物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下Rn運(yùn)移機(jī)制實(shí)驗(yàn)裝置的智能射頻感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡思靜

（福建工程學(xué)院，福州 350118）

0 引言

氡氣是一種放射性氣體，可以作為示蹤劑，在地質(zhì)勘探等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。針對(duì)Rn的運(yùn)移機(jī)制研究具有極高的理論價(jià)值和廣泛的社會(huì)意義,在自然條件下的Rn檢測(cè)研究無法揭示Rn運(yùn)移的內(nèi)部機(jī)制，因此，進(jìn)行Rn運(yùn)移機(jī)制的理想狀態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)對(duì)Rn自身運(yùn)移機(jī)制研究（Rn-He團(tuán)簇理論）具有重要意義。傳統(tǒng)的Rn運(yùn)移實(shí)驗(yàn)裝置采用PVC管通過活性炭的范德華力進(jìn)行測(cè)試，該裝置可以克服濕度和壓力差的影響，但無法克服溫度差的影響。因此，在此基礎(chǔ)上，又提出了恒溫水循環(huán)系統(tǒng)[1]，在兩個(gè)嵌套的PVC管之間加入水循環(huán)系統(tǒng)以減小溫度差的影響。該裝置可以克服壓力差的作用，并減小了溫度差的影響，但其溫度差及濕度差無法量化，在理論模型研究中的修正系數(shù)無法精確控制。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其RFID、傳感技術(shù)在射氣應(yīng)用研究中有著無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。RFID是利用射頻信號(hào)進(jìn)行空間耦合，實(shí)現(xiàn)非接觸信息傳遞的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有高精度、遠(yuǎn)傳輸，可工作于惡劣條件下等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其非接觸的特性在射氣研究領(lǐng)域中有著優(yōu)越的安全性保障。與此同時(shí)，傳感技術(shù)對(duì)環(huán)境信息的感知能力為Rn運(yùn)移機(jī)制的環(huán)境參數(shù)量化提供了技術(shù)途徑。該課題的開展有效地將射頻傳感技術(shù)引入射氣研究，為IOT技術(shù)在射氣領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)概述

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由3部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

射頻傳感標(biāo)簽：采用活性鋼圈內(nèi)置于內(nèi)層PVC管壁，距離可調(diào)（通常與活性炭位置一致），紐扣電池供電。負(fù)責(zé)傳感器溫、濕度信息的獲取，并結(jié)合時(shí)間和地址編碼等信息，通過射頻方式與閱讀控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

閱讀控制器：負(fù)責(zé)射頻傳感標(biāo)簽與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

Rn運(yùn)移實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)（PC機(jī)）：通過串口接收閱讀控制器的數(shù)據(jù)信息，提供數(shù)據(jù)保存、處理等功能。

在已有的恒溫水循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入智能射頻感知模塊功能，裝置設(shè)計(jì)如圖2所示，di的長(zhǎng)度與活性炭放置距離一致（保證參數(shù)量化精度）。r

圖2 裝置設(shè)計(jì)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 射頻傳感標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)

射頻傳感標(biāo)簽由微處理器、溫濕度傳感模塊、射頻模塊和電源管理模塊組成。

微處理器：采用8051內(nèi)核，協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊工作，如溫濕度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，射頻收發(fā)模式調(diào)配等。

溫濕度傳感模塊：采用SHT75及外圍電路組成，目前常用的溫度傳感器普遍使用DS18B20，但其存在傳感器地址與安裝位置的固定映射關(guān)系，不便于維護(hù)和調(diào)配更換[2,3]。因此，系統(tǒng)采用SHT75模塊負(fù)責(zé)Rn運(yùn)移裝置的溫濕度檢測(cè)。

射頻模塊：采用nRF24L01+完成射頻傳感標(biāo)簽與閱讀控制器的通信[4～6]。模塊通過P0.0（1）腳進(jìn)行16和32MHz雙晶振設(shè)計(jì)，復(fù)用P0.2（3）腳為SPI接口，預(yù)留P0.4（5）腳為其他傳感器提供系統(tǒng)冗余復(fù)用，P0.6復(fù)用為串行數(shù)據(jù)通信端，采用ANT1(2)腳提供射頻輸出。

電源管理模塊：負(fù)責(zé)電路供電系統(tǒng)能源管理與補(bǔ)給。

2.2 閱讀控制器的硬件設(shè)計(jì)

閱讀控制器由MSP430F449,、nRF24L01+和外圍電路組成，交流供電。MCU通過SPI串口與nRF24L01+進(jìn)行通信，MSP430F449經(jīng)SPI串口對(duì)nRF24L01+進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫、寄存器設(shè)置等操作，通過nRF24L01+的CE端進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)控制操作。nRF24L01+采用增強(qiáng)型ShockBurst收發(fā)模式，閱讀控制器通過RS232與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 射頻標(biāo)簽的軟件設(shè)計(jì)

射頻標(biāo)簽負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及射頻數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)采用模塊化軟構(gòu)件設(shè)計(jì)，其核心模塊是射頻數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.1.1 射頻工作流程狀態(tài)分析

標(biāo)簽的射頻收發(fā)模塊采用nRF24L01+的增強(qiáng)型ShockBurst模式，nRF24L01+提供4種工作模式調(diào)配[4]，在復(fù)位時(shí)序結(jié)束后進(jìn)入Power Down模式，進(jìn)行Power Down模式時(shí)，MCU可以通過SPI和RFCON寄存器對(duì)其進(jìn)行控制。

圖3 模塊發(fā)送流程圖

3.1.2 射頻模塊功能實(shí)現(xiàn)

射頻模塊負(fù)責(zé)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，是軟構(gòu)件模塊的核心功能。設(shè)計(jì)采用軟件工程的設(shè)計(jì)思路，設(shè)置為增強(qiáng)型ShockBurst收發(fā)模式，提供0-32字節(jié)的DPL數(shù)據(jù)包，MCU使用R_RX_PL_WID指令讀取數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，采用CRC錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，射頻發(fā)送狀態(tài)工作流程如圖3所示。部分代碼如下：

圖4 nRF24L01射頻模塊接收流程圖

3.2 閱讀控制器的軟件設(shè)計(jì)

閱讀控制器的射頻收發(fā)模式采用了和標(biāo)簽一樣的nRF24L01+芯片，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化軟構(gòu)件設(shè)計(jì)，通過模塊復(fù)用可以節(jié)省大量的開發(fā)資源，模塊的接收模式流程如圖4所示。與射頻傳感標(biāo)簽的不同之處在于閱讀控制器的多路接收功能，設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于多路接收和防碰撞功能實(shí)現(xiàn)。在接收模式下，閱讀控制器的接收模塊采用MultiCeiver功能連接多個(gè)并行數(shù)據(jù)通道。

表1 MultiCeiver接收地址表

1）閱讀控制器的MultiCeiver設(shè)計(jì)

設(shè)模塊配置為PRX可以在一個(gè)RF頻率通道下接收6路不同的數(shù)據(jù)通道，如表1所示，每路數(shù)據(jù)通道都采用增強(qiáng)型ShockBurst模式，且數(shù)據(jù)通道地址唯一，可配置完成不同的功能。在物理的RF通道中，每個(gè)物理地址由射頻模塊進(jìn)行解碼。

2）防碰撞設(shè)計(jì)

模塊設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮射頻傳感標(biāo)簽之間，以及與閱讀控制器之間的通信沖突問題，其主流算法有ALDHA、隨即Q值和二叉樹法等。本設(shè)計(jì)射頻傳感標(biāo)簽采用多點(diǎn)分布，且分布范圍規(guī)整統(tǒng)一，設(shè)計(jì)將根據(jù)地址匹配完成通信。本設(shè)計(jì)的防碰撞算法如圖5所示。

圖5 防碰撞算法示意圖

4 測(cè)試

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，測(cè)試距離為：在室內(nèi)30m、室外63m內(nèi)的多點(diǎn)位置。溫度檢測(cè)范圍：-40℃～+123℃，分辨率：0.01℃～0.04℃；濕度檢測(cè)范圍：0%RH～100%RH，分辨率：0.03%RH～0.5%RH。經(jīng)測(cè)試：數(shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)裝置的溫度測(cè)量誤差小于±0.5℃，相對(duì)濕度測(cè)量誤差小于±1.9%RH，達(dá)到了預(yù)期性能指標(biāo)。

5 結(jié)論

通過本設(shè)計(jì)得出以下結(jié)論：

1）將具有目標(biāo)身份信息獲取的RFID技術(shù)與環(huán)境信息感知能力的傳感技術(shù)相結(jié)合，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要研究課題之一，這一技術(shù)在射氣檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用中切實(shí)可行，且具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

2）nRF24LE01芯片的穩(wěn)定傳輸滿足現(xiàn)階段裝置設(shè)計(jì)需求，通過MultiCeiver和防碰撞算法設(shè)計(jì)，完成了靈活、高效的方案設(shè)計(jì)。

3）溫濕度一體化傳感器SHT75提供了穩(wěn)定的環(huán)境信息參數(shù)，并結(jié)合系統(tǒng)端口冗余復(fù)用設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以根據(jù)射氣研究的不同需求進(jìn)行多傳感功能設(shè)計(jì)，為射氣研究提供全面服務(wù)。

本課題有很大的研究空間，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，今后的研究方向可以結(jié)合PFGA技術(shù)進(jìn)行尺寸更小、穩(wěn)定性更高、功能更全面的射頻傳感標(biāo)簽設(shè)計(jì)，甚至實(shí)現(xiàn)Smart Dust在射氣領(lǐng)域的應(yīng)用。

[1] 樂仁昌,何志杰,盧宇,等.氡及其子體水平擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量研究.核技術(shù)[J].2010,33(3)L:219-222.

[2] 趙軒,馬建,曹仁磊,史駿.基于n RF24L01的無線式模型車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng).科技導(dǎo)報(bào)[J].2010,28(2):63-66.

[3] 藍(lán)會(huì)立,羅功坤,廖鳳依,馮平.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的煙葉發(fā)酵溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制,計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制[J].2013,21(4):910-912.

[4] 劉廣偉,毛陸虹,門春雷.一種有源血氧傳感標(biāo)簽設(shè)計(jì),傳感器與微系統(tǒng)[J].2013, 32(3):113-116.

[5] 余瑞馳,苗澎,尹曉偉,張繼,高軒,陶于陽(yáng).一種低功耗有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 現(xiàn)代雷達(dá)[J].2012,34(12):12-15,19.

[6] 李才光,裴正憲,蔣洪波.基于nRF24L01的無線心音遙測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué).2013,40(8):59-62.