Kablosuz Şarj için Genişletilmiş Qi Protokolüne Dayalı "Akademik Belge" Veri Toplama Yöntemi
Özet:
Kablosuz şarj, güvenli şarj ve yüksek verimlilik avantajlarına sahiptir.Kablosuz veri toplama sistemlerinde güç kaynağı enerji dayanıklılığı sorununu çözmek ve sistemin çalışma ömrünü uzatmak için kullanılır. Bununla birlikte, kablosuz şarjı temel alan mevcut kablosuz veri toplama sistemlerinin tümü, sensörler tarafından toplanan verileri iletmek için ek kablosuz iletişim modülleri kullanır ve sensör düğümlerinin boyutunu ve güç tüketimini arttırır. İmplante edilebilir tıbbi ekipman, kapalı kaplar vb. Uygulama şüphesiz felakettir. Qi protokolünün genişletilmesi yoluyla kablosuz şarj sisteminin kendi enerji ve sinyalinin karışık iletimini hesaba katarak, kablosuz şarj sistemi, toplanan sensör verilerinin iletimini tamamlamak için kullanılır. Yöntem ek bir kablosuz iletişim modülü gerektirmez, sensör düğümünün hacmini ve güç tüketimini azaltır, sistem devresini basitleştirir ve maliyeti düşürür.
Çince alıntı biçimi: Bai Guanglei, Jiang Hao, Shi Jiawen ve diğerleri.Genişletilmiş kablosuz şarj Qi protokolüne dayanan veri toplama yöntemi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (11): 76-80, 85.
İngilizce alıntı biçimi: Bai Guanglei, Jiang Hao, Shi Jiawen ve diğerleri.Genişletilmiş kablosuz şarj Qi standardına dayalı bir veri toplama yöntemi.Elektronik Tekniği Uygulaması, 2018, 44 (11): 76-80, 85.
0 Önsöz
Kablosuz şarj teknolojisi, şarj ekipmanını güç kaynağından ayırarak şarjı daha güvenli hale getirir ve kullanışlı, su geçirmez ve toz geçirmezdir ve son derece zorlu koşullar altında normal şekilde çalışabilir. Kablosuz şarjın gelişmesi ve olgunlaşmasıyla birlikte, tıbbi implantlar ve su geçirmez ve kapalı cihazlar gibi özel kablosuz sensör sistemlerinde geniş uygulamalara sahiptir. Kablosuz algılama sistemlerinde enerji dayanıklılığı sorununu çözmek için kablosuz şarj kullanılır. Literatür, temassız bir biyosensör tasarladı.Sensör düğümü, kablosuz bir şarj sistemi ile güçlendiriliyor ve insan fizyolojik verilerini WiFi teknolojisi aracılığıyla bir akıllı telefona iletiyor. Literatürde araştırılan implante edilebilir gastrointestinal elektrik stimülasyon sistemi ayrıca güç sağlamak için bir kablosuz şarj sistemi kullanır ve biyogeribildirim kontrolünü tanıtmak için veri göndermek ve almak için IA4420 kablosuz iletişim yongasını kullanır. Literatürdeki kablosuz şarj sensörü ağ düğümü, enerji beslemesini kablosuz şarj ile tamamlar ve algılanan bilgileri CC2530 kablosuz alıcı-verici modülü aracılığıyla yönetim merkezine iletir. Literatür ayrıca kablosuz sensör ağ düğümleri için enerji sorununu çözmek için kablosuz şarj kullanır.
Bu kablosuz şarj sensör sistemlerinin tümü, sensör verilerinin iletimini tamamlamak için ek kablosuz iletişim modülleri kullanmaya ihtiyaç duyar, bu da şüphesiz sensör düğümlerinin boyutunu ve güç tüketimini artırır. İmplante edilebilir tıbbi ekipman, sınırlı hacimli boşluklar, gömülü nesneler vb. Gibi ölçüm uygulamalarında, sensör düğümünün hacmi doğrudan ekipmanın kullanılabilirliğini, uygulamasını ve estetiğini belirler. Büyük hacimli sensör düğümleri hayvanlara implante edilemez, sınırlı alanlara uygulanamaz ve görünümlerini etkileyen nesnelere gömülemez. Sensör düğümünün devre bileşimi, veri toplamanın tamamlanması temelinde azaltılabilirse, sensör düğümünün hacmi azalacak ve yukarıdaki senaryonun problemi çözülecektir.
Son yıllarda yurtiçi ve yurtdışında kablosuz şarj sistemlerinin enerji ve bilgi hibrit iletim yöntemi ile ilgili çok sayıda çalışma yapılmış, kablosuz şarj sisteminin kapalı döngü kontrolü tamamlanarak kablosuz şarjın verimliliği, sorunsuzluğu ve güvenliği artırılmıştır. Belgede, Qi protokolüne dayanan kablosuz şarj sisteminin vericisi ve alıcısının, enerji transfer bobini aracılığıyla iletişim kurmak için yük modülasyonu ve frekans modülasyonu teknolojisi kullandığına dikkat çekildi. Bununla birlikte, hiçbiri kablosuz şarj sisteminin bilgi aktarımından tam olarak yararlanmak için veri bağlantısı yedek analizi ve veri aktarımının uygulama katmanı üzerinde derinlemesine araştırma yapmadı.
Bu makale kablosuz şarj sistemini Qi protokolüne göre analiz eder.Güç parametresi bilgilerinin miktarı azdır ve iletim süresi aralıklıdır.Bu nedenle, iletişim bağlantısında sensör veri toplama aktarımı için uygun olan büyük miktarda boşluk vardır. yöntem. Qi protokolünün genişletilmesiyle, sensör verileri, kablosuz şarj sisteminin iletişim bağlantısında makul bir şekilde düzenlenir ve bu, sensör düğümünün kablosuz iletişim modülünün hacmini ve güç tüketimini azaltır, devre tasarımını düzene sokar ve maliyeti düşürür.
1 Qi protokolüne dayalı veri toplama yönteminin tasarımı
1.1 Qi protokolüne dayalı kablosuz şarj sistemi
Qi protokolüne dayalı kablosuz şarj sisteminin yapı blok şeması Şekil 1'de gösterilmektedir. Alıcı, kendi güçle ilgili parametrelerini vericiye iletir ve ardından verici, güç aktarımının kapalı döngü kontrolünü tamamlamak için yanıt olarak iletilen gücü ayarlar.
1.2 Çalışma aşaması analizi
Qi protokolüne dayalı kablosuz şarj sisteminin çalışma durumu 7 aşamaya bölünmüştür: seçim aşaması, el sıkışma aşaması, tanımlama yapılandırma aşaması, müzakere aşaması, kalibrasyon aşaması, yeniden müzakere aşaması, güç aktarım aşaması ve sıkı zaman kontrolü herhangi bir aşamada gerçekleştirilir. Resim 2'de gösterildiği gibi.
Kablosuz şarj sisteminin kısa bir süre için el sıkışma aşamasında, tanımlama yapılandırma aşamasında, müzakere aşamasında, kalibrasyon aşamasında ve yeniden görüşme aşamasında kalırken güç aktarımı aşamasında sürekli olarak güç ileteceği görülebilmektedir. Sensör verilerini iletmek için kablosuz şarj sistemi kullanılıyorsa, sensör veri iletim süresi, güç aktarımı aşamasında düzenlenmelidir.
1.3 Veri bağlantısı boşta durumu analizi
Güç aktarımı aşamasında, alıcının kontrol hatası veri paketleri göndermesi, enerji veri paketlerini alması ve zaman sınırını karşılamak için veri göndermesi gerekir. Alıcıdan vericiye iletişim hızı 2 k / s'dir ve alıcı tarafından gönderilen iki tür veri paketi için zaman sınırları Tablo 1'de gösterilmektedir.
Her veri paketinin iletimi, tsend + tsil için iletişim bağlantısını işgal eder, ardından kontrol hatası veri paketinin iletimi, 52 ms için iletişim bağlantısını işgal eder ve "enerji veri paketini alma" iletimi, 40 ms için iletişim bağlantısını işgal eder. Kontrol hatası veri paketinin iletim aralığı tint1260 ms ise ve alınan enerji veri paketinin iletim aralığı tint21600 ms ise, iki veri paketinin iletimi tarafından işgal edilen iletişim bağlantısı yüzdesi:
Yukarıdaki analizden sonra, güç aktarımı aşamasında, verici ile alıcı arasında, sensör verilerinin aktarılmasına olanak sağlayan büyük bir iletişim boşta kalmaktadır.
1.4 Veri paketi genişletme analizi
Qi protokolü, alıcının bilgiyi vericiye veri paketleri biçiminde nasıl ilettiğini ve vericinin bilgileri alıcıya veri paketleri ve yanıtlar biçiminde ilettiğini tanımlar. Veri paketi tipinde ve cevap tipinde, bazılarının isimleri belirlendi ve veri paketindeki her bitin anlamını tanımladı.Güç aktarım işleminin güvenliğini sağlamak için güç aktarımı işlemi sırasında çalışma durumunu sıkı bir şekilde kontrol etmek için bu veri paketlerini kullanın; Adı belirlenmemiş bazı özel veri paketleri vardır, alıcı ile verici arasındaki bilgi aktarımında görünürlerse, veri paketini ayrıştırmaya veya veri paketini göz ardı etmeye özgürce karar verebilirsiniz.
Bu nedenle, özel veri paketinin veri içeriği, verici ve alıcı arasında kararlaştırılabilir ve sensör verileri, mutabık kalınan özel veri paketinde doldurulabilir. Tablo 2 ve Tablo 3 sırasıyla alıcıdan vericiye ve vericiden alıcıya iletilen mevcut özel veri paketlerini sayar.
1.5 Veri Paketi İletiminden Kaçınma Analizi
Verici ve alıcı arasında sensör veri bilgilerini içeren özel veri paketlerinin iletimi, güç kontrol bilgilerinin iletiminin zaman sınırını aşmasına neden olabilir. Bu nedenle, veri paket iletiminin belirli stratejileri benimsemesi gerekir.
Alıcı, vericiye veri gönderir Kontrol hatası veri paketleri ve enerji veri paketlerini almak için zaman sınırları Tablo 1'de listelenmiştir. Kontrol hatası veri paketlerinin gönderilmesi, 52 ms'lik iletişim bağlantı süresini kaplar ve enerji veri paketlerinin gönderilmesi ve alınması en çok iletişim bağlantı süresini kaplar Uzunluk 40 ms'dir. Kontrol hatası veri paketlerinin gönderme aralığını 200 ~ 260 ms (gönderme süresi 252 ~ 312 ms) ve enerji veri paketlerini alma gönderme aralığını 1300 ~ 1.600 ms olarak ayarlayın (gönderme süresi 1340 ~ 1.640) Hanım). Kontrol hatası veri paketini gönderdikten sonra, özel veri paketi gönderilebilir ve birden fazla özel veri paketi gönderilebilir, ancak toplam gönderme ve sessizlik süresi 180 ms'yi geçmez İşlem Şekil 3'te gösterilmiştir.
Kontrol hatası veri paketini gönderdikten 200 ms sonra, "enerji veri paketini alma" (40 ms kaplar) göndermeye başlarsa, kontrol hatası veri paketini göndermek için zaman aralığı 240 ms'dir ve bu, 260 ms'lik maksimum zaman aralığından daha azdır.
"Enerji veri paketi alma" 1300 ms gönderdikten sonra, kontrol hatası veri paketini ve özel veri paketini (maksimum kullanım 52 + 180 = 232 ms) göndermeye başladıysanız, alıcı enerji veri paketinin gönderme zaman aralığı 1532 ms'dir. , 1600 ms'lik maksimum gönderme aralığından daha az.
180 ms özel veri paketleri göndermek için ayrıldığından ve 0xE2 başlık baytlı en uzun özel veri paketi 126,5 ms olduğundan, bu çözüm gereksinimleri karşılar ve zaman içinde kontrol hatası veri paketleri göndermekten ve enerji veri paketlerini almaktan kaçınabilir limit. Kontrol hatası veri paketinin en uzun iletim periyodu 312 ms olduğundan, özel verilerin maksimum iletim gecikmesi 312 ms'dir ve her seferinde 312 ms'den daha az 180 ms'lik özel bir veri paketi gönderilebilir.
Verici, 24 bitlik bir enerji veri paketi alır ve 3 ~ 10 ms içinde 8 bitlik bir yanıtla yanıt vermesi gerekir. Verici, alıcı enerji veri paketinin gelişini tahmin edemez, özel veri paketini gönderme sürecinde 24 bitlik bir enerji veri paketi alırken özel veri paketinin iletimini hemen durduracak ve yanıtı yanıtladıktan sonra özel veri paketini yeniden gönderecek şekilde ayarlanmıştır. . Vericiden alıcıya iletişim hızı 195 b / s'den büyük olduğundan, en uzun başlık baytı 0x8F olan özel veri paketini gönderme uzunluğu 620,5 ms'den azdır ve bu, alıcının 1340 ~ 1 enerji veri paketlerini göndermek ve almak için gönderme döngüsünden çok daha kısadır 640 ms, arka arkaya iki kez kesintiye uğramaz, veri iletimi tamamlanabilir.
Verici, özel veri paketinin iletimi tamamlanmak üzereyken "enerji veri paketini alırsa", özel veri paketinin iletimini derhal durdurur ve özel veri paketini yeniden göndermek için yanıt verir. Bu sırada, özel veri paketinin maksimum iletimi Gecikme. Maksimum iletim gecikmesinin, özel veri paketinin maksimum iletim süresi ile yanıt iletim süresinin (620.5 + 41 = 661.5 ms) toplamı olduğu ve maksimum yeniden iletim sayısının 1 olduğu sonucuna varılabilir.
1.6 Qi protokolüne dayalı veri toplama sistemi
Hafif veri toplamayı tamamlamak için alıcıya bir veya daha fazla sensör monte edin, güç kaynağı için kablosuz şarj teknolojisini kullanın ve sensörler tarafından toplanan verileri alıcıdan vericiye yukarıda belirtilen tasarım yöntemiyle, ek iletişim modülleri olmadan, hafif veri toplamayı tamamlamak için iletin . Veri toplama sistemi Şekil 4'te gösterilmektedir.
2 Vaka analizi
Kimyasal hammadde depolarında sırasıyla 30 mm çapında iki cam boru, kolaylıkla salınan zehirli gazlar H2S ve CO taşıyor. Gaz iletiminin güvenliği için, konsantrasyonlarını Şekil 5'te gösterildiği gibi bir kablosuz veri toplama sistemi aracılığıyla izlemek gerekir. İletim boru hattının boyut sınırlaması nedeniyle, sensör düğümünün hacmi yeterince küçük olmalıdır. Ek olarak, küçük hacimli sensör düğümleri normal gaz iletimine daha elverişlidir.
Karma enerji ve sinyal iletimine dayanan veri toplama sistemi, sensör düğümlerinin minyatürleştirilmesine elverişli olan bir kablosuz iletişim modülü gerektirmez. Qi protokolünün bazı özel veri paketlerinin genişletilmiş bir tanımı Tablo 4'te listelenmiştir.
Şekil 6, parametre ayarı onay paketini gösterir Alıcı, verici parametre ayarını onaylamak için kullanılır (veri toplama modu ayar veri paketinin parametre ayarı ve veri raporlama periyodu ayarı veri paketi dahil).
Şekil 7, gaz tipi ve konsantrasyon bilgisi verilerini göndermek için kullanılan bir sensör veri bilgi paketidir.
Şekil 8, veri toplama modunu ayarlamak için kullanılan veri toplama modu ayar veri paketini gösterir.Sistemi, veri modunu aktif olarak rapor edecek ve veri modunu talep edecek şekilde ayarlayabilirsiniz.
Şekil 9, veri talep paketini göstermektedir. Sistem istek verisi modunda çalışırken, veri talep paketi alıcıdan sensör verilerini talep etmek için kullanılır.
Şekil 10, veri raporu döngüsü ayarlama veri paketini göstermektedir. Sistem aktif veri raporlama modunda çalışırken, veri raporlama döngüsü ayarı veri paketi veri raporlama döngüsünü ayarlayabilir.
Kablosuz şarj vericisini kateter A'nın belirlenmiş alanına yerleştirin ve kablosuz şarj alıcısı A ve H2S sensörü çalışmaya başlayacaktır; kablosuz şarj vericisini kateter B'nin belirlenmiş alanına yerleştirin ve kablosuz şarj alıcısı B ve CO sensörü çalışmaya başlayacaktır. Veri toplama başarı oranı testi sistem üzerinde farklı çalışma modlarında gerçekleştirilmiş ve test sonuçları Tablo 5 ve Tablo 6'da gösterilmiştir.
Test verilerinden, karışık enerji iletimi ve sinyale dayalı veri toplama sisteminin gaz konsantrasyonunun izlenmesini tamamladığı ve sistemin çalışma modunu esnek bir şekilde ayarlayabildiği görülebilir.
Şu anda yaygın olarak kullanılan kablosuz iletişim modülünün boyutu yaklaşık 15 mm × 20 mm × 4 mm ve güç tüketimi yaklaşık 0,5 mW'tır. Kablosuz şarjı temel alan geleneksel veri toplama sistemi ile karşılaştırıldığında, enerji ve sinyalin karışık iletimine dayanan veri toplama sistemi, kablosuz iletişim modüllerinden tasarruf ederek sensör düğümlerinin boyutunu büyük ölçüde azaltacaktır. Bu yöntemin uygulanabilirliği, yukarıdaki gerçek durumlarla doğrulanır.
3 Sonuç
Kablosuz şarj sisteminin karışık enerji iletimi ve sinyaline dayanan bu makale, Qi protokolünün veri paketinin tanımını genişleterek ve veri paketi iletimini makul ölçüde atlatarak sensör verilerinin iletimini tamamlar. Bu teknoloji kullanılarak tasarlanan kablosuz veri toplama sistemi, ek kablosuz iletişim modülleri gerektirmez, sensör düğümlerinin boyutunu ve güç tüketimini azaltır, devreyi basitleştirir ve maliyetleri düşürür ve geniş uygulama olanaklarına sahiptir.
Referanslar
Xu Hongxia, Fu Yichao. Application of Wireless Charging Technology. Electronic Technology and Software Engineering, 2017 (12): 112.
Wang Li. Kablosuz şarj cihazlarının araştırılması ve tasarımı Elektronik üretim, 2016 (21): 15-17.
Hu Xinfu. Elektromanyetik indüksiyona dayalı lityum iyon piller için kablosuz şarj cihazının tasarımı ve uygulaması. Journal of Xichang College (Natural Science Edition), 2014, 28 (1): 61-65.
Wang Guohui Kablosuz şarj teknolojisi ve özel uygulama beklentileri World of Electronic Products, 2014, 21 (7): 21-24.
Zhang Fengling. Akıllı mobil cihazlara dayalı temassız biyosensör geliştirilmesi. Nanjing: Southeast Üniversitesi, 2017.
Li Baowei. Kablosuz şarj teknolojisine dayalı implante edilebilir gastrointestinal elektrik stimülasyon sistemi üzerine araştırma. Şangay: Shanghai Jiaotong Üniversitesi, 2013.
Song Yijie, Zhao Qing, Yang Kaiwen. QI standardına dayalı kablosuz şarj sensörü ağının düğüm tasarımı Elektronik Tasarım Mühendisliği, 2014, 22 (21): 121-123.
Li Guangxie, Yi Shi, HOU Y T, ve diğerleri.Sensör ağlarına kablosuz güç aktarımı ve uygulamaları. IEEE Kablosuz İletişim, 2013, 20 (4): 140-145.
Han Yantao. Rezonant bilgi aktarılabilir kablosuz şarj sisteminin tasarımı. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2016.
Wang Chenchen. Endüktif Eşleşmiş Elektrik Enerjisi ve Sinyal Hibrit İletim Sistemi Araştırması. Chongqing: Chongqing Üniversitesi, 2010.
Liu Yang. ICPT sistemindeki iki yönlü sinyal iletim mekanizması üzerine araştırma. Chongqing: Chongqing Üniversitesi, 2013.
Zhang Aiguo. Endüktif güç ve sinyal senkronizasyon iletim teknolojisi üzerine araştırma Harbin: Harbin Teknoloji Enstitüsü, 2013.
Hu Jianghao, Zhang Zhongwei. QI protokolüne dayalı kablosuz şarj iletişim sistemi. China New Communications, 2016, 18 (3): 106.
Zhao Hai, Wang Congying, Shu Wenli, vb Kablosuz şarj QI standardına dayalı 2FSK demodülasyon tasarımı Elektronik ve Paketleme, 2017, 17 (12): 34-37, 41.
Kablosuz Güç Konsorsiyumu Qi kablosuz güç aktarım sistemi güç sınıfı 0 spesifikasyonu bölüm 1 ve 2: arayüz tanımı sürüm 1.2.2. (2016-04-xx) .https: //www.wirelesspowerconsortium.com/developers/specification.html.
WAGENINGEN D V, STARING T. Qi kablosuz güç standardı 14. Uluslararası Güç Elektroniği ve Hareket Kontrolü Konferansı EPE-PEMC 2010, 2010, 15: S15-25-S15-32.
yazar bilgileri:
Bai Guanglei, Jiang Hao, Shi Jiawen, Jiang Wei, Zhang Qi
(Elektronik Bilgi Okulu, Wuhan Üniversitesi, Wuhan 430072, Hubei)
