一種基于電梯監(jiān)測的無線射頻收發(fā)裝置設(shè)計

黃勤陸，黃鳳江，崔靜，趙爽

（1．成都紡織高等專科學(xué)校 電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731；2．成都艾希聯(lián)科技有限公司 四川 成都　610041）

一種基于電梯監(jiān)測的無線射頻收發(fā)裝置設(shè)計

黃勤陸1，黃鳳江2，崔靜1，趙爽1

（1．成都紡織高等?？茖W(xué)校 電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731；2．成都艾希聯(lián)科技有限公司 四川 成都610041）

傳統(tǒng)電梯運行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測采用有線方式，成本高、安裝、維護(hù)困難，為實現(xiàn)電梯監(jiān)測系統(tǒng)中轎廂與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的無線數(shù)據(jù)的可靠傳輸，文中提供一種2．4 GHz有源射頻無線收發(fā)裝置系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)硬件電路以NRF24L01+為核心，由功放和低噪放一體電路、濾波器、天線、抗干擾等電路組成，設(shè)計有發(fā)射和監(jiān)聽兩種模式。系統(tǒng)軟件按應(yīng)用層、OS層和硬件層進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和程序設(shè)計。產(chǎn)品經(jīng)過測試和小批量應(yīng)用表明該設(shè)計方案抗干擾能力強、功耗低、無線傳輸距離遠(yuǎn)、性能穩(wěn)定可靠、可制造性良好。

超高頻；射頻；RFID；2．4 GHz；NRF24L01+

電梯監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)控電梯運行狀況、保障人們乘坐電梯安全可靠的管理系統(tǒng)，系統(tǒng)監(jiān)測重點是電梯的轎廂運行狀態(tài)。轎廂在電梯井中上下頻繁運行，與電梯電氣控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理服務(wù)器進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，傳統(tǒng)方式的信息傳輸是采用電纜進(jìn)行的，存在安裝維護(hù)等諸多問題；RFID技術(shù)在電梯監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，采用無線通信方式，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量大、兼容好，具有施工、維護(hù)方便等優(yōu)點，得到了工程技術(shù)和管理人員的高度重視和采用。本文針對電梯井內(nèi)的無線傳輸方式，提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的2．4 GHz的射頻裝置設(shè)計方案，該方案采用射頻識別技術(shù)，按約定的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行信息交換和通信，實現(xiàn)電梯智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理［1］。RFID的在電梯監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用不但拓展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍、管理效率和實施速度，還改善了人們的生活質(zhì)量［2］。

該射頻識別裝置的基本工作原理是利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性，實現(xiàn)對靜止或移動物體的自動識別［3］。RFID系統(tǒng)按工作頻率分為低頻、高頻、超高頻（UHF）和微波系統(tǒng)［4］，本文所述裝置屬于超高頻，與低頻和高頻段技術(shù)相比，UHF頻段具有監(jiān)測識別距離遠(yuǎn)、讀取速度快方面的優(yōu)勢。

1　系統(tǒng)介紹

本電梯監(jiān)測系統(tǒng)中的2．4 GHz有源射頻無線收發(fā)裝置硬件系統(tǒng)由3大部分組成：上位機子系統(tǒng)、主控制器模塊、射頻收發(fā)裝置系統(tǒng)。上位機子系統(tǒng)主要由電腦、下載電纜、編程控制軟件構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)STM32F103初始化、數(shù)據(jù)編程和傳輸，以及對采集到的電梯運行數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計和維護(hù)管理工作。主控制器芯片STM32F103模塊是由內(nèi)核Cortex-M3構(gòu)成的基本系統(tǒng)，通過串行通信口實現(xiàn)與射頻收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)交換。射頻收發(fā)裝置主要由讀寫器和射頻卡構(gòu)成，讀寫器是RFID信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制中心，分為發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分包括載波發(fā)生、調(diào)制及驅(qū)動電路、濾波及功率放大電路；接收部分主要是接收解調(diào)電路，包括檢波、放大整形及解碼電路［5］；射頻卡收發(fā)器接收到讀寫器傳遞過來的信息后，將存儲在芯片中的產(chǎn)品信息進(jìn)行編碼，再通過卡內(nèi)置天線發(fā)送出去。該2．4 G射頻收發(fā)裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　一種2．4 GHz射頻收發(fā)裝置的系統(tǒng)框圖Fig．1　The system block diagram of a 2．4 GHz RF transceiver

如圖1所示，該系統(tǒng)裝置由數(shù)據(jù)連接器、GFSK射頻收發(fā)器、電子開關(guān)、功放模塊及電源、濾波器、瞬態(tài)抑制器、以及天線連接頭組成。射頻GFSK（高斯頻移鍵控）收發(fā)器用于數(shù)字信號和射頻信號之間的相互轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)連接器傳輸進(jìn)來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，并將該射頻信號傳輸至功放模塊，與數(shù)據(jù)連接器、功放模塊連接；還可將功放模塊傳輸進(jìn)入的射頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)連接器傳輸?shù)街骺貦C。功放模塊包括電子開關(guān)、功放和低噪放一體電路、濾波器、瞬態(tài)抑制器、天線連接頭和功放電源，作用是對射頻信號濾波處理和行功率放大，并將處理后的射頻信號傳輸至GFSK射頻收發(fā)器。數(shù)據(jù)連接器用于與主控器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互連接。電子開關(guān)與功放和低噪放一體電路相連接，用于功放和低噪放兩種模式的切換。

系統(tǒng)工作時，首先由主控電路模塊向射頻標(biāo)簽發(fā)送數(shù)字詢問信號，由射頻發(fā)射機將發(fā)送的詢問信號轉(zhuǎn)換成為射頻信號進(jìn)行發(fā)射。射頻標(biāo)簽接收到這個詢問信號后，會進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)答。射頻接收端接收到射頻標(biāo)簽的應(yīng)答的信號后，再轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號送給主控電路模塊進(jìn)行進(jìn)一步的處理［3］。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1GFSK射頻收發(fā)器設(shè)計

GFSK射頻收發(fā)器的電路圖如圖2所示。NRF24L01+為射頻收發(fā)器系統(tǒng)的核心，該芯片工作在2．4 GHz頻段，是一種超低功耗的無線收發(fā)集成芯片。芯片最大傳輸速率可達(dá)2 Mbps，125個頻點，可實現(xiàn)點對點或點對多點的無線傳輸通信［7］。

圖2　GFSK射頻收發(fā)器的電路圖Fig．2　The circuit diagram of GFSK RF transceiver

該射頻收發(fā)器由解調(diào)器、頻率發(fā)生器、功率放大器、模式控制器、晶體振蕩器等幾部分電路組成。系統(tǒng)電流消耗小，在發(fā)射模式下，電流消耗在發(fā)射功率為零分貝時只有10余毫安。接收模式下，電流消耗也只有12．3毫安。待機和停電模式下，系統(tǒng)的電流消耗就更少了。NRF24L01芯片引腳功能定義如下：CE為接收RX/發(fā)送TX模式選擇，3SCK為SPI時鐘，MOSI和MISO為SPI的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，CSN為SPI片選信號腳，天線接口通過ANT1和ANT2連接，晶體震蕩器連接到XC1和XC2腳，另外VDD為電源腳、IRQ為屏蔽中斷腳，DVDD為抗干擾去耦電路腳，VSS為芯片接地點。

STM32F103與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換通過SPI串行接口口實現(xiàn)，數(shù)據(jù)信息的交換速度可達(dá)10 Mbps。指令存儲在芯片讀寫寄存器中，CSN片選信號選擇后，通信指令才能進(jìn)行執(zhí)行。上位機發(fā)出的外部數(shù)字信號通過 U4的PIN2、PIN3、PIN4、PIN5管腳輸入，PIN1腳控制是發(fā)射模式和監(jiān)聽模式控制端，由X1組成的振蕩電路為U4提供工作時鐘；同時電源輸入端增加了電容去耦模塊。

天線RF輸出是通過ANT1和ANT2輸出腳實現(xiàn)，這兩個腳通過RF扼流圈或天線雙極的中心點連接到VDD的直流通路。裝置上電后，主控制器通過數(shù)據(jù)連接器對射頻收發(fā)器的發(fā)射功率、發(fā)射頻道、接收頻道、工作模式等參數(shù)進(jìn)行配置。配置成監(jiān)聽模式時，當(dāng)射頻信號進(jìn)入GFSK射頻收發(fā)器后，收發(fā)器會對射頻信號進(jìn)行分析和解析，匹配的則會輸出數(shù)字信號到數(shù)據(jù)連接器；當(dāng)射頻收發(fā)裝置進(jìn)入發(fā)射模式時，則射頻收發(fā)器會把從數(shù)據(jù)連接器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)組包轉(zhuǎn)換成射頻信號，通過功放模塊發(fā)射出去。

2.2功放和低噪放一體電路

功放和低噪放一體電路如圖3所示。

如圖3所示，U5為功放和低噪放一體電路的核心芯片RF5725，芯片內(nèi)部包含2．4 GHz線性功率放大器，芯片內(nèi)部還整合了瞬態(tài)低通濾波器、輸出功率耦合器、單刀三擲開關(guān)、低噪聲放大器。系統(tǒng)能夠在Wi-Fi接收和傳送、以及藍(lán)牙通信模式之間進(jìn)行切換。U9是電壓基準(zhǔn)源CJ431，為U5功放部分提供偏置電壓，U5的PIN14和PIN15組成邏輯互鎖，了保證電路的工作穩(wěn)定性和可靠性，在電源的輸入端還設(shè)計有電容去耦電路。耗電是電池供電設(shè)備中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，系統(tǒng)在待機情況下可將電流消耗降至極低狀態(tài)。

2.3功放電源設(shè)計

功放電源的電路圖如圖4所示。

如圖4所示，U3采用TI公司的高性能射頻專用的低壓差線性穩(wěn)壓器芯片（LDO）TPS79501。該芯片是高電源紋波抑制、低噪聲、單輸出LDO電源芯片，提供1．2 V至 5．5 V可調(diào)電壓500 mA負(fù)載能力輸出。具有低功耗、高電源抑制比、超低噪聲、芯片封裝體積小方面、快速啟動特點，芯片有出色的線性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)被設(shè)置在待機模式下，電源電流降至低于1 μA，適合用于電池供電的低功耗設(shè)計電路。線性穩(wěn)壓器芯片U3的PIN8腳為芯片輸出使能管腳，當(dāng)為高電平時，U3的PIN3和PIN4才有輸出電壓；當(dāng)為低電平時，這兩個腳無輸出電壓。R2和R3組成的分壓反饋電路，用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)得到恰當(dāng)?shù)妮敵鲭妷骸?/p>

為降低系統(tǒng)功耗，射頻標(biāo)簽和射頻收發(fā)裝置需配合設(shè)計完成功率控制。為節(jié)省能量，延長標(biāo)簽電池使用壽命，盡量使每個標(biāo)簽的發(fā)射功率減少。系統(tǒng)在正反向傳輸功耗相同條件下，射頻標(biāo)簽接收并檢測射頻收發(fā)裝置發(fā)送的射頻信號強度，分析和預(yù)測正向傳輸損耗；然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果，自動調(diào)整其發(fā)射功率。標(biāo)簽發(fā)射功率降低情況下，接收信號就自動增強；接收信號減弱時，就自動增強發(fā)射功率，使每次發(fā)射到射頻收發(fā)裝置的功率相等［8］。

為驗證功放電源設(shè)計是否合理，是否滿足實際需要，在模塊電源輸入部分串入1歐姆的取樣電阻，使用示波器TDS1012進(jìn)行實測。最大電壓顯示為140 mV，根據(jù)公式I=U/ R，即最大發(fā)射電流為 140 mA，小于功放電源理論設(shè)計值500 mA，說明該系統(tǒng)電源設(shè)計是有較大冗余，具有良好的可靠性。

圖3　功放和低噪放一體電路的電路圖Fig．3　The circuit diagram of power amplifier and low noise amplifier integrated circuit

圖4　功放電源的電路圖Fig．4　The circuit diagram of power amplifier

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1軟件層次結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)根據(jù)射頻收發(fā)裝置相應(yīng)工作流程、技術(shù)指標(biāo)和對外接口，系統(tǒng)分為硬件層、OS層和應(yīng)用層，軟件層次和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5　軟件層次圖Fig．5　The software structure diagram

OS層包含硬件驅(qū)動程序、嵌入式操作系統(tǒng)、射頻收發(fā)裝置應(yīng)用接口等相關(guān)的軟件。軟件設(shè)計具有以下功能：上位機通過網(wǎng)絡(luò)接口與主控制器進(jìn)行通信，主控制器STM32F103接收到命令消息后對命令類型和內(nèi)容進(jìn)行判斷和基帶編碼；系統(tǒng)的主控制器 STM32將基帶碼傳送給 GFSK射頻芯片NRF24L01+，由該芯片完成信號的濾波、調(diào)制、整形、編碼等功能。功率放大模塊將該信號放大來適合天線發(fā)送，由天線完成對已調(diào)信號的發(fā)射、或接收；對天線接收射頻信號處理過程是以上發(fā)射步驟的反過程［6］。

3.2軟件流程圖及程序設(shè)計

根據(jù)該裝置的工作流程和各芯片電路的工作特點要求，軟件流程圖設(shè)計如圖6所示。

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化工作，GPIO和SPI接口初始化，NFR24L01+、RF5725、TPS79501芯片的寄存器和工作模式初始化。系統(tǒng)進(jìn)入工作線程選擇，一路線程是射頻進(jìn)行收發(fā)，一路線程是NFR24L01判斷是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)CPU進(jìn)行處理。

圖6　軟件流程圖Fig．6　The flow chart of software

軟件設(shè)計初始化程序代碼參考如下：

4　結(jié)束語

本裝置設(shè)計采用GFSK和小信號高頻處理、高性能功放模塊技術(shù)實現(xiàn)電梯井道數(shù)據(jù)采集和傳輸，解決了現(xiàn)有電梯監(jiān)測系統(tǒng)采用有線傳輸方式以及無線有源射頻方式中能效轉(zhuǎn)換低、電梯井道易失效和維護(hù)不方便問題。具有硬件成本低、終端體積小、功耗低、速率高、誤碼率低等優(yōu)點，最大程度地提高無線信號的通信距離。該設(shè)計方案經(jīng)過產(chǎn)品硬件和軟件測試和小批量應(yīng)用，驗證了該設(shè)計方案抗干擾能力強、功耗低、無線傳輸距離遠(yuǎn)、性能穩(wěn)定可靠、可制造性良好，能夠批量應(yīng)用于電梯監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。

［1］張紅州．物聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)中的應(yīng)用［C］．四川省電子學(xué)會生產(chǎn)技術(shù)專委會2010年學(xué)術(shù)年會會議集，2010:140-143．

［2］孫毅剛，鄧勇，李強．基于AS3992的UHF RFID閱讀器設(shè)計和研究［J］．制造業(yè)自動化，2013，35（10）:138-142．

［3］高天寶，王敬超，張春，等．便攜式RFID讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2008（5）:56-58．

［4］王耀，范文兵，葛崢．超高頻RFID讀寫器射頻前端設(shè)計與仿真［J］．微計算機信息，2009，25（4）:248-250．

［5］王利恒，王祥力，陳蕩，等．無線射頻識別裝置的設(shè)計［J］．武漢工程大學(xué)學(xué)報，2013，35（1）:65-70．

［6］何滔．一種超高頻RFID讀寫器的軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電子設(shè)計工程，2013，21（22）:141-147．

［7］姚宏昕，劉寧．用于定位的低功耗有源RFID標(biāo)簽設(shè)計［J］．電子世界，2013，24:136-137．

［8］黃俊，鄒傳云，劉利勝．一種有源RFID標(biāo)簽的簡單功率控制算法［J］．通信技術(shù)，2013，46（9）:103-106．

A design of wireless RF transceiver device based on elevator monitoring system

HUANG Qin-lu1，HUANG Feng-jiang2，CUI Jing1，ZHAO Shuang1
（1.School of Electrical Engineering，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China）2.Chengdu Ixilink Technology Co.，Ltd，Chengdu 610041，China）

The traditional elevator running data are collected and monitored using the cable，high cost，difficult to maintain and install，in order to realize reliable wireless data transmission between the car and the data server in the monitoring system of elevator，the paper provides a design scheme of wireless RF transceiver system．The hardware circuit of the system is based on NRF24L01+，it is composed of power amplifier and the low noise amplifier integrated circuit，filter，antenna，anti-jamming circuit，and has a transmission mode and a monitor mode．The design of system architecture design and software program is divided into application layer，OS layer and hardware layer，and program design．The product is tested and small batch application shows that the design scheme is strong anti-interference ability，low power consumption，long distance wireless transmission，stable and reliable performance，with good manufacturing．

ultra high frequency；radio frequency；radio frequency identification；2．4 GHz；NRF24L01+

TN919．3

A

1674－6236（2016）02-0190-04

2015-05-07稿件編號：201505058

四川省科技支撐計劃項目（2014GZ0147）

黃勤陸（1971—），男，重慶梁平人，碩士，教授。研究方向：電氣自動化，電子工程技術(shù)。