井新宇

(江陰職業(yè)技術學院，江蘇 江陰 214400)

0 引言

射頻識別(radio frequency identification，RFID)，俗稱電子標簽。RFID射頻識別技術是一項利用射頻信號，通過空間耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。

RFID射頻識別技術通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預。RFID按照能源的供給方式分為無源RFID和有源RFID。無源RFID讀寫距離近、價格低;有源RFID可以提供更遠的讀寫距離，但需要電池供電，成本要更高一些，適用于遠距離讀寫的應用場合。

1 系統(tǒng)結構與電路設計

1.1 結構組成與基本原理

有源RFID電子標簽需要電池提供全部工作所需的電源。有源RFID溫濕度標簽具有對閱讀器的發(fā)射功率要求相對較低、有效閱讀距離較遠的優(yōu)點，因此，應用十分廣泛。但有源RFID溫濕度傳感標簽對超低功耗、高可靠性等方面有較高的要求。

有源RFID系統(tǒng)由有源RFID傳感標簽、閱讀器和應用系統(tǒng)3部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本結構圖Fig.1 Basic structure of the system

有源標簽具有唯一的身份識別碼(即ID)，有源RFID溫濕度標簽需要外接傳感器，對環(huán)境溫濕度進行測量。在閱讀器的有效工作范圍內，標簽主動地將自己的ID和所測得的溫濕度通過射頻發(fā)送給閱讀器，閱讀器將相關信息存儲在自己的存儲設備中。存儲在閱讀器中的數據通過RS-232/485等通信方式傳送給應用系統(tǒng)，以便對數據作進一步處理，以實施環(huán)境溫濕度的監(jiān)控［1-2］。

1.2 硬件電路設計

溫濕度傳感標簽硬件電路主要由nRF24L01射頻芯片、MSP430F1232單片機和SHT11組成。其硬件電路原理圖如圖2所示。

圖2 硬件電路原理圖Fig.2 Principle of the hardware circutry

單片機將大量的外圍模塊整合到片內，具有豐富的外部接口。電路充分發(fā)揮了MSP430單片機的低功耗性能，利用其 SPI口與 nRF24L01通信［3］。

射頻模塊nRF24L01通過由MOSI、MISO和SCK組成的SPI接口，與 MSP430F1232相連。MSP430F1232單片機接32768Hz的低頻晶振，nRF24L01接16 MHz的晶振，通過低速的單片機控制高速收發(fā)的射頻芯片。系統(tǒng)上電時，單片機通過SPI對nRF24L01進行狀態(tài)配置。當系統(tǒng)處于發(fā)射模式時，nRF24L01就把從單片機接收到的數據以2 Mbit/s的速率發(fā)射出去;若系統(tǒng)設為接收模式，則nRF24L01用來監(jiān)測天線信號。若有同頻的信號，就加以接收并打開數據包讀取地址。若數據包地址與系統(tǒng)地址相同，就取出數據包中的有用數據，IRQ信號置低電平并通知單片機來取走數據。

2 電子標簽的低功耗設計

由于電子標簽在監(jiān)測系統(tǒng)中數量眾多、分布廣泛，且長期工作在無人值守的狀態(tài)。因此，降低其功耗，延長電池壽命十分必要。本設計主要從器件選擇、軟硬件設計等方面來降低標簽功耗，具體介紹如下。

2.1 超低功耗微處理器的選用

就微處理器的功耗而言，在不影響系統(tǒng)性能的情況下，采取兩種方法來有效降低系統(tǒng)的功耗:①選用較低的工作電壓;②降低工作頻率，合理選擇和控制時鐘頻率。

有源RFID傳感標簽選用了TI公司的16位超低功耗單片機 MSP430F449，其工作電壓范圍為1.8～3.6 V，本設計采用2.2 V 電壓供電。

低功耗的實現與其靈活的時鐘系統(tǒng)密切相關。MSP430單片機具有5種用來實現超低功耗性能的低功耗模式。MSP430系列單片機提供1～2個外部晶振輸入和1個內部數字控制振蕩器(data control oscillator，DCO)。為了提高頻率的穩(wěn)定性，MSP430X4XX系列采用了增強鎖相環(huán)技術(phase locked loop，PLL)，通過低頻時鐘(LFXT1)、高頻時鐘(XT2)和片內數字控制RC振蕩器(DCO)，產生4種時鐘信號，即輔助時鐘(ACLK)、分頻輔助時鐘(ACLK/n)、主時鐘(MCLK)和子系統(tǒng)時鐘(SMCLK)。

為了盡可能地降低系統(tǒng)功耗，在滿足功能要求的前提下可通過以下兩種方式實現系統(tǒng)的低功耗:①按一定比例降低主時鐘頻率;②通過程序設計和時鐘頻率控制，實現最優(yōu)化的系統(tǒng)低功耗［4］。

MSP430系列單片機的各個模塊都可以在CPU休眠的狀態(tài)下獨立工作，若需要主CPU工作，則任何一個模塊都可以通過中斷喚醒CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運行。使用軟件將CPU設定到某一低功耗模式，在需要時使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，工作完成后又可以進入相應的休眠狀態(tài)。

MSP430的6種工作模式以及各模式下電流比較如圖3所示。

圖3 6種工作模式及其電流比較Fig.3 Six operating modes and the comparison of currents

通過前文分析可知，任何一種低功耗模式只能與活動模式進行切換。這樣MCU可在整個過程中長時間保持睡眠狀態(tài)，只有產生中斷時才激活，中斷響應時間僅為 6 μs。

在進行軟硬件設計時，采用以下方式降低功耗。①采用低功耗的器件和電路設計，并盡量降低其功耗;

②不要讓不用的I/O引腳懸空，應將其設置為輸入并上拉到電源;

③若不需要很高精度的時鐘或者高速響應處理任務，應盡可能不用外部晶振，而使用內部的DCO作為MCLK;

④在進入低功耗模式前，應盡可能將MCLK改為DCO模式。DCO模式在進入功耗模式后，在得到中斷喚醒時，以最快速度啟動工作的時鐘源，這樣可大大減少在喚醒時的能源消耗。如果喚醒后確實需要高速時鐘源，此時可以再轉換到高速時鐘源上使用［5］。

2.2 無線傳輸模塊的低功耗設計

數據傳輸模塊負責與其他標簽進行無線通信，交換控制信息并采集、收發(fā)數據。無線通信消耗的能量占據了整個無線傳感器網絡能耗的絕大部分，因此對這一模塊的選取和設計關系到低功耗設計的全局。除了考慮功耗因素外，還應兼顧數據傳輸模塊的靈敏度、誤幀率以及傳輸距離等綜合性能［6-9］。

本設計選用NORDIC公司的高速、低功耗、低成本的2.4 GHz無線收發(fā)芯片nRF24L01。它具有增強型ShockBurst功能，集成了雙向通信所需要的鏈路層，輸出功率、頻道選擇和協(xié)議可通過SPI接口進行設置。nRF24L01有掉電模式(power down)、待機模式 I(standby-I)、待機模式 II(standby-II)、發(fā)射模式(TX mode)、接收模式(RX mode)5種工作模式。其中，掉電模式的工作電流最小，僅900 nA，無線收發(fā)芯片nRF24L01應盡量在此模式下工作，僅在需要傳輸數據時才轉入TX或RX模式。各種模式間的轉換過程也會產生功耗，模式間切換的延時主要由晶振起振的穩(wěn)定時間決定，選擇起振快、負載電容小的晶振可以減小延時。

對于無線數據傳輸，主要采取以下兩種方法使系統(tǒng)在超低功耗狀態(tài)下工作。

①系統(tǒng)處于待機模式

待機模式可以將系統(tǒng)平均電流消耗降到很小，在沒有數據收發(fā)時，可以保證快速進入ShockBurst RX和ShockBurst TX模式。5種工作模式下的電流和nRF24L01的工作時序分別如表1、表2所示。

表1 5種工作模式電流Tab.1 The operating currents of five modes

表2 nRF24L01的工作時序Tab.2 The work timing of nRF24L01

nRF24L01采用低功耗工作模式，其控制流程如圖4所示。

圖4 低功耗nRF24L01控制流程圖Fig.4 Flowchart of nRF24L01 low-power consumption

nRF24L01通過設置配置寄存器的PWR_UP位為低進入掉電模式，達到最低功耗;設置配置寄存器的PWR_UP位為高進入standby-I。standby-I可以使無線部分在電流比較低的情況下有較短的反應時間。設置PWR_UP為高、PRIM_RX為低，此時數據載荷已在TX_FIFO中，同時 CE出現10 μs的高電平脈沖，即進入發(fā)射模式。nRF24L01具有自動應答和自動重發(fā)功能，使數據傳輸模塊的功耗大大增加。因此，需要去掉一些不必要的輔助功能，例如自動應答和自動重發(fā)等。

②采用短距離多跳數傳輸

無線信號在空氣中的傳播與通信距離呈指數關系。衰減節(jié)點的通信距離將直接影響無線通信模塊的發(fā)射功率，進而引出功耗的問題。通過寄存器將nRF24LE1的功率放大器配置成4種不同的輸出功率，射頻收發(fā)的功率輸出設置值如表3所示。

表3 射頻收發(fā)功率輸出設置值Tab.3 Settings of the RF power output of receiving and transmitting

通過降低輸出功率，可以降低電子標簽的功耗。無線傳感器網絡節(jié)點具有自組織、中斷自我修復的功能，需要設計合適的通信協(xié)議和路由算法，以實現短距離、自組織和多跳數傳輸數據的無線通信系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)通信的可靠性［7-8］。

2.3 溫濕度傳感器

本設計采用低功耗的數字式溫濕度傳感器SHT11。該傳感器在測量和傳輸完成后將自動轉入休眠模式，等待下次命令的開始，從而降低傳感器模塊的功耗。SHT11具有極高的可靠性與長期穩(wěn)定性。片內裝載的校準系數可保證互換性，電流極低，休眠電流為3 μA，平均電流為 28 μA。

2.4 軟件低功耗設計

電子標簽軟件低功耗設計的流程如圖5所示。

圖5 低功耗軟件流程圖Fig.5 Software design flowchart for low-power consumption

采用定時中斷的方法實現電子標簽按一定的時間間隔進行溫濕度的采集與無線傳輸，定時器定時時間可以設定為10s，具體步驟如下。

① 初始化MSP430時鐘、定時器、SPI等;

②置nRF24L01于掉電模式，也即休眠狀態(tài)，初始化nRF24L01，包括發(fā)送速率、發(fā)射功率、頻段、地址和校驗等;

③MCU打開全局中斷;

④MCU采集溫濕度數據并通討SPI口把有效數據寫入nRF24L01TX_FIFO緩存;

⑤ MCU控制引腳CE置高大于10 μs后，經130 μs晶振穩(wěn)定，nRF24L01進入TX模式開始發(fā)送數據幀;

⑥控制位TX_DS置位，引腳IRQ產生中斷信號，完成一次數據發(fā)送，此時應立即使nRF24L01進入掉電模式。

2.5 低功耗電源設計

電子標簽采用電池供電，需使用DC/DC電壓轉換器。轉換器需要符合兩個條件:一是轉換器上消耗的能量盡可能小，二是電池電壓降到很低時能照常工作。所以，應選擇超低功耗、超低輸入電壓的DC/DC電壓轉換器。TI公司的TPS61200在輸入電壓范圍和功耗上都符合要求，轉換效率高達90%，能自動切換升壓/降壓模式，靜態(tài)電流小于55 μA，電壓輸入范圍為 0.3 ～5.5 V，輸出范圍為1.8～5.5 V可調，輸出短路保護、過熱保護，具有節(jié)電模式。

2.6 PCB 布局設計

PCB布局對系統(tǒng)性能和功耗影響很大。nRF24L01的供電電源必須經過良好的濾波，與數字電源走線分開，并盡量靠近芯片的VDD引腳處，且經高質量的RF電容去耦。VSS應直接與敷銅地層連接，也可在離VSS腳盡量近的地方放置過孔連接，值得注意的是，所有數字信號和控制信號走線不能離晶體和電源走線太近。nRF24L01采用鞭形PCB天線，天線的頻率和阻抗必須與射頻芯片匹配，以獲取最大的傳輸功率，減少無效的功率損耗。通常在nRF24L01的外圍電路接入L1、L2、L3、C7和C9等電容和電感，作為天線阻抗與射頻芯片的匹配網絡，并抑制高頻噪聲［9］。

3 功耗測試與估算

功耗測試與估算采用示波器測試nRF24L01在各個工作過程所持續(xù)的時間和所消耗的電流，溫濕度標簽電池使用時間的計算基于平均電流，即電池容量(mAh)除以標簽消耗的平均電流(mA)。

平均電流的定義如下:

式中:Ⅰa為平均電流;Q∑為總電荷;T∑為工作周期。

式中:in為執(zhí)行第n個過程所消耗的電流;tn為執(zhí)行第n個過程所需要的時間。

通過串聯(lián)采樣電阻，實現電流/電壓的轉換，從而實現電流的測量。設計中采樣電阻取精度為1%、阻值為1 Ω的電阻。標簽工作電壓為3.3 V、工作周期為0.2 s、發(fā)送速率為2 Mbit/s、發(fā)射功率為0，并采用泰克公司的TDS1012B數字存儲示波器進行測量。測得脈沖的幅值約為12 mV，即TX模式工作電流為12 mA，分析波形可知，nRF24L01標簽被喚醒到完成數據幀組裝約為300 μs，工作電流約為1 mA;標簽進入TX模式準備發(fā)送需要約130 μs，電流約為8 mA;標簽發(fā)送數據約為100 μs，工作電流約為12 mA。

若電池使用750 mAh的錳鋰電池，由上述公式可計算得到電池的使用時間為6.5年。如果考慮到電池的實際自放電率，實際使用時間會更短一些，本計算得到的是標簽每隔0.2 s檢測的溫濕度。如每隔10s檢測溫濕度，甚至一天僅檢測幾次，其余時間標簽進入深度體眠狀態(tài)，則將延長電池使用時間［10］。

4 結束語

有源RFID電子標簽對低功耗性能指標要求極高，所以在設計低功耗性能突出的系統(tǒng)時，需要認真考慮其軟硬件實現方法。采用低功耗電路設計方法、低功耗器件選取方法和低功耗休眠機制，可實現電子標簽的低功耗設計。該設計對于使用電池供電以及利用環(huán)境能量供電的無線傳感網絡具有重要的意義。

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