RFID閱讀器與WSN節(jié)點的低功耗集成設計

張 熠，劉峰寧，曹 林

(1．南京郵電大學電子科學與工程學院，江蘇南京 210003；2．南京郵電大學通達學院，江蘇揚州 225127)

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RFID閱讀器與WSN節(jié)點的低功耗集成設計

張 熠1,2，劉峰寧1，曹 林2

(1．南京郵電大學電子科學與工程學院，江蘇南京 210003；2．南京郵電大學通達學院，江蘇揚州 225127)

WSN(無線傳感器網絡)與RFID(射頻識別)技術具有很多共同應用領域，二者的融合有利于提高系統(tǒng)的功能與性能。WSN節(jié)點與RFID閱讀器集成是WSN與RFID系統(tǒng)融合的一種重要方式。文中設計了一種可讀寫ISO/IEC 14443A標準RFID標簽的WSN節(jié)點，分析了系統(tǒng)功耗的構成，從硬件電路和系統(tǒng)運行方面說明了低功耗實現策略，并進行了測試，結果表明該系統(tǒng)達到低功耗應用要求。

WSN節(jié)點；RFID閱讀器；集成；低功耗策略；ISO/IEC 14443A標準

0 引言

WSN和RFID技術具有很多共同的應用領域和場合，如制造業(yè)的設備監(jiān)控、物流業(yè)中貨物存放與運輸管理、醫(yī)療行業(yè)的藥品器材管理與新生兒防盜、軍事領域的槍械管理。具體應用中通常采用獨立的WSN節(jié)點和RFID閱讀設備，在系統(tǒng)的配置、軟件設計以及能耗方面帶來不必要的開銷，不利于系統(tǒng)數據融合與提高管理效能，如將二者集成，可避免上述不足，使系統(tǒng)實施更為便利，減少現有系統(tǒng)軟件更改和升級工作，并節(jié)省能耗[1]。

1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)主要包括主控模塊、傳感器模塊、無線網絡射頻通信模塊、RFID讀寫模塊和電源管理模塊等部分，如圖1所示。WSN節(jié)點方案常見2種[2]，一種是基于集智能內核與射頻模塊于一體的SOC單片機，如CC2430或CC2530等；另一種是采用低功耗單片機+獨立射頻收發(fā)器的方式，如MSP430單片機+CC2520，本系統(tǒng)采用后者。原因是CC2430/CC2530N集成的8051內核的性能遠低于16位的MSP430，而功耗遠高于MSP430。傳感器模塊包括單線數字接口溫濕度傳感器SHT11、紅外感應傳感器等，A/D通道配置模擬傳感器信號調理電路。其中紅外傳感器可以用于用戶持RFID靠近時實時喚醒系統(tǒng)；RFID模塊采用ISO/IEC14443A標準RFID閱讀器芯片MFRC522；RTC模塊用于網絡節(jié)點的時鐘同步、標記數據采集及RFID讀寫時間、協同休眠、數據融合、時分多址接入等方面；電源模塊主要由電池和電源管理芯片構成，可監(jiān)控電池電量，保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，延長電池壽命。顯示模塊為可選配置，采用段式LCD模塊。

圖1 傳感器節(jié)點硬件框圖

2 低功耗設計策略

2．1 系統(tǒng)功耗構成與低功耗設計分析

目前數字集成電路都采用CMOS制造工藝，電路功耗主要由動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗和短路功耗組成[3]，靜態(tài)功耗是電路中無翻轉時，電流從電源經過阻性通路至地線而引起的功耗，主要由亞閾值電流和反偏結的漏電流引起，這部分功耗很小，可忽略不計；短路功耗是在翻轉過程中，PMOS和NMOS同時導通產生的從電源到地的短路電流引起的功耗，大多數數字電路短路功耗約占總功耗的5%～10%；動態(tài)功耗是當電路中有翻轉時，對負載電容充放電而引起的功耗，整個系統(tǒng)功耗的主要組成部分，約占整體功耗的90%以上[3]。

常用式(1)來表示電路的動態(tài)功耗：

(1)

式中：CL為等效負載電容；VDD為工作電壓；α為翻轉概率，表示每個時鐘周期中電容充放電的平均次數；fCLK為時鐘頻率。

從式(1)可以看到如降低動態(tài)功耗，可以通過減小負載電容、降低電源電壓、降低翻轉概率和降低時鐘頻率來實現。

從集成電路低功耗優(yōu)化的角度，通常將優(yōu)化分4個層次，自底向上分別為電路版圖級、邏輯門級、寄存器級、系統(tǒng)級，各層次優(yōu)化行為對整體功耗影響的程度是逐漸增大的。如圖2所示。

圖2 功耗優(yōu)化層次與效率示意圖

文獻[4]給出了一般傳感器節(jié)點各部分能量消耗的情況，如圖3所示?？梢妭鞲衅鞴?jié)點的大部分能量消耗在無線通信上。RFID閱讀器與標簽之間的無線通信同樣消耗大量能量，因此盡可能減少通信是實現系統(tǒng)低功耗的必然措施。

圖3 傳感器節(jié)點功耗分布示意圖

基于以上幾點分析，本系統(tǒng)的低功耗設計采用以下幾方面策略：(1)首先進行合理的器件選型，盡可能采用功耗低的器件、具有休眠或掉電功能的集成器件；(2)系統(tǒng)工作電壓盡肯能降低或可調，工作頻率可調，以實現更低的動態(tài)功耗；(3)減少無線通信的數據量，縮短通信時間；(4)依據系統(tǒng)功能和QoS要求，深入優(yōu)化系統(tǒng)運行管理，減少系統(tǒng)正常工作時間，增加休眠時間。幾方面策略的重點在于系統(tǒng)的休眠喚醒機制與運行管理模式。

2．2 系統(tǒng)硬件電路的低功耗設計

基于前述策略，首先選擇主要器件時應滿足低功耗要求。本系統(tǒng)中處理器采用新一代超低功耗單片機MSP430F5969，該系列堪稱業(yè)界功耗最低，關斷電流僅為0．02 μA。其主要特點有：(1)程序及數據采用非易失鐵電存儲器FRAM，支持超低功耗高速寫入，可在4 ms 內可寫入64 kB數據，比Flash/EEPROM寫入速度快1 000倍以上，而寫入功耗不到其1%；(2)采用超低漏電(ULL)技術，具有7種軟件可選低功耗模式，運行功耗為100 μA/MHz，內置實時時鐘(RTC)待機功耗為450 nA；(3)采用EnergyTrace+ +技術，可進行實時能耗調試。EnergyTrace ++是全球第一個可為為每個外設實時分析功耗(電流分辨率低至5 nA)的調試技術，可控制功耗預算并優(yōu)化程序，以實現能耗最低的系統(tǒng)。MSP430F5969仍具有1．8～3．6 V寬工作電壓范圍，工作頻率高達16 MHz，可切換到32 kHz低頻時鐘以降低功耗；具有32位硬件乘法器、12位ADC等豐富外設，可視需要屏蔽外設以降低功耗。芯片的多個USCI接口可配置為SPI與MFRC522及CC2520相連[5]。

RFID閱讀器芯片采用MFRC522，2．5～3．6 V 電壓供電，支持ISO14443A標準，有效通訊距離達50 mm，芯片工作電流小于100 mA。其低功耗模式包含硬件掉電、軟件掉電和發(fā)送器掉電3種，硬件掉電時電流消耗5 μA，軟件掉電時消耗10 μA。發(fā)送器運行時典型電流60 mA，在RFID讀寫較為頻繁時，可使用發(fā)送器掉電以節(jié)省這部分功耗。

支持IEEE 802．15．4標準的無線收發(fā)芯片有多種，從性能、功耗、通信距離、通信頻段等方面綜合考慮，系統(tǒng)采用2．4 G射頻收發(fā)器CC2520，該芯片具有250 kbit/s數據速率DSSS基帶Modem，接收靈敏度-98 dBm，可編程輸出功率達+5 dBm；支持1．8～3．8 V電壓供電。具有數據包處理、數據緩沖、突發(fā)傳輸、數據加密、空閑通道評估、鏈接質量指示等資源，降低了主控制器的負載。其視線通信距離可達400 m，接收狀態(tài)電流18．5 mA(-50 dBm)、發(fā)送狀態(tài)25 mA(0 dBm)，休眠電流不到1 μA。

SHT11低功耗溫濕度一體傳感器采用兩線串行數字接口，可輸出全標定的溫濕度數據。測量時電流0．55 mA，在測量和通訊完成后，SHT11可自動轉入休眠模式，休眠電流僅有0．3 μA。C172型PIR熱釋電紅外傳感器外加透鏡TR230，具有體積小、功耗低、檢測距離遠等特點。

系統(tǒng)中PIR紅外傳感器調理電路具有輸出2路信號，接入MSP430FR5969 I/O口：一是數字輸出，單片機該引腳設為外部中斷口；另一路是模擬輸出，接單片機A/D通道，單片機可觀察模擬電平幅度。當模擬輸出電壓超過雙限比較器的門檻電壓后，數字輸出產生下降沿信號，喚醒單片機；單片機通過片內A/D轉換器讀取紅外傳感器模擬輸出電壓，根據電壓大小及上次讀寫RFID的時間選擇是否執(zhí)行讀寫RFID等操作，或采取合適的低功耗操作：如使MFRC522進入發(fā)送器掉電、軟掉電或硬掉電，在RFID讀寫頻繁時間段，以發(fā)送器掉電和軟掉電為主，操作較少或基本無操作時段，以硬掉電為主；處理器任務完成進入休眠狀態(tài)，直到下次紅外傳感器信號喚醒，或由RTC根據定時休眠時間喚醒。

2．3 系統(tǒng)供電管理

系統(tǒng)采用CR2450鋰錳電池供電，電壓3 V，容量550 mA·h(1 mA·h=3.6 C)；采用升壓型DC-DC變換器MAX859進行電源管理，使用電源管理芯片可控制系統(tǒng)電源，便于調整功耗，延長系統(tǒng)壽命。MAX859輸入電壓范圍0．8～6 V，輸出電壓在2．7～6．0 V之間可調，轉換效率大于85%，因此電池電量相對不足時仍能驅動該芯片。靜態(tài)工作電流為25 μA，關斷模式電流1 μA。

2．4 休眠與喚醒策略

系統(tǒng)運行層次的低功耗策略對整體功耗影響最為顯著，采用動態(tài)功耗管理(DPM)技術，在無任務相關事件發(fā)生時，使系統(tǒng)盡可能處于低能耗的休眠狀態(tài)。休眠狀態(tài)大量使用可能造成節(jié)點實時性及整個網絡的QoS降低，系統(tǒng)運行管理是在二者之間尋求平衡點。應依據系統(tǒng)功能與性能要求，在保證QoS的前提下，擬定合理的協同休眠與喚醒策略，通過系統(tǒng)軟件進行可靠實施。

本系統(tǒng)休眠與喚醒策略采用RTC喚醒與PIR紅外傳感器喚醒結合的方式，RTC喚醒時執(zhí)行任務并記錄任務發(fā)生頻率，進行休眠喚醒周期動態(tài)調整；紅外喚醒用于有RFID讀寫操作的時候。運行狀態(tài)轉換如圖4所示。

圖4 休眠喚醒示意圖

系統(tǒng)運行具有4種狀態(tài)：任務執(zhí)行、空閑狀態(tài)、淺度休眠以及深度休眠。休眠狀態(tài)分為深淺兩種模式，是依據MSP430FR5969、MFRC522、CC2520及傳感器等器件具有多種低功耗模式，激活的資源多少及功耗有不同。在本系統(tǒng)中將MSP430FR5969的LPM3、LPM4及MFRC522的軟掉電、CC2520的LPM1等的組合構成淺休眠模式，將MSP430FR5969的LPM3．5及MFRC522的硬掉電、CC2520的LPM2組合為深度休眠模式。在空閑狀態(tài)系統(tǒng)任務隊列為空，監(jiān)測到任務需求(過程①)轉入任務執(zhí)行狀態(tài)，帶負荷運行，如采集監(jiān)測數據及RFID信息并傳送至其它節(jié)點；任務完成后(過程②)回到空閑狀態(tài)；在任務較頻繁的時段，每次執(zhí)行完任務后在空閑狀態(tài)短暫停留轉入淺休眠狀態(tài)(過程③)，發(fā)生RTC喚醒返回空閑態(tài)(過程④)；在任務頻度較低階段，休眠喚醒周期較長，空閑狀態(tài)短暫運行進入深度休眠(過程⑥)，長時間處于深度休眠狀態(tài)，以盡量減少空閑監(jiān)聽造成的能量消耗，發(fā)生RTC喚醒事件返回空閑狀態(tài)(過程⑤)；在淺度、深度休眠狀態(tài)，如發(fā)生紅外傳感器喚醒，則轉入任務執(zhí)行狀態(tài)(過程⑦、⑨)，讀取RFID信息后保存至FRAM,然后返回原休眠狀態(tài)(過程⑧、⑩)，系統(tǒng)只在RTC喚醒時才將數據傳送至其他節(jié)點。

2．5 節(jié)點時鐘同步策略

RTC中斷喚醒方式的基礎是網絡內時間嚴格同步，使整個網絡中的節(jié)點協調完成任務。為此，各節(jié)點RTC維護一個絕對時間，通過3個方面實現同步：初始同步、周期性時鐘校準、時鐘漂移容錯。這種以絕對時間為基準的時間同步策略具有低復雜度、低開銷以及適應動態(tài)拓撲的優(yōu)點[6]。

(1)初始同步。先由遠程監(jiān)控端向簇首節(jié)點發(fā)送同步數據包，內含絕對時間，各簇首節(jié)點收到后將絕對時間寫入本地RTC，完成各簇首節(jié)點同步；然后簇首節(jié)點廣播同步消息，簇內節(jié)點接收消息，實現簇內節(jié)點時間同步。

(2)周期性時鐘自校準。每隔一定的工作周期(如24 h)，由遠程監(jiān)控端發(fā)布更新時間及偏差閾值，先對簇首RTC校準，再由簇首校準簇內傳感節(jié)點的RTC。主要用于消除時鐘漂移、時差累積造成的不同步，避免節(jié)點時隙交疊。

(3)時鐘漂移容錯。信道采用TDMA分配方式，為了防止不同節(jié)點在時間偏差時產生信號沖突，在節(jié)點周期發(fā)送數據時段和不同節(jié)點的工作時隙之間加保護時間，如圖5所示。在工作周期內具有同步時間時隙TSYN及各節(jié)點工作時隙T1，T2，…，Tn,節(jié)點工作時隙內包含數據采集時隙TACQUIRE、數據發(fā)送時隙TSEND及保護時間TPROTECT，保護時間用于提高系統(tǒng)對時鐘漂移的容錯能力。這種法使系統(tǒng)對時鐘漂移具備一定的容錯能力，減少了數據碰撞，從而減少了通信能耗。

圖5 信道時隙分配示意圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件除了通過子程序實現數據采集、無線網絡通信、RFID讀寫等功能，可靠實施低功耗策略是關鍵。利用MSP430FR5969的片內高速非易失FRAM，維護休眠喚醒參數表，并動態(tài)調整系統(tǒng)分時段休眠與工作周期；依據任務頻度實行同步淺度、深度休眠。節(jié)點主程序流程如圖6所示。在上電后首先初始化射頻模塊，然后初始化RFID閱讀器模塊、數據采集模塊及其他模塊。傳感節(jié)點在初始化完成以后開始接入WSN，接入成功后對RTC進行初始同步，由遠程監(jiān)控端發(fā)送休眠時間參數，保存至節(jié)點RFAM中，依據當前所處時段進入淺度或深度休眠。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

喚醒后工作流程圖如圖7所示，依據喚醒源是熱釋電傳感器C172或RTC，執(zhí)行不同的處理流程：C172喚醒主要用于查詢及讀取RFID信息，保存至FRAM，加入待處理隊列后返回休眠，因此只激活MFRC522；在RTC喚醒流程執(zhí)行常規(guī)任務，激活全部或大部分外設，由任務隊列取出任務逐一執(zhí)行，包括RTC絕對時間更新或自校準、傳感器數據采集、監(jiān)測數據及RFID信息傳送等。全部任務執(zhí)行完、隊列清空后返回休眠。從淺度休眠、深度休眠中喚醒后的處理主要區(qū)別在于激活外設、恢復現場以及重進入休眠的設置不同，執(zhí)行用戶與任務需求基本相同。

圖7 休眠喚醒程序流程圖

4 功耗測試

節(jié)點采用3．3 V電壓供電，MSP430FR5969采用8 MHz主時鐘，在關閉其他外設的情況下，對系統(tǒng)的各種操作如數據發(fā)送、接收、RFID讀寫等單獨進行了功耗測量：射頻通信頻率為2 447 MHz，發(fā)送數據輸出功率為1 dBm，測得平均電流為28．7 mA，接收狀態(tài)為23．4 mA；RFID讀寫操作平均電流為59．2 mA；溫濕度測量平均電流為2．3 mA；淺休眠狀態(tài)MCU采用LPM3模式，CC2520采用LPM1模式，RFID軟掉電，平均電流為0．19 mA；深度休眠狀態(tài)MCU采用LPM3．5模式，CC2520采用LPM2模式，RFID硬掉電，平均電流為0．052 mA。通過與芯片數據表給出的參數及有關文獻[7-8]的功耗測試數據比較可見，系統(tǒng)達到了低功耗的預期目標。

節(jié)點投入實際運行的功耗及節(jié)點壽命將主要由業(yè)務量決定，差別可能極大。由于RFID讀寫操作電流遠大于其操作電流，只在PIR傳感器中斷喚醒系統(tǒng)時執(zhí)行RFID操作，可以避免RFID空閑檢測的大量能耗。

5 結束語

融合WSN與RFID技術可實現兼具目標識別和環(huán)境感知的高性能系統(tǒng)，RFID閱讀器與WSN節(jié)點的集成是兩種技術融合的方式之一。針對目前廣泛應用的ISO/IEC 14443 A標準的RFID技術，給出了RFID閱讀器與WSN節(jié)點的一體化設計，并從硬件設計和系統(tǒng)運行方面闡述了實現低功耗的策略，具有較強的實用性。

[1] ZHANG Y，YANG L T,CHEN J．RFID與傳感器網絡：架構、協議、安全與集成．謝志軍，譯．北京：機械工業(yè)出版社，2012．

[2] 魏春娟，楊俊杰，呂劍．一種低功耗無線傳感器網絡節(jié)點的設計．儀表技術與傳感器．2013(6):128-130．

[3] ROY K，PRASAD S C．Low-power CMOS VLSI circuit design．New York:Wiley Interscience Publication,2000．

[4] ESTRIN D．Wireless Sensor networks tutorial part IV:sensor network Protocols．Mobicom 2002,Atlanta,2002．

[5] Texas Instruments．MSP430FR59xx Mixed-Signal Microcontrollers [EB/OL]．(2014-08)[2014-09] http://www．ti．com/product/ msp430fr5957?qgpn=msp430fr5957．

[6] 嚴斌宇，劉戈，夏小鳳，等．無線傳感器網絡時鐘同步技術．計算機測量與控制，2009,17(6):1235-1238．

[7] 于凱，謝志軍，金光，等．低功耗無線傳感器網絡節(jié)點設計與實現．微電子學與計算機，2012,29(9):157-163．

[8] 張永梅，楊沖，馬禮，等．一種低功耗的無線傳感器網絡節(jié)點設計方法．計算機工程，2012，38(3):71-74．

Low-power Integration Design of RFID Reader and WSN Node

ZHANG Yi1,2,LIU Feng-ning1,CAO Lin2

(1．College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China; 2．Tongda College，Nanjing University of Posts and Telecommunications,Yangzhou 225127,China)

Wireless sensor networks (WSN) and RFID have many common application areas;merging these two technologies will expand their overall functionality and capacity．Integrating WSN nodes with RFID readers is an important mean to merge WSN and RFID technologies．A WSN node which can read/write RFID tags of ISO/IEC 14443A was designed．The composition of the node’s power consumption was analyzed and low-power strategies were discussed from the aspects of hardware design and system operation．The power consumption test shows that the system can meet the requirement of low power．

WSN node；RFID reader；integration；low-power strategies；ISO/IEC 14443A

南京郵電大學實驗室項目基金(2014XSG01，2013XSG03)；國家大學生創(chuàng)新訓練計劃(201410293006Z)

2014-09-25 收修改稿日期:2015-02-18

TP212．9

A

1002-1841(2015)07-0041-04

張熠(1970—)，講師，碩士，研究方向為測控技術與嵌入式系統(tǒng)應用。E-mail：yzhangnj@126．com