收。

接收器能量收集单元的电容CR1 选择漏电流较小的超级电容F750G228MRC，容量值为1mF；其中的稳压芯片UR2、电容CR2和CR3 组成稳压电路，稳压芯片UR2 型号为XC6206P302MR，电容CR2 的容值为10μF，电容CR3 的容值为1μF[7]。

3.2 信号检测单元

信号检测单元由芯片UR3、UR4 和电阻RR2 等外围电路组成，UR3 采用TI 公司的MSP430G2533 作为控制芯片，芯片UR4选用的型号为ADG902 的射频开关，电阻RR2 的阻值为4.7kΩ[8]。

3.3 报警单元

报警单元由芯片UR3 和电阻RR1、三极管VTR1、蜂鸣器SPR1 等外围电路组成；电阻RR1 的阻值为1kΩ、三极管VTR1 的型号为NPN 型9013、报警单元中的蜂鸣器SPR1 选择耗能较小的蜂鸣器型号为SFM-20-A-C（2310），阻值为8Ω，功率为0.25w。

图4 接收器能量收集单元原理图

图5 信号检测单元和报警单元原理图

4 结论

利用环境反向散射技术来实现的无源窗口报警装置，真正意义上做到了无源与无线通信，从根本上摆脱了对交流电和电池的依赖。有利于此技术在低功耗领域的发展和应用，为构建大规模无源无线传感器网络具有一定的推动意义。