利用nRF905進(jìn)行射頻識別（RFID）及其在系統(tǒng)健康管理方面應(yīng)用探討

胡阿麗　劉鵬　劉國輝

1概述

RFID射頻識別是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別具備多目標(biāo)識別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識別、遠(yuǎn)距離目標(biāo)識別特點(diǎn)，操作快捷方便。

為了評估天線系統(tǒng)的運(yùn)行健康狀況、使用環(huán)境，越來越多的大型天線傾向于安裝健康管理系統(tǒng)，用來采集檢測點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)、振動(dòng)的情況、聲音（噪音）的強(qiáng)度、電壓電流的大小、繼電器工作狀態(tài)等等，另外有些系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)還包括GPS信號。為了獲得這些信息，我們往往需要在主機(jī)和采集設(shè)備之間布設(shè)電纜。射頻識別的引入，不需要布設(shè)此類電纜，降低系統(tǒng)的成本，減少滑環(huán)數(shù)量（部分需要滑環(huán)的系統(tǒng)），增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)美觀性等等。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)組成

基于天線系統(tǒng)健康管理監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)星狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，中央節(jié)點(diǎn)是連接終端設(shè)備的接收模塊及終端，結(jié)構(gòu)簡單，便于管理，控制簡單，便于建網(wǎng)，易于擴(kuò)展;網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間小，傳輸誤差低。下圖為監(jiān)測設(shè)備示意圖。圖中，包括溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測、GPS信號獲取、電壓監(jiān)測、電流檢測、振動(dòng)監(jiān)測、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、噪音監(jiān)測等等。在軟件設(shè)計(jì)中需要考慮在發(fā)射端接收采集設(shè)備采集的有效的數(shù)字信息后對收到的數(shù)字信息加入該設(shè)備的ID號，在接收端，判斷ID號，選擇相對應(yīng)的信號處理方式，解出對應(yīng)的有效信息。

2.2單通道發(fā)射接收組成

本文1對1接收發(fā)射、接收以溫度采集為例，由單片機(jī)（微處理器），單片射頻收發(fā)器nRF905、溫度傳感器模塊、顯示屏（終端）等組成一個(gè)微型系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

nRF905是挪威Nordic?VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，GFSK濾波（高斯低通濾波）、曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。工作在433/868/915MHz國際通用的ISM頻段，傳送速率可達(dá)100kbit/s，最大發(fā)射功率+10dBm。

具備四種工作模式。ShockBurstTM工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)），使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

由于以往的溫度傳感器輸出的是模擬量，我們還要增加額外的?A/D和?D/A?芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，DS18B20數(shù)字溫度傳感器具備獨(dú)特的單線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信;支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫;工作電壓3.0～5.5V/DC;使用中不需要任何外圍器件;測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。

MCU采用常見的STC89C52單片機(jī)，指令代碼完全兼容8051單片機(jī)。

終端采用普通的計(jì)算機(jī)或顯示屏。測試用數(shù)碼管測試。

天線選用市面上常見的高頻橡膠天線，全向天線，增益3～3.5dB。

2.3傳輸鏈路分析

在發(fā)射端微處理器通過接口（串口、并口、SPI口等）接收采集設(shè)備采集的有效的數(shù)字信息，對收到的信號進(jìn)行處理，生成有效載荷，以SPI接口送給單片射頻收發(fā)器nRF905，nRF905將收到的有效載荷進(jìn)行GFSK調(diào)制、曼徹斯特編碼、混頻（內(nèi)置頻綜）、功率放大后，經(jīng)由天線發(fā)送出去。

在接收端，天線將接收的信號放大后送給nRF905，nRF905將收的信號經(jīng)低噪聲放大、混頻、中頻濾波、解調(diào)、曼徹斯特譯碼以及校驗(yàn)后，將有效載荷送給微處理器，微處理器根據(jù)約定對有效載荷進(jìn)行處理，送給終端，實(shí)現(xiàn)諸多功能，例如繼電器動(dòng)作、電流電壓顯示、溫濕度顯示、聲音提醒、指示燈警報(bào)、I/O切換等等。

此通信系統(tǒng)的通信頻率可設(shè)，nRF905可工作433MHz、868MHz、915MHz這三個(gè)頻段，具備512個(gè)通信頻道，傳送速率50kHz，發(fā)射功率10dBm、6dBm、-2dBm和-10dBm可設(shè);天線參數(shù)如表1所示，在工作在對此通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量與傳輸距離進(jìn)行分析。

無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸距離或覆蓋范圍受多種因素的影響，除了信號源的發(fā)射功率、天線的增益、接收設(shè)備的靈敏度、頻率、自由空間衰減、噪聲干擾外，還有現(xiàn)場環(huán)境的影響，例如建筑物、樹木和墻壁的遮擋，人體、氣候等對電磁波的衰減，純粹自由空間的傳輸環(huán)境在實(shí)際應(yīng)用中是不存在的。由于無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的工程，必須在實(shí)施前進(jìn)行設(shè)計(jì)和預(yù)算，必須事前對無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸距離或覆蓋范圍進(jìn)行估算.

無線傳輸距離為：

Pr（dBm）=?Pt（dBm）-?Ct（dB）+?Gt（dB）-?FL（dB）+?Gr（dB）-?Cr（dB）-

Pr：接受端靈敏度

Pt：發(fā)送端功率

Cr：接收端接頭和電纜損耗

Ct：發(fā)送端接頭和電纜損耗

Gr：接受端天線增益

Gt：發(fā)送端天線增益

FL：自由空間損耗

FL（dB）=20?lg?d（km）+20?lg?f（GHz）+?92.44

d是兩點(diǎn)之間的距離

f是頻率=0.433?GHz?/0.868?GHz?/0.915?GHz）

假定大氣、遮擋物、多徑等造成的損耗為25，發(fā)送、接收接頭和電纜損耗0.5dB，按照接收端誤碼率?0.1%時(shí)接收機(jī)靈敏度?-100dBm進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)nRF905與天線阻抗匹配良好時(shí)，接收距離最長不超過下表，實(shí)際工作中，由于環(huán)境、天線性能等條件的影響，接收距離會縮短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足天線系統(tǒng)使用要求.

2.4接口設(shè)計(jì)

MCU與溫度傳感器DS18B20：單線制串行接口;

MCU與nRF905接口：SPI接口;

MCU與數(shù)碼管：并口連接;

nRF905與天線：SMA接口。

3電磁兼容分析

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4365-1995《電磁兼容術(shù)語》對電磁兼容所下的定義為“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。”?以nRF905為中心作為信號的發(fā)射、接收的信道設(shè)備的小型通信系統(tǒng)，是一種非接觸式短距離無線通信系統(tǒng)，將其應(yīng)用到天線系統(tǒng)的健康管理監(jiān)測中，有必要分析其抗干擾的能力和對外騷擾的程度。

對外作為干擾源，它屬于無線電發(fā)射器，為輻射干擾，可能造成的干擾是對諧波對電機(jī)的影響和對信號傳輸電路的影響。對天線信號傳輸電路的影響，該系統(tǒng)工作頻率為433/868/915MHz，當(dāng)天線不同時(shí)工作在這三個(gè)頻段時(shí)，信號的帶寬僅為100kHz，自帶濾波器，經(jīng)測試沒有二次諧波;一般情況下，該系統(tǒng)安裝在天線的反面而不是正面，其基波信號不會產(chǎn)生功能性干擾;也不會有諧波及亂真發(fā)射構(gòu)成非功能性的無用信號干擾。nRF905的發(fā)射自帶濾波，而我們的天線系統(tǒng)經(jīng)常工作在L波段以上的頻段，不影響天線系統(tǒng)使用。

作為接收設(shè)備，當(dāng)天線不同時(shí)工作在這三個(gè)頻段時(shí)，nRF905采用抗干擾能力強(qiáng)的高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制方式，且自帶濾波功能，抗干擾能力強(qiáng)，能很好地減少噪聲環(huán)境對系統(tǒng)的干擾。

4實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

在2.4米S頻段靜中通天線系統(tǒng)中做過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過采集天線座的溫度，傳遞給10米外的接收設(shè)備中，天線系統(tǒng)及溫度采集、傳輸、識別均工作正常;通過識別天線上的某一輸入（手動(dòng)按鍵輸入），傳輸給10米外的方艙中，觸動(dòng)聲音報(bào)警裝置，功能正常。我們計(jì)劃在下個(gè)2.4米車載使用GPS的天線系統(tǒng)中，識別GPS時(shí)間及位置信號，無線傳輸給上位機(jī)使用。

故在天線系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)中，由于nRF905具備多目標(biāo)識別能力;作為射頻識別發(fā)射及接收端，系統(tǒng)組成簡單，工作流程簡單，可靠性高，使用非常方便;監(jiān)測的這些發(fā)射端設(shè)備距離接收端設(shè)備的傳輸距離最大十幾米，nRF905的傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足傳輸要求;而且組網(wǎng)易實(shí)現(xiàn)。在降低系統(tǒng)的成本，減少滑環(huán)數(shù)量（部分需要滑環(huán)的系統(tǒng)），增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)美觀性方面，我們完全可以考慮利用nRF905射頻識別在天線系統(tǒng)健康管理方面來發(fā)揮它的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹學(xué)友，《可視距無線傳輸距離的影響因素分析》，電子世界