一種用于列檢場的低功耗有源RFID標簽設(shè)*

楊勇，殷紅，彭珍瑞，董海棠

(蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070)

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楊勇，殷紅，彭珍瑞，董海棠

(蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070)

摘要:在列車檢驗維修作業(yè)場中進行列檢人員定位時，需要布置大量的有源參考標簽，因此設(shè)計一個低功耗的定位系統(tǒng)符合實際應(yīng)用的需要。硬件微控制器模塊采用TI公司的MSP430F149單片機，標簽RF模塊采用nRF24L01，閱讀器通過USB線將定位數(shù)據(jù)傳輸至上位機。利用中斷延時程序，使標簽在休眠和工作狀態(tài)之間合理轉(zhuǎn)換，從而進一步降低系統(tǒng)的功耗。實驗測試表明，標簽處于收發(fā)模式時功耗為0.06 W，休眠模式時功耗約7.25 μW，有效延長了電池的使用壽命，符合低功耗標準。

關(guān)鍵詞:有源標簽；低功耗；MSP430F149；nRF24L01

引言

無線射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)是一種自動識別技術(shù)，它是利用射頻通信來實現(xiàn)非接觸式自動識別的。射頻標簽的優(yōu)勢在于信息存儲量大、可多次使用、工作壽命長等，并具有非接觸、讀寫速度快、移動識別、多標簽識別等特點[1]。

射頻識別標簽主要分為有源、無源和半有源標簽，有源標簽發(fā)射功率較低,與無源標簽相比識別距離更遠，信息傳遞更可靠。在列檢場中應(yīng)用RFID技術(shù)來實現(xiàn)列檢員的作業(yè)，從識別距離、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约笆褂脡勖纫蛩乜紤]，選用有源標簽進行信息采集更為可靠[4]。系統(tǒng)中需布置大量的有源參考標簽來輔助人員的定位，系統(tǒng)的功耗較大，需要經(jīng)常更換電池，因此，設(shè)計一種低功耗系統(tǒng)符合實際應(yīng)用的需求。

1低功耗設(shè)計的依據(jù)

低功耗設(shè)計主要是對器件的選擇和電路的設(shè)計。在器件選擇上，要盡量實現(xiàn)全CMOS化的硬件設(shè)計，在不影響電路正常運作的前提下確保電壓和頻率盡量低。CMOS器件的功耗由靜態(tài)和動態(tài)功耗組成：

P總=P靜+P動

P靜=VDDIDD

從上式可知，影響系統(tǒng)功耗的因素主要包括工作電壓、電路的時鐘頻率及電路總的負載電容。出于可控性因素考慮，低功耗設(shè)計的方法有兩種：一是盡可能降低工作電壓，二是使用低的時鐘頻率。

2硬件低功耗系統(tǒng)的設(shè)計

2.1RFID系統(tǒng)的工作原理

RFID系統(tǒng)由射頻信號接收轉(zhuǎn)發(fā)器(閱讀器)、射頻標簽和終端計算機三部分組成。RFID的工作原理是：閱讀器的內(nèi)置天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，一旦射頻標簽進入閱讀器的工作區(qū)域,就會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流并獲得能量,然后被激活，標簽隨后將其存儲的信息通過內(nèi)置天線發(fā)送給射頻信號接收器。閱讀器接收到來自射頻標簽的信號后，經(jīng)過內(nèi)部MCU解調(diào)和解碼后對數(shù)據(jù)信息進行分析處理。

本文設(shè)計的標簽采用微控制器MSP430F149，RF模塊選用nRF24L01芯片，閱讀器通過USB線將數(shù)據(jù)信息傳輸至終端計算機。系統(tǒng)硬件設(shè)計圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

2.2微控制器模塊

微控制器模塊選用TI公司的超低功耗單片機MSP430F149，其突出的優(yōu)點是工作電壓僅為1.8～3.6 V、超低功耗、具有多種功能[5-7]。一般來說，MSP430單片機運行在1 MHz時鐘條件下，最大工作電流僅為350 μA；具有易于控制的5種低功耗工作模式；隨工作模式和工作電壓不同，工作電流僅為0.1～70 μA。

低功耗模式1、2下雖然CPU停止工作，但外圍模塊仍繼續(xù)工作；低功耗模式3是時鐘開啟時的最低功耗模式，僅低頻時鐘處于運行狀態(tài)；低功耗模式4只保存RAM區(qū)數(shù)據(jù)，CPU只能通過I/O口外部中斷喚醒。所以在本設(shè)計中，標簽在非工作時段，CPU選擇LPM3低功耗休眠狀態(tài)，通過定時器中斷或比較器中斷將其喚醒，完成工作之后再次進入休眠狀態(tài)，CPU只在列檢作業(yè)時段工作，可有效減少功率消耗并延長供電電池壽命。微控制器的硬件原理圖略——編者注。

2.3RF收發(fā)模塊

射頻收發(fā)模塊選用nRF24L01，它是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用的ISM頻段的單片收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型Shock Burst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進行設(shè)置；它的工作電壓為1.9～3.6 V，發(fā)射功率為0 dBm，最大數(shù)據(jù)傳輸率為2 Mbps；發(fā)射模式下電流消耗為11.3 mA(0 dBm)，接收模式下電流消耗為12.3 mA(2 Mbps)，待機狀態(tài)下電流消耗為32 μA，掉電模式下電流消耗為0.9 μA。nRF24L01通信原理圖略——編者注。

2.4MCU模塊與RF模塊的連接

MSP430F149共有6個端口，其中P1和P2端口具有中斷功能，在沒有列檢員的情況下，射頻模塊處于休眠狀態(tài)，需通過中斷指令來喚醒。MSP43F149與nRF24L01端口連接的設(shè)置代碼如下：

//RF24L01_CE端口設(shè)置

#define RF24L01_CE_0P6OUT &=～BIT2

#define RF24L01_CE_1P6OUT |= BIT2

//RF24L01_CSN端口設(shè)置

#define RF24L01_CSN_0P6OUT &=～BIT3

#define RF24L01_CSN_1P6OUT |= BIT3

//RF24L01_SCK端口設(shè)置

#define RF24L01_SCK_0P6OUT &=～BIT4

#define RF24L01_SCK_1P6OUT |= BIT4

//RF24L01_MOSI端口設(shè)置

#define RF24L01_MOSI_0P6OUT &=～BIT5

#define RF24L01_MOSI_1P6OUT |= BIT5

//RF24L01_MISO端口設(shè)置

#define RF24L01_MISO_0P1OUT &=～BIT3

#define RF24L01_MISO_1P1OUT |= BIT3

//RF24L01_IRQ端口設(shè)置

#define RF24L01_IRQ_0P1OUT &=～BIT4

#define RF24L01_IRQ_1P1OUT |= BIT4

圖2為微控制器與射頻模塊的硬件連接原理圖。

2.5穩(wěn)壓電路模塊

本文設(shè)計的電壓轉(zhuǎn)換電路采用AMS1117-3.3及AMS1117-2.5芯片。AMS是一個低漏失電壓調(diào)整器，它的穩(wěn)壓調(diào)整管是由一個PNP驅(qū)動的NPN管組成，其內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，是電池供電系統(tǒng)的極佳選擇。為了確保穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定性，輸出需要連接一個至少22 μF的電容。一般而言，線性調(diào)整器的穩(wěn)定性隨著輸出電流的增加而降低。結(jié)合本文的實際應(yīng)用，采用極性電容和非極性電容并聯(lián)的方式，分別連接在芯片的輸入/輸出端，電容的作用是減小輸出電壓的紋波及抑制AMS1117的自激振蕩。圖3為穩(wěn)壓電路設(shè)計。

3軟件設(shè)計

3.1發(fā)送數(shù)據(jù)包格式

增強型Shock Burst 模式下的數(shù)據(jù)包格式如下所示:

前導(dǎo)碼地址(3～5字節(jié))標志位(9位)數(shù)據(jù)(1～32字節(jié))CRC校驗(0/1/2字節(jié))

前導(dǎo)碼用來檢測0和1，芯片在接收模式下去除前導(dǎo)碼，在發(fā)送模式下加入前導(dǎo)碼；地址內(nèi)容為接收機地址，寬度可以是3、4或5字節(jié)，地址可以對接收通道及發(fā)送通道分別進行配置；9位標志位，其中兩位用來當接收到新的數(shù)據(jù)包后加1，剩余7位保留，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在1～32字節(jié)范圍內(nèi)；CRC校驗是可選的，通常為0～2字節(jié)寬度。8位CRC校驗的多項式為X8+X2+X+1，16位CRC校驗的多項式為X16+X12+X5+1。

圖2　MSP430F149與nRF24L01硬件連接圖

圖3　穩(wěn)壓電路原理圖

3.2列檢工作流程

閱讀器和參考標簽安裝在列檢場的監(jiān)控節(jié)點之后，標簽處于休眠狀態(tài)。當列檢員進入作業(yè)場時，監(jiān)控節(jié)點上的閱讀器檢測到攜帶標簽的列檢員時，發(fā)送指令喚醒標簽使其處于工作模式[8]。在列檢員定位過程中,標簽不能也沒有必要一直處于收發(fā)模式，為此程序中定時器設(shè)置1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，既保證了定位效果，也能降低系統(tǒng)功耗。軟件設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4　軟件設(shè)計流程圖

3.3電壓轉(zhuǎn)換流程

閱讀器部分由USB連接PC供電，起始電壓為5 V的直流電，經(jīng)5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路，MSP430F149的工作電壓為3.3 V，標簽部分則使用了3.3 V紐扣電池供電。當沒有列檢員在作業(yè)場工作時,系統(tǒng)處于LPM3模式，當列檢員進入作業(yè)場時，閱讀器發(fā)送指令喚醒標簽，進入收發(fā)模式；同時，根據(jù)列檢作業(yè)強度來調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔，實現(xiàn)工作與休眠的動態(tài)控制。電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5　電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計流程圖

4實驗及結(jié)果分析

本次實驗分別測量標簽在收發(fā)狀態(tài)下、休眠狀態(tài)下以及系統(tǒng)掉電模式下的功耗。當有列檢員進入作業(yè)場時，閱讀器檢測到待測目標，發(fā)送指令喚醒標簽進入收發(fā)模式，經(jīng)實驗測量電流為18.2 mA；當列檢場沒有作業(yè)人員時，標簽進入休眠狀態(tài)，實驗測量電流為2.9 μA。根據(jù)列檢作業(yè)的工作安排及作業(yè)規(guī)律，當標簽處于收發(fā)模式時,系統(tǒng)的總功耗約為0.06 W，當標簽處于休眠模式時,系統(tǒng)功耗只有約7.25 μW，符合低功耗標準。各模塊實驗所測數(shù)據(jù)如表1所列。

結(jié)語

結(jié)合實際的應(yīng)用需求，設(shè)計了一種適用于列檢作業(yè)場的低功耗有源RFID標簽。采用TI公司的超低功耗微控制器MSP430F149，實驗所測數(shù)據(jù)及分析表明，系統(tǒng)的功耗較之前大大降低，符合低功耗標準。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

參考文獻

[1] 謝磊,殷亞鳳,陳曦.RFID數(shù)據(jù)管理:算法、協(xié)議與性能評測[J].計算機學報,2013,36(3):457-470.

[2] 張宗萬.列檢作業(yè)場對貨物列車人力制動機鏈故障應(yīng)急處理模式的探討[J].運用檢修,2013,51(7):41-43.

[3] 胡慶武.加強列檢作業(yè)現(xiàn)場控制信息化管理[J].上海鐵道科技,2007,2(2):112-114.

[4] 潘爵雨.基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].廣州:華南理工大學,2012.

[5] 魏小龍.MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[6] 孟海斌,張紅雨.LPC2142的低功耗有源RFID手持機設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011(4):48-51.

[7] 潘盛輝,郭毅鋒.基于MSP430F149的手持式RFID讀寫器的設(shè)計[J].內(nèi)蒙古大學學報:自然科學版,2010,41(3):346-350.

[8] ChuSung C,Chang H H,YuTing C,et al.Accurate location tracking based on active RFID for health and safety monitoring[C]//3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering.Beijing:IEEE Press,2009(3):1-4.

楊勇(碩士研究生)，研究方向為射頻識別技術(shù)及應(yīng)用、低功耗系統(tǒng)設(shè)計；殷紅(博士研究生)，研究方向為智能優(yōu)化、機械電子工程。

Yang Yong,Yin Hong,Peng Zhenrui,Dong Haitang

(School of Mechanical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：It is need to place lots of active RFID tags in the train inspection operation field to locate the train maintenance workers,so that a low-power consumption location system is according with the practical application.The MSP430F149 microcontroller is used as the hardware module of the MCU,the nRF24L01 chip is used as the tag’s RF module.The reader transmits the location data to the upper computer through the USB cable.The tag’s work mode transfers between dormant state and operative state reasonably by applying the interrupt latency programs,so the power consumption of the system is lower.The experimental results show that the total power consumption of the system is 0.06 W,the power consumption in the dormant state is 7.25 μW.It prolongs the life of the battery and accords with the standard of the low-power consumption.

Key words:active tag;low-power consumption;MSP430F149;nRF24L01

收稿日期：(責任編輯：薛士然2015-12-04)

中圖分類號:TP302.1

文獻標識碼:A

* 基金項目：甘肅省教育廳高等學校科研項目(2013A-049)；甘肅省高等學?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助(213054)；蘭州交通大學校青年基金(2013022)。