低功耗RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)化*

程小輝，魏 力

（桂林理工大學，廣西 桂林 541004）

在工業(yè)生產(chǎn)中，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供了信息和手段,成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的部分。與傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有靈活、輕便、工作范圍大，環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)勢[1],解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在一些特殊的環(huán)境中布線難的問題。無線采集模塊的供電和能耗一直是整個系統(tǒng)設(shè)計的重點。在電池供電的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的能耗決定整個系統(tǒng)的工作時間長度，電池的更換頻率直接關(guān)系著整個系統(tǒng)的維護成本。在以收集自然能源的無源系統(tǒng)中，更低的功耗能減少無源電源的設(shè)計難度。因此，降低無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點的能耗是整個系統(tǒng)設(shè)計的首要問題之一。

1 系統(tǒng)的優(yōu)化方向和方案

1.1 系統(tǒng)的優(yōu)化方向

無線數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分為樹形網(wǎng)絡(luò)、星形網(wǎng)絡(luò)和對等網(wǎng)絡(luò)三種，其中樹形網(wǎng)絡(luò)和星形網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用比較廣泛。在這兩種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊是非簇頭節(jié)點。這類節(jié)點受供電模塊約束較為嚴重，因此，在實現(xiàn)功能的前提下硬件設(shè)計要盡可能采用低功耗元件和簡潔的電路，以達到降低功耗的要求。在無線通信平臺已經(jīng)確定的情況下，電路設(shè)計相對固定，硬件上的優(yōu)化空間較小。

數(shù)據(jù)閱讀器這類簇頭節(jié)點的設(shè)計受功耗的限制相對較小，將整個系統(tǒng)的優(yōu)化重點放在數(shù)據(jù)收集節(jié)點的通信方式上相對較容易。將整個數(shù)據(jù)采集過程中的大部分工作盡可能多地安排在簇頭節(jié)點，減少終端節(jié)點的通信工作時間是整體設(shè)計的優(yōu)化方向。

1.2 優(yōu)化方案

輪詢是系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的常用方法。在無線網(wǎng)絡(luò)中，非簇頭節(jié)點受到功耗的限制，除上傳數(shù)據(jù)以外，其他時間都會處于休眠狀態(tài)。為了保證握手與通信成功，簇頭節(jié)點會增加通信范圍內(nèi)的每個終端節(jié)點的詢問次數(shù)，導致停留在單節(jié)點的時間變長。假設(shè)采集節(jié)點A和F在某一時刻同時喚醒，傳統(tǒng)輪詢機制在A點上傳數(shù)據(jù)完成后，F(xiàn)點需要歷經(jīng) B、C、D、E 4個節(jié)點的輪詢時間才能進行通信。將系統(tǒng)對終端節(jié)點的輪詢和數(shù)據(jù)傳輸功能分離，輪詢節(jié)點時發(fā)現(xiàn)某一節(jié)點需要進行通信，將該節(jié)點信息通知數(shù)據(jù)采集的模塊，負責數(shù)據(jù)采集的模塊收到信息后,立即與該節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。簇頭節(jié)點在進行數(shù)據(jù)通信的同時,也進行著輪詢。若在A節(jié)點數(shù)據(jù)通信完成之前，輪詢已發(fā)現(xiàn)F節(jié)點數(shù)據(jù)需要傳輸，則系統(tǒng)在完成A節(jié)點的數(shù)據(jù)交換后，會立刻進行F節(jié)點的通信。這種通信設(shè)計方式將提高閱讀器找尋工作狀態(tài)設(shè)備節(jié)點的效率[2]。尤其在系統(tǒng)中存在數(shù)據(jù)量較大的單節(jié)點時，優(yōu)勢會更加明顯。

2 實驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)如圖1所示,分為無線模塊、控制芯片、Flash存儲、對基模塊及串口數(shù)據(jù)輸出5個部分。時基模塊用來測量無線模塊工作時間，控制芯片通過脈沖信號鎖定起始時刻和終止時刻，將時間數(shù)據(jù)讀出并存入Flash中。Flash中的實驗數(shù)據(jù)通過串口上傳給電腦。

圖1 采集終端結(jié)構(gòu)

時基模塊能給多個采集終端提供分辨率為1μs的時間基準信息。時基模塊由硬件邏輯完成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，TIME_LOCK信號的下降和上升沿鎖存時間點，其他信號為CPLD與控制芯片的通信接口。

2.2 數(shù)據(jù)閱讀器

數(shù)據(jù)閱讀器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計使用了雙通信模塊來實現(xiàn)輪詢和數(shù)據(jù)接收的分離,輪詢和數(shù)據(jù)接收分別工作在兩個不同的無線信道上。通信模塊1使用CH1信道進行握手，通信模塊2使用CH2信道接收數(shù)據(jù)。公共存儲區(qū)域用于存放輪詢到的節(jié)點信息，2個通信模塊均能對該區(qū)域存儲的數(shù)據(jù)進行修改和讀取。

圖3 數(shù)據(jù)閱讀器結(jié)構(gòu)

2.3 NRF24L01無線模塊

NRF24L01是挪威NORDIC公司生產(chǎn)的一款低成本，工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段的射頻收發(fā)芯片[3]。芯片的操作和數(shù)據(jù)讀寫通過SPI完成。接收模式下，芯片可以同時接收相同信道下6個不同地址的信息。NRF24L01常用模式的工作電流為：(1)發(fā)射模式,功率為 0 dBm時,工作電流為 11.3 mA；(2)接收模式,速率為 2 000 kb/s，工作電流為12.3 mA；(3)Standby-I模式，工作電流為 32μA；(4)Power_down模式，工作電流為900 nA。芯片自帶的增強型ShockBurstTM模式使執(zhí)行雙向鏈接協(xié)議更為容易、有效，從而保證數(shù)據(jù)發(fā)送可靠性的同時，降低功耗,實現(xiàn)在-6 dBm功率下發(fā)送數(shù)據(jù)，平均工作電流可以減小到0.05 mA。

3 程序設(shè)計和細節(jié)優(yōu)化

3.1 程序設(shè)計

數(shù)據(jù)閱讀器模塊1、模塊2的程序流程如圖4所示。模塊1完成初始化后，使用信道CH1進行輪詢操作，收到握手信號后，將記錄終端編號，刷新公共存儲區(qū)數(shù)據(jù)。模塊2使用信道CH2收集數(shù)據(jù)，控制芯片不斷循環(huán)檢測公共存儲區(qū)的數(shù)據(jù)更新。發(fā)現(xiàn)更新后將數(shù)據(jù)讀入，根據(jù)終端編號設(shè)置無線模塊的地址，并完成握手、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)校驗。

數(shù)據(jù)采集終端的程序流程如圖5所示，開機后控制芯片從內(nèi)部集成的Flash中讀出機器的無線地址，上傳數(shù)據(jù)時間間隔及數(shù)據(jù)長度等系統(tǒng)參數(shù)，完成對無線模塊和定時器的初始化。主程序中控制芯片不斷對時間標志進行檢查，上傳數(shù)據(jù)時間到達，激活時基模塊開始計時，使用CH1信道發(fā)送握手信號。當信號發(fā)送成功后，轉(zhuǎn)換使用CH2信道等待握手，握手成功后發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送完成后，結(jié)束計時，從時基模塊中讀取時間數(shù)據(jù)并存儲到Flash中。主程序?qū)S232口進行監(jiān)視，檢測PC機的指令。

為方便對實驗的監(jiān)控,在PC機上針對實驗平臺設(shè)計了控制軟件，軟件使用Delphi編譯環(huán)境完成。PC機可以通過該軟件對采集終端、數(shù)據(jù)閱讀器進行監(jiān)控，完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及對上傳的時間數(shù)據(jù)進行分析。

3.2 細節(jié)優(yōu)化

從NRF24L01無線模塊的工作模式電氣參數(shù)可知，發(fā)射模式的功耗比接收模式低很多,因此數(shù)據(jù)采集終端采用主動呼叫握手[4]方式進一步降低功耗。數(shù)據(jù)閱讀器的輪詢模塊一次可同時監(jiān)視6個終端的握手信號，縮小了輪詢周期，減少了終端的握手等待時間。在程序設(shè)計方面，合理性設(shè)計無線模塊每個單位數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔長度、系統(tǒng)睡眠和喚醒、優(yōu)化系統(tǒng)時鐘和工作時序、精簡指令[5]都是降低設(shè)備功耗的有效方法。

圖4 數(shù)據(jù)閱讀器程序流程

圖5 數(shù)據(jù)采集終端程序流程

4 實驗設(shè)計和實驗結(jié)果

4.1 實驗設(shè)計

實驗僅為驗證優(yōu)化方案能否達到縮短采集終端工作時間的效果。實驗平臺采用51單片機作為數(shù)據(jù)閱讀器和數(shù)據(jù)采集器的控制芯片，一塊CycloneII的FPGA核心板作為時基模塊給數(shù)據(jù)采集終端提供時間測量。

實驗中的數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點為24個,其中5個為實物節(jié)點，其他為虛節(jié)點。實驗完成了兩組測試，一組采用傳統(tǒng)的輪詢方式，另一組采用優(yōu)化后的輪詢方式，兩次實驗對其中3個實物節(jié)點的工作時間數(shù)據(jù)進行分析比較。

實驗中設(shè)備的高層通信協(xié)議如圖6所示，其中幀參數(shù)包括幀長度及幀校驗信息，校驗方式為和校驗。NRF24L01模塊通信設(shè)置為自動應(yīng)答方式，啟動自動重發(fā)功能。數(shù)據(jù)重載次數(shù)為10次，重發(fā)時間間隔為(250+86)μs。

圖6 通信協(xié)議

經(jīng)實驗測量，無線模塊一次性成功發(fā)送一單位幀(4 B)的時間為 880μs左右，單位幀發(fā)送失敗耗時(MAX_TR時間)約為5.65 ms。由此確定單位幀的發(fā)送耗時范圍是880μs～5.65 ms。根據(jù)單位幀的發(fā)送時間，將輪詢分配給每個設(shè)備的握手等待時間設(shè)置為20 ms。數(shù)據(jù)采集終端的上傳時間間隔設(shè)置為3 s，每次上傳數(shù)據(jù)長度為40 B。

4.2 實驗結(jié)果

兩次實驗的結(jié)果如表1、表2所示。實驗數(shù)據(jù)表明,本文提出的優(yōu)化方法降低了無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中非簇頭節(jié)點的工作時間，減少了模塊的功耗。

表1 傳統(tǒng)輪詢

表2 優(yōu)化輪詢

[1]趙吉清,易靈芝,王根平.無線觸發(fā)喚醒的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2007，15(8):110-112.

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[5]曾勇,楊濤,馮月暉.基于 nRF24L01的超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,34(7):45-48.