0 引言

    无线充电技术将充电设备与电源分离，充电更安全，并且具有便捷、防水防尘、在极其恶劣的条件下也能正常工作的特点^[1-3]。随着无线充电的发展成熟，它在医疗植入、防水密闭设备等特殊无线传感系统中有广阔的应用^[1，3-4]。无线充电应用于无线传感系统，解决了能量续航问题^[5-8]。文献[5]设计了一种非接触式生物传感器，该传感器节点采用无线充电系统供电，并通过WiFi技术将人体生理数据传送至智能手机。文献[6]研究出的植入式胃肠电刺激系统也采用无线充电系统供电，并通过无线通信芯片IA4420收发数据引入生物反馈控制。文献[7]中的无线充电传感器网络节点借助无线充电完成能量供应，并通过CC2530无线收发模块将所感知到的信息传送至管理中心。文献[8]同样利用无线充电为无线传感网络节点解决能量问题。

    这些无线充电传感系统都需采用额外的无线通信模块完成传感数据的传输，无疑增加了传感器节点的体积与功耗。在可植入医疗设备、体积受限空间、嵌入物体等测量应用中，传感器节点的体积直接决定设备的可用性、实施性和美观性。大体积的传感器节点存在无法植入动物体内、在体积受限空间无法实施和无法嵌入物体影响美观等问题。如果能够在完成数据采集的基础上减少传感器节点电路组成，将减小传感器节点的体积，解决上述场景的问题。

    近年来，国内外对无线充电系统的能量与信息混合传输方法多有研究，通过完成无线充电系统的闭环控制提升了无线充电的效率、平滑度及安全性^[9-15]。其中文献[13]-[15]指出了基于Qi协议无线充电系统的发射器和接收器采用负载调制和频率调制技术通过传能线圈进行通信。但他们都并未对数据传输的数据链路空余分析及应用层进行深入研究，以充分利用无线充电系统的信息传输。

    本文对基于Qi协议的无线充电系统进行分析，电能参数信息数据量较小，且传输时间上有间歇性的特点，因此，通信链路上有大量的空余，这为传输传感器采集数据提供了可行方法。通过对Qi协议扩展，将传感器数据合理地安排在无线充电系统通信链路中，节省了传感器节点的无线通信模块的体积和功耗，精简了电路的设计，并降低了成本。

1 基于Qi协议的数据采集方法设计

1.1 基于Qi协议的无线充电系统

    基于Qi协议的无线充电系统的结构框图如图1所示，接收器将自身的电能相关参数传输到发射器，然后发射器做出响应调节传输的功率，完成了电能传输的闭环控制。

1.2 工作阶段分析

    基于Qi协议的无线充电系统工作状态被分为7个阶段：选择阶段、握手阶段、识别配置阶段、协商阶段、校准阶段、重新协商阶段、电能传输阶段，并在任何阶段都进行严格的时间控制^[15-16]，如图2所示。

    可以看出，无线充电系统将在电能传输阶段稳定传输电能，而在握手阶段、识别配置阶段、协商阶段、校准阶段、重新协商阶段停留的时间短暂。若利用无线充电系统传输传感器数据，应将传感器数据传输时间安排在电能传输阶段。

1.3 数据链路空闲状态分析

    在电能传输阶段，接收器必须发送控制差错数据包、接收能量数据包，且发送满足时间限制。接收器到发射器的通信速率为2 k/s，则接收器发送的两种类型的数据包时间限制如表1所示。

    每一个数据包发送占用通信链路时长t_send+t_sil，则发送控制差错数据包占用通信链路52 ms，发送“接收能量数据包”占用通信链路40 ms。若取控制差错数据包的发送间隔t_int1为260 ms，接收能量数据包的发送间隔t_int2为1 600 ms，则发送两种数据包占用通信链路的百分率为：

    经过上述分析，在电能传输阶段，发射器和接收器之间存在较大的通信空闲，为传输传感器数据提供了可能性。

1.4 数据包扩展分析

    Qi协议定义接收器向发射器传输信息以数据包的方式，发射器向接收器传输信息以数据包和响应的形式。在数据包类型和响应类型中，其中部分已经设定了名称并定义了数据包中每位的意义，利用这些数据包严格地控制电能传输过程中的工作状态，保证电能传输过程的安全；还有一部分未设定名称的专享数据包，如果出现在接收器与发射器的信息传输中，可自由决定解析数据包还是忽视数据包。

    因此，可在发射器与接收器之间约定专享数据包数据内容，将传感器数据填充在约定的专享数据包中。表2和表3分别统计了接收器向发射器传输和发射器向接收器传输可用的专享数据包。

1.5 数据包传输规避分析

    发射器和接收器之间传递包含传感器数据信息的专享数据包可能造成传输电能控制信息超出时间限制。因此，数据包传输必须采取一定的策略。

    接收器向发射器发送数据，控制差错数据包和接收能量数据包的时间限制列于表1，发送控制差错数据包占用通信链路时间为52 ms，发送接收能量数据包占用通信链路时间最长为40 ms。将控制差错数据包的发送间隔设定为200~260 ms(发送周期为252~312 ms)，接收能量数据包的发送间隔设定为1 300~1 600 ms(发送周期为1 340~1 640 ms)。在发送控制差错数据包后发送专享数据包，可以发送多个专享数据包，但发送和静默总时长不超过180 ms，流程如图3所示。

    若在发送控制差错数据包200 ms后，开始发送“接收能量数据包”(占用40 ms)，此时控制差错数据包的发送时间间隔为240 ms，小于最大时间间隔260 ms。

    若在发送“接收能量数据包”1 300 ms后，开始发送控制差错数据包及专享数据包(最大占用52+180=232 ms)，此时接收能量数据包的发送时间间隔为1 532 ms，小于最大发送时间间隔1 600 ms。

    由于预留180 ms时间发送专享数据包，而发送头字节为0xE2的最长专享数据包时长为126.5 ms，此方案满足要求且可避免发送控制差错数据包和接收能量数据包超过时间限制。由于控制差错数据包的发送周期最长为312 ms，故自定义数据的最大发送延时为312 ms，在每小于312 ms的时间里可发送180 ms的专享数据包。

    发射器接收到24 bit接收能量数据包，需在3~10 ms之间回复8 bit响应。发射器无法预知接收能量数据包的来临，设定在发送专享数据包过程中接收到24 bit接收能量数据包时，立即停止专享数据包的传输，在回复响应后重新发送专享数据包。由于发射器到接收器的通信速率大于195 b/s，发送最长的头字节为0x8F的专享数据包时长小于620.5 ms，远小于接收器发送接收能量数据包的发送周期1 340~1 640 ms，不会被连续中止两次，可完成数据传输。

    若在专享数据包即将传输完成时，发射器接收到“接收能量数据包”，此时立即停止专享数据包传输，回复响应重新发送专享数据包，此时为专享数据包最大发送延时。可以得出最大发送延时为专享数据包最大发送时长与响应发送时长t_rep之和(620.5+41=661.5 ms)，且最大重新发送次数为1次。

1.6 基于Qi协议的数据采集系统

    在接收器上搭载一个或多个传感器，利用无线充电技术进行供电，将传感器采集到的数据经过上述设计方法从接收器传输至发射器，无需额外的通信模块，即可完成轻量级数据采集。数据采集系统如图4所示。

2 实例分析

    在化学原料的仓库，两个直径为30 mm的玻璃管道中分别传输着易散发的有毒气体H₂S和CO。为了气体传输的安全，需要通过无线数据采集系统监测它们的浓度，如图5所示。由于传输管道尺寸的限制，传感器节点的体积必须足够小。此外，小体积的传感器节点更有利于气体的正常传输。

    基于能量与信号混合传输的数据采集系统无需无线通信模块，有利于传感器节点的小型化。对Qi协议的部分专享数据包做出扩展定义，列于表4。

    图6为参数设定确认包，接收器用来对发射器进行参数设定的确认（包含数据采集模式设定数据包、数据上报周期设定数据包进行的参数设定）。

    图7为传感器数据信息数据包，用来发送气体类别、浓度信息数据。

    图8为数据采集模式设定数据包，用来设定数据采集的模式，可以设定系统为主动上报数据模式和请求数据模式。

    图9为数据请求数据包。当系统工作在请求数据模式时，数据请求数据包用来向接收器请求传感器数据信息。

    图10为数据上报周期设定数据包。当系统工作在主动上报数据模式时，数据上报周期设定数据包可以设定数据上报的周期。

    将无线充电发射器放置在导管A指定区域，无线充电接收器A和H₂S传感器开始工作；将无线充电发射器放置在导管B指定区域，无线充电接收器B和CO传感器开始工作。分别对系统在不同工作模式下进行了数据采集成功率测试，测试结果如表5和表6所示。

    从测试数据看出，基于能量与信号混合传输的数据采集系统完成了对气体浓度监测，并可灵活设置系统的工作模式。

    目前常用的无线通信模块尺寸约15 mm×20 mm×4 mm，功耗约0.5 mW。基于能量与信号混合传输的数据采集系统对比传统基于无线充电的数据采集系统，节省的无线通信模块将大幅度减小传感器节点的体积。通过上述实际案例验证了该方法的可行性。

3 结论

    在无线充电系统的能量与信号混合传输的基础上，本文通过对Qi协议的数据包扩展定义、数据包传输的合理规避，完成了传感器数据的传输。使用该技术设计的无线数据采集系统，无需额外的无线通信模块，减小了传感器节点的体积与功耗，精简了电路，且降低了成本，具有广阔的应用前景。

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作者信息:

白光磊，江  昊，史佳雯，江  威，张  琪

（武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉430072）