一種低功耗智能傳感主動(dòng)式標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

鄭淼淼 ， 趙蒼榮

（1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001；2.淮南市山南開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，安徽 淮南232001）

射頻識(shí)別技術(shù) （Radio Frequency Identification，RFID）是近年迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)非接觸式信息傳遞，達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目的[1]。其主要的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、不受雨雪、冰雹、灰塵等的影響，可全天候、無(wú)接觸地完成自動(dòng)識(shí)別、跟蹤與管理，且可以穿透非金屬物體進(jìn)行識(shí)別，抗干擾能力強(qiáng)[2]。RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)組成。電子標(biāo)簽可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式標(biāo)簽無(wú)需電池，由讀寫(xiě)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)中獲得工作所需的能量，但讀取距離較近，且單向通信，局限性較大。RFID主動(dòng)式電子標(biāo)簽不但具備被動(dòng)式電子標(biāo)簽的很多特性，而且還具有讀取距離更遠(yuǎn)，性能更可靠，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。文中提出一種應(yīng)用超低功耗單片機(jī)MSP430F147和無(wú)線(xiàn)傳輸收發(fā)芯片nRF2401作為核心的低功耗智能傳感主動(dòng)式標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)含有溫度、濕度傳感器，可以實(shí)時(shí)智能感知標(biāo)簽所處環(huán)境的溫度和濕度信息。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用MSP430系列低功耗單片機(jī)MSP430F147作為微控制器，主要包括nRF2401以及天線(xiàn)模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、電池電路、電量檢測(cè)和聲光報(bào)警電路。

圖1 智能傳感標(biāo)簽結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Intelligent sensor label block diagram

由于有源電子標(biāo)簽需要內(nèi)置電池供電，它對(duì)低功耗要求非常高，所以硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)該選擇具有低功耗特性的單片機(jī)和低功耗型的射頻收發(fā)芯片[4]。MSP430F147單片機(jī)是由TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的微控制器，它采用16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率，并可采用數(shù)字控制振蕩器，使其從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 6 μs。其內(nèi)部帶有32 kB+256 B閃速存儲(chǔ)器、1KB的RAM、兩個(gè)內(nèi)置16位定時(shí)器、一個(gè)8通道快速12位的位A/D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)通用串行同步/異步通信接口USART。低電壓范圍為1.8～3.6 V，待機(jī)狀態(tài)耗電僅為1.6 μA，并具有5種省電模式，允許中斷事件切換省電模式，很適合應(yīng)用于電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合[5]。

nRF2401為Nordic公司生產(chǎn)的射頻收發(fā)芯片，此芯片用于2.4～2.5 GHz ISM波段，內(nèi)部由頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制解調(diào)模塊組成。輸出功率、信道頻率和協(xié)議都可以很容易地通過(guò)一個(gè)SPI口進(jìn)行編程。電流的消耗非常低，在輸出功率為－6 dBm時(shí)只有9 mA，在接收模式只有12.3 mA，內(nèi)建的低功耗與休眠模式可以大大減少功耗。它采用GFSK調(diào)制，在ISM頻段內(nèi)可設(shè)置126個(gè)信道，空中數(shù)據(jù)速率最高可達(dá) 2 Mb/s， 并且可以選擇 0、－6、－12、－18 dBm 其中之一作為輸出功率[6]。

1.1 單片機(jī)電路

單片機(jī)MSP430F147接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。其外圍電路包括晶振電路、復(fù)位電路和JTAG電路。MSP430F147的第 12引腳 P1.0，第 13引腳 P1.1，第 14引腳 P1.2，第 15引腳P1.3，第 16引腳 P1.4，第 17引腳 P1.5，第 18引腳 P1.6，第 19引腳P1.7，第20引腳P2.0分別與nRF2401的第8引腳DATA，第 7引腳 CLK1，第 6引腳 DR1，第 5引腳 CS，第 4引腳 DOUT2，第 3引腳 CLK2，第 2引腳 DR2，第 1引腳 CE，第23引腳PWR_UP相連。

圖2 MSP430F147接口電路Fig.2 MSP430F147 interface circuit

1.2 nRF2401接口電路

nRF2401接口電路如圖3所示。nRF2401的外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需少量的外圍元件。其第11、12引腳外接16 MHz的晶振為其提供所需的工作時(shí)鐘，使用外置SMA天線(xiàn)，無(wú)線(xiàn)傳輸距離在100 m左右，滿(mǎn)足實(shí)際要求。nRF2401的DR2、CLK2、DOUT2、CS、DRl、CLKl、DATA、 PWR_UP 引 腳 和 單 片機(jī)MSP430F147的P1口、P2.0引腳相連。其中，nRF2401通過(guò)DATA、CLKl、CS 引腳和 MSP430F147 單 片 機(jī) 進(jìn) 行 通信 ，由PWR_UP、CE和CS這3個(gè)引腳配置4種工作方式。

1.3 傳感器電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司的SHT21S，SHT21S溫濕度傳感器將敏感元件、標(biāo)定存儲(chǔ)器和數(shù)字接口集成在3×3 mm的襯底上，此外，傳感器還提供電子的識(shí)別跟蹤信息。除敏感元件部分，傳感器外表采用包覆成型，可以減少傳感器受外界因素如老化，震動(dòng)，揮發(fā)性化學(xué)氣體的影響，保證其具有良好的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)由SDA線(xiàn)輸出。溫度和濕度的測(cè)量可通過(guò)拉高或拉低 SCL來(lái)切換，當(dāng)SCL為高電平時(shí)進(jìn)行濕度的測(cè)量；SCL為低電平時(shí)進(jìn)行溫度的測(cè)量。SHT21S全量程標(biāo)定，兩線(xiàn)數(shù)字接口，可與單片機(jī)直接相連，外圍電路極其簡(jiǎn)單。傳感器電路如圖4所示。

圖3 nRF2401接口電路Fig.3 nRF2401 interface circuit

圖4 傳感器電路Fig.4 Sensor circuit

1.4 電量檢測(cè)與報(bào)警

由于標(biāo)簽使用紐扣電池供電，為了保證標(biāo)簽的正常工作，有必要定時(shí)檢測(cè)電池電壓是否過(guò)低，如若電池電壓過(guò)低，通過(guò)聲光報(bào)警來(lái)提醒用戶(hù)及時(shí)更換電池。本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器的A0通道即第59引腳P6.0/A0對(duì)電池電壓進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，MSP430F147采用內(nèi)部參考電平，程序中設(shè)定好報(bào)警的閥值電壓，當(dāng)電池電壓低于閥值電壓時(shí)便發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是在MSP430系列單片機(jī)配套的開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的C代碼程序，采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件編程的基本思路是：首先完成控制單元的初始化、各種參數(shù)配置、nRF2401控制端口初始化及各外圍模塊配置和初始化等；然后開(kāi)啟接收機(jī)，運(yùn)行任務(wù)程序，以實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。另外主程序模塊中還應(yīng)包括對(duì)系統(tǒng)外部電壓檢測(cè)、聲光報(bào)警等以及系統(tǒng)中斷和記錄存儲(chǔ)等。

傳感標(biāo)簽平時(shí)處于休眠方式，收到讀寫(xiě)器命令后喚醒其內(nèi)部的微處理器，啟動(dòng)傳感器進(jìn)行測(cè)量。下面主要介紹nRF2401操作流程。nRF2401具有4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)斷模式，由PWR_UP、CE和CS這3個(gè)引腳信號(hào)決定，工作模式與引腳信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示。本設(shè)計(jì)采用ShockBurstTM收發(fā)模式，在此模式下，nRF2401自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⒖刂破魉腿耄咚傧蛲獍l(fā)射。對(duì)nRF2401的操作主要是配置其工作方式和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，所有配置命令字和數(shù)據(jù)都是通過(guò)CLK和DATA兩個(gè)引腳完成的。使用nRF2401進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用以下的步驟：1）置位CE，使能nRF2401；2）向nRF2401寫(xiě)入接收機(jī)的地址以及要傳送的數(shù)據(jù)；3）復(fù)位CE，激發(fā)nRF2401進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射。而接收端依照以下流程進(jìn)行數(shù)據(jù)接收：1）配置本機(jī)地址和即將接收的數(shù)據(jù)包大小；2）CE 置位，進(jìn)入接收狀態(tài)；3）等待 202 μs后，nRF2401 進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來(lái)；4）當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包時(shí)，nRF2401自動(dòng)除去字頭、地址和CRC；5）nRF2401置位DR1；6）MSP430F147把數(shù)據(jù)從nRF2401逐位移出；7）所有數(shù)據(jù)移完，nRF2401把DR1置低，此時(shí)如果CE為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果CE為低，程序返回。

表1 nRF2401工作模式與引腳信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Relations of the work mode and the pin signal about the nRF2401

3 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用單片機(jī)MSP430F147和射頻芯片nRF2401設(shè)計(jì)了一種低功耗智能傳感標(biāo)簽，電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、體積小、功耗低。與一般標(biāo)簽相比，本設(shè)計(jì)標(biāo)簽?zāi)軌蚨〞r(shí)智能感知外界的溫度、濕度信息并進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，方便各種環(huán)境中的溫濕度的數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用廣泛。

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