基于无源物联网的WiFi通信技术研究

李骏杰

随着能源通信技术和信息传导技术的快速发展，物联网应用已从有源联通模式向无源扩散模式转换。传统的有源物联网通信存在能源供给方式单一、维护检修频繁、功率损耗较大、链接网络不稳定等多种问题，阻碍了物联网扩散通信的发展。本文对基于无源物联网的WiFi通信技术进行了研究，对散射通信模式进行了原理分析和结构组成分析。采用自收集电磁波能量进行设备供能，可促进无源物联网设备网络系统的构建，具有低功耗、免维护、广域部署和链接稳定等优势。

一、引言

物联网（IoT）本质是一种采用各类型传感器将物体通过互联网进行相关性链接的模式，目的在于实现万物互联和同类属物体分类。随着微系统技术和传感网络技术的发展，当前应用于各领域的物联网设备数量呈指数级速度增长，无论生活中的传感体验互联还是工作中的各类数值监测都离不开物联网设备。但是由于我国物联网应用技术发展时间较短，当前大多数设备都采用传统有源物联网供能方式，能源的耗费和传递都导致巨量的开支。因此，致力于实现物联网低功耗、广传播、高稳定的通信技术研究一直是该领域的核心内容。

二、无源WiFi原理概述

无源WiFi通信技术是以射频反向散射技术为基础，将基站发出的电磁波信号进行调制，替代传统WiFi主动发射电磁波的通信方式。无源WiFi通信技术可将单频电磁波信号转换成符合IEEE802.11协议的WiFi信号，再通过具备WiFi解调器的设备进行信号获取和解调，获得信号数据。无源WiFi通信技术解决了传统WiFi通信传播距离短、传送数据慢、功耗较大等问题，对同类型射频应用设备具备较强的兼容性。但无源物联网应用技术尚处于开发研究阶段，且实际应用环境存在复杂性和可变性，目前实际调制的信号能量较弱，无法驱动当前大多数传统物联网设备。基于此，本文对无源WiFi通信技术进行原理和应用技术研究，期望通过自收集模式实现低功耗无源WiFi通信设备的应用，为无源物联网设备提供解决方案。

根据WiFi数据解调标准IEEE802.11协议可知，直接序列扩频（DSSS）工作方式就是在发射端采用速率较高的扩频序列对电磁波信号进行频谱扩展，在接收端采用对应的方式进行扩频序列解析，将组合后的扩频信号转换成标准信号进行信号还原，完成射频通信信号传输。其中，当直接序列扩频进行多速率数据传输时，需要采用差分相移键控（DPSK）和正交相移键控（QPSK）调制解调模式，将数据传输速率通过二分制或四相相对方式进行分割，从而得到相对快和相对慢的不同传输速率。在此基础上采用补码键控（CCK）方式对传输速率进行扩频速率增加，以此提高分割传输速率的实际传输能力。因此，以二进制进行的DPSK是数据传输速率反应的核心，也是扩频调制技术的基础。

三、无源WiFi设备组成

无源WiFi设备属于无源物联网设备的一种，其组成结构主要分为信号发生端、信号处理端和信号接收端三部分。信号发生端是信号传输的发射端，可进行原始射频信号发射并形成电磁波源；信号处理端即设备，一般由处理芯片、射频信号开关器和信号捕捉器组成；信号接收端对散射射频信号进行调制和解析，将散射信号形成规格协议内的中心频率信号，从而接收传递的数据信息。

在无源WiFi设备工作过程中，信号发生端一般指独立设备之外的基站。基站是单一射频信号的发射源，由信号发生器和天线组成，在规定时间和规定区域发射固定频率的电磁波信号，是能量和信号提供源头。

通常情况下，信号处理端即为无源WiFi设备，由設备使用的微型控制芯片、射频信号天线和射频控制开关组成。微控制器（MCU）发展迅速，一般采用低功耗的MCU作为信号处理核心，通过MCU输出管脚对射频控制开关进行打开操作，以匹配对应天线频率。射频信号天线负责吸收或反射固定射频信号，从而完成设备基于反射散射调制过程的无源供能任务。

信号接收端是对发射、散射信号进行统一接收的部位，一般是具备单独处理WiFi信号的能力，在信号接收端工作过程中，接收基站固定频率信号和散射调制的基波信号，并对扩频和分频的高次谐波信号和转换迭代信号也进行接收，再通过WiFi过滤器将不符合协议频率的信号进行滤除，完成对WiFi信号进行单频道的控制和接收。

四、无源WiFi设备实现

无源物联网设备是一个集成系统控制、能量转换、储能管理、网络通信和匹配电路的嵌入式综合设备。设备的系统控制功能由微处理器管理，能量转换功能由电源转换器管理，储能管理由电感电容储能电路控制，网络通信由射频接收器和射频开关管理，匹配电路则由直流电路、储能电路、控制电路和信号放大电路组成，其中无源WiFi设备是在无源物联网设备中射频通信管理中采用WiFi通信模块。在设备功能实现过程中，天线接收端将基站发送的固定频率电磁波信号进行收集，通过射频开关进行频率匹配轮转，采用最大传输功率将射频电磁信号能量转换成可控的直流电源能量，储存在电感电容中，再通过放大器传输给电源管理模块进行电压供能，对设备控制终端进行唤醒和操作。在整个系统功能运行阶段，WiFi的通信频道为2.4GHz，所以应尽可能将散射电磁波功能和通信传输集中在2.4GHz的频段中。但在实际的电磁波能量收集过程中，越高的频率能量衰减速度越快，所以在无源能量收集过程中，应采用频率较低的频段。目前通常采用433MHz的低频共用双频天线进行能量收集和信号通信，同时为了尽可能减少上下级不同频率之间的能量耗散，应尽可能地减少匹配网络耗能元器件，而电感电容储能电路可较好地满足功能需求。

在无源WiFi设备的能量使用过程中，能量转换配置起到决定性作用，其中转换电路可将交转直，也可将直转直。电磁波射频信号能量供给较少且能量呈发散特性，需要对转换电压进行倍压整流处理提高输出电压值。但由于提高电压又会造成能源的损耗，因此需要降低传统的倍压级数，根据设备电源供能情况计算倍压级数。目前常用的方式是采用冷启动和DC-DC转换相结合的方式，当射频直流转换输出功率小于冷启动功率时进行系统供能冷启动，而当其大于冷启动功率时则进行DC-DC转换。这样会导致小幅度能量供给长期处于冷启动状态而造成能量耗费，需要对供能方式进行改进。合适的方法是进行电感电容储能处理，当达到超过冷启动功率时直接启动DC-DC转换，达到瞬时启动无源WiFi设备的效果，通过累积的方式增强了设备的运作时常。

五、结束语

无源WiFi设备是无源物联网设备发展的重要形式之一，其本质是通过电磁波能量散射收集进行WiFi设备供能。本文通过对无源WiFi原理的论述和无源WiFi设备组成的分析，研究了当前无源WiFi设备功能实现的技术途径；在原理论述中对电磁波信号中基波和谐波能量进行了研究，得出频率和相位是影响能量收集的主要原因；在设备组成过程中，通过三端分析了无源WiFi设备的供能结构；在功能实现中，提出了双频天线和储能累积进行供能的方法。无源WiFi设备的主要优势在于低功耗、高性价比、广域部署等，而高效的能源收集和利用可拓展设备的应用范围。解决相关问题，可望促进基于无源WiFi通信技术的无源物联网发展。

作者单位：西安智维尼教育科技有限公司