基于IEEE802.15.4低功耗有源電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

陶為戈

(江蘇技術(shù)師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，中國(guó) 常州 213001)

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[1]，通過(guò)空間耦合等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物品或人員等目標(biāo)對(duì)象在不同狀態(tài)環(huán)境下的自動(dòng)識(shí)別和管理．RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器兩部分構(gòu)成，按照電子標(biāo)簽供電方式的不同，可以把電子標(biāo)簽分為無(wú)源電子標(biāo)簽、有源電子標(biāo)簽和半有源電子標(biāo)簽．有源電子標(biāo)簽一般由電池進(jìn)行供電，電能充足，工作可靠，讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)，可廣泛應(yīng)用于物流、交通、醫(yī)療、身份識(shí)別、防偽、資產(chǎn)管理、定位等眾多應(yīng)用領(lǐng)域．

有源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)在于低功耗和防碰撞算法的實(shí)現(xiàn)[2]．文獻(xiàn)[2～8]等對(duì)有源電子標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)主要以微處理器為控制器、單片集成無(wú)線收發(fā)模塊為射頻前端，而防碰撞算法較多采用純ALOHA算法或改進(jìn)的ALOHA算法．這種微控制器加射頻模塊的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了有源電子標(biāo)簽遠(yuǎn)程識(shí)別功能，但功耗偏高，體積偏大，一般為只讀標(biāo)簽，且成本較高．另外，ALOHA算法在標(biāo)簽較多時(shí)沖突加劇[9]．本文介紹了一種基于MG245X片上系統(tǒng)和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的有源標(biāo)簽系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)硬件結(jié)構(gòu)、軟件工作模式、休眠時(shí)間選擇等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了有源電子標(biāo)簽低功耗和遠(yuǎn)距離讀寫(xiě)．

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 MG245X芯片

綜合考慮標(biāo)簽功耗、成本及實(shí)用性等因素，有源電子標(biāo)簽微控制器選用韓國(guó)RadioPulse公司的MG245X芯片[10-11]．MG245X提供一種完整的無(wú)線片上系統(tǒng)解決方案，適用于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee規(guī)范，特別適合智能家居控制、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品及電子標(biāo)簽應(yīng)用．MG245X包含一個(gè)帶有基帶調(diào)制解調(diào)器的射頻RF收發(fā)器、一個(gè)硬件媒體訪問(wèn)控制MAC、以及一個(gè)內(nèi)置可編程96 K程序存儲(chǔ)空間、8 K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的8051微控制器，另外還包含24個(gè)GPIO口及外圍器件，如定時(shí)器、雙UART口、ADC、內(nèi)嵌語(yǔ)音編解碼器、硬件加密等．芯片工作電源電壓1.9～3.6 V，內(nèi)核工作電壓1.5 V，深度休眠時(shí)電流小于0.3 μA．這種解決方案能夠提高產(chǎn)品性能并滿足以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)2.4 GHz的ISM頻段應(yīng)用，以及對(duì)低成本、低功耗的要求．MG245X系列芯片主要包括MG2450、MG2455、MG2450A和MG2455A四種芯片類型．基于MG2450芯片的AT-MR500模塊是由AAC公司開(kāi)發(fā)的系列表面貼形式郵票孔接口模塊產(chǎn)品之一，該系列模塊集成了所有的射頻組件和無(wú)線微控制器MG2450，體積僅為17.9×14.9×2.6 mm，貼片陶瓷天線，滿足有源電子標(biāo)簽低功耗、低成本、體積小巧的需求．

1.2 低功耗有源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)

圖1 低功耗有源電子標(biāo)簽電路原理圖

低功耗有源電子標(biāo)簽由AT-MR500模塊和外圍電路組成，原理圖如圖1所示．AT-MR500模塊發(fā)送功率-50 dBm至+8 dBm可調(diào)，接收靈敏度-98 dBm，支持PM1、PM2、PM3三種工作模式，其中PM2模式帶內(nèi)存休眠，喚醒重啟速度快，休眠電流小于1.7 μA，該模式為標(biāo)簽首選模式．外圍電路設(shè)計(jì)包括復(fù)位、供電、電壓監(jiān)測(cè)、震動(dòng)檢測(cè)、固件下載、狀態(tài)指示等電路，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景標(biāo)簽工作模式的選擇及低功耗節(jié)電要求．ISP為編程控制端，正常工作時(shí)ISP接低電平，AT-MR500上電自動(dòng)復(fù)位或按鍵復(fù)位，ISP與復(fù)位按鍵REST配合使用，經(jīng)P1_0、P1_1實(shí)現(xiàn)固件下載．

1.3 讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)

標(biāo)簽讀寫(xiě)器的功能是讀取標(biāo)簽ID等數(shù)據(jù)信息或發(fā)簽時(shí)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行參數(shù)配置．標(biāo)簽讀寫(xiě)器主要由AT-MR500模塊、UART接口與USB接口轉(zhuǎn)換芯片CP2102及其他外圍電路組成．標(biāo)簽讀寫(xiě)器可直接或通過(guò)USB延長(zhǎng)線插入PC機(jī)USB接口，采用USB供電模式，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與讀寫(xiě)器數(shù)據(jù)交換，該USB接口在PC端虛擬為串口．

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：標(biāo)簽軟件和讀寫(xiě)器軟件．軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil C51，在該平臺(tái)下對(duì)標(biāo)簽和讀寫(xiě)器進(jìn)行必要的軟、硬件參數(shù)配置．標(biāo)簽與讀寫(xiě)器都包含MG245X芯片，帶IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)硬件MAC，采用CSMA/CA機(jī)制有效地避免數(shù)據(jù)沖突[12]．CSMA/CA是指載波偵聽(tīng)、多路訪問(wèn)、沖突避免[13-14]．根據(jù)是否采用信標(biāo)，IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)分為非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)兩種．本系統(tǒng)采用非信標(biāo)模式，標(biāo)簽與讀寫(xiě)器使用CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道，執(zhí)行空閑信道評(píng)估(CCA)，若信道空閑則傳送數(shù)據(jù)，若信道忙則隨機(jī)退避一段時(shí)間重新執(zhí)行CCA．

標(biāo)簽與讀寫(xiě)器通信可選擇2.4 GHz ISM頻段上11～26共16個(gè)無(wú)線信道之一，數(shù)據(jù)速率250 kbit/s，標(biāo)簽ID等數(shù)據(jù)可AES硬件加密．密鑰、網(wǎng)絡(luò)ID、無(wú)線發(fā)送功率、休眠時(shí)間、標(biāo)簽工作模式、標(biāo)簽ID等參數(shù)在發(fā)簽時(shí)配置并寫(xiě)入標(biāo)簽的FLASH存儲(chǔ)器中．

2.1 標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)

標(biāo)簽程序流程圖如圖2所示．標(biāo)簽上電后首先執(zhí)行初始化工作，包括設(shè)置系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘、用戶硬件配置，接下來(lái)啟動(dòng)IEEE802.15.4協(xié)議棧，對(duì)ID及用戶數(shù)據(jù)加密，檢測(cè)電源電壓，若低于2 V，告警指示燈閃爍3 s后進(jìn)入休眠狀態(tài)；若大于2 V，由S1開(kāi)關(guān)選擇標(biāo)簽工作模式．在發(fā)簽?zāi)Ｊ较?，?dāng)收到來(lái)自讀寫(xiě)器的配置指令信息，解密后將其保存在FLASH存儲(chǔ)空間，其中0x1000～0x103F地址區(qū)間存儲(chǔ)了包括64 bit MAC地址、信道ID、PANID等硬件信息，0x1040～0x11FF區(qū)間存儲(chǔ)例如基本數(shù)據(jù)信息、休眠時(shí)間、用戶ID、密鑰等用戶數(shù)據(jù)信息；在非發(fā)簽?zāi)Ｊ较?，進(jìn)入休眠狀態(tài)后直至定時(shí)喚醒時(shí)間到或檢測(cè)到震動(dòng)退出休眠狀態(tài)(定時(shí)/震動(dòng)喚醒方式根據(jù)標(biāo)簽應(yīng)用場(chǎng)景配置)，主動(dòng)給讀寫(xiě)器發(fā)送ID信息密文．

2.2 讀寫(xiě)器軟件設(shè)計(jì)

讀寫(xiě)器程序流程圖如圖3所示．讀寫(xiě)器上電后首先執(zhí)行包括設(shè)置系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘、用戶硬件配置等初始化工作，然后啟動(dòng)IEEE802.15.4協(xié)議棧，進(jìn)行工作模式判別，模式由上位機(jī)指令決定．在發(fā)簽?zāi)Ｊ较?，?dāng)收到來(lái)自上位機(jī)的標(biāo)簽配置指令信息，AES加密后將其無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)給標(biāo)簽；在非發(fā)簽?zāi)Ｊ较拢羰盏綐?biāo)簽ID信息密文，則解密后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)．

圖2 標(biāo)簽程序流程圖

圖3 讀寫(xiě)器程序流程圖

3 標(biāo)簽休眠時(shí)間選擇

設(shè)標(biāo)簽單次休眠狀態(tài)時(shí)間為T(mén)S，休眠時(shí)電流為IS，單次激活狀態(tài)時(shí)間為T(mén)A，激活時(shí)(包括無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā))平均電流為IA，則標(biāo)簽一次休眠喚醒周期平均電流為

根據(jù)標(biāo)簽測(cè)試結(jié)果，PM2模式下IS=1.7 μA，數(shù)據(jù)速率250 kbit/s時(shí)TA=1.2 ms，發(fā)射功率+8 dBm時(shí)IA=45.1 mA，有效識(shí)別半徑大于60 m．分別采用容量3 V 210 mAh紐扣電池CR2032、3 V 550 mAh紐扣電池CR2450、兩節(jié)AA1.5 V 2 200 mAh堿性電池，在定時(shí)喚醒模式和不考慮電池漏電流的情況下，電池壽命與單次休眠時(shí)間TS之間的關(guān)系如圖4所示．

從圖4可以看出，隨單次休眠時(shí)間TS增加，電池使用壽命延長(zhǎng)．例如2 200 mAh電池TS=400 ms時(shí)，電池使用壽命不到2年，而TS=2 000 ms時(shí)，可以使用8年以上．

對(duì)于運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽或讀寫(xiě)器，設(shè)其運(yùn)動(dòng)速率為V，標(biāo)簽單次休眠時(shí)間為T(mén)S，識(shí)讀半徑為R，單次激活狀態(tài)時(shí)間為T(mén)A，為了保證對(duì)標(biāo)簽有效識(shí)讀，則貫穿識(shí)讀范圍必須滿足2R/V≤TS+TA．取TA=1.2 ms，R=60 m，標(biāo)簽或讀寫(xiě)器允許最大移動(dòng)速度與單次休眠時(shí)間TS之間的關(guān)系如圖5所示．從圖5可以看出，隨單次休眠時(shí)間TS增加，允許最大移動(dòng)速度降低．例如TS=2 000 ms時(shí)，最大移動(dòng)速度為60 m/s，而TS=4 000 ms時(shí)，最大移動(dòng)速度小于30 m/s．

圖4 電池使用壽命與休眠時(shí)間關(guān)系圖

圖5 最大移動(dòng)速度與休眠時(shí)間關(guān)系圖

鑒于上述原因，功耗與標(biāo)簽單次休眠時(shí)間有著非常直接的關(guān)系，在靜態(tài)或低速移動(dòng)情況下，可選擇較長(zhǎng)的單次休眠時(shí)間降低平均功耗；在高速移動(dòng)情況下，適當(dāng)減少單次休眠時(shí)間，保證標(biāo)簽有效識(shí)讀．

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和MG245X片上系統(tǒng)的2.4 GHz低功耗有源標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)行了軟硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)，CSMA/CA機(jī)制解決了標(biāo)簽碰撞性問(wèn)題，硬件AES加密保障標(biāo)簽信息安全，標(biāo)簽參數(shù)無(wú)線配置，最后討論了標(biāo)簽休眠時(shí)間對(duì)標(biāo)簽性能的影響．該標(biāo)簽具有低功耗、成低本、讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)容量大、可靠性高、體積小、使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于需要遠(yuǎn)距離識(shí)別且對(duì)功耗要求較敏感的應(yīng)用場(chǎng)合．

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