集成溫度傳感器的有源電子標(biāo)簽設(shè)計

張欣露，吳 勇，任 健，劉智鍵

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電學(xué)院，北京 100083)

射頻識別 RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是近年來開始興起并逐漸走向成熟的一種自動識別技術(shù)。該技術(shù)以非接觸式、存儲容量大、識別速度快、距離遠(yuǎn)、可多卡識別等優(yōu)點而得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。隨著RFID技術(shù)成熟與RFID標(biāo)簽成本的下降，逐步呈現(xiàn)一些具有實際應(yīng)用價值的發(fā)展趨勢，其中之一是RFID與溫度傳感器相結(jié)合[2]。目前在礦井生產(chǎn)安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中，普遍是用電纜線傳輸采集到的溫度值，而電纜線很容易被拉脫、拉斷、擦破，從而引起電火花觸發(fā)瓦斯而引發(fā)礦難。把溫度傳感器與RFID技術(shù)結(jié)合起來，不僅可以進(jìn)行自動識別，而且可以形成一種串行數(shù)據(jù)采集無線傳輸?shù)姆绞剑沟谜麄€檢測裝置體積很小，并且省去了大量的布線工作。該裝置可以安裝在礦工的頭盔上，利于實時監(jiān)測，減少了實際測溫中的干擾，使其可靠性及精度有了很大的提高[3]。

本文從硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩方面闡述了集成溫度傳感器有源電子標(biāo)簽的研發(fā)設(shè)計，該有源電子標(biāo)簽通過調(diào)試，能夠穩(wěn)定可靠地檢測到溫度值，并且進(jìn)行無線通信。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及工作過程

在硬件結(jié)構(gòu)上，集成溫度傳感器的有源電子標(biāo)簽主要由無線射頻模塊、天線、微控制器(MCU)、傳感器、電源模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 有源電子標(biāo)簽硬件組成

當(dāng)電子標(biāo)簽上電后，首先對無線射頻模塊及傳感器進(jìn)行初始化，完成射頻芯片中的射頻收發(fā)器的收發(fā)地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無線傳輸速率、無線收發(fā)模式以及CRC校驗的長度和有效數(shù)據(jù)長度等信息的設(shè)置，然后微控制器把傳感器定時采集到的數(shù)據(jù)通過通信接口發(fā)送給射頻芯片，射頻芯片再通過發(fā)射模式發(fā)送出去[4]。

1.1 片上芯片CC2430

CC2430包含了1個高性能2.4 GHz的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和1個工業(yè)級小巧高效的8051控制器，在單個芯片上整合了射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它具有以下特點：(1)使用 1個8位MCU(8051)，具有 32/64/128 KB可編程 Flash和 8 KB的 RAM；(2)極高的接收靈敏度和抗干擾性能；(3)具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；(4)只需極少的外接元件；(5)電流消耗小 (當(dāng)微控制器內(nèi)核運行在32 MHz時，Rx為 27 mA，Tx為 25 mA)，特別適合要求電池壽命非常長的應(yīng)用[5]場合。

1.2 溫度傳感器DS18B20簡介

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線式數(shù)字溫度傳感器，它具有3引腳TO-92小封裝體積，其不銹鋼外殼封裝形式可以防水防潮，適合惡劣的現(xiàn)場溫度檢測，其溫度測量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.062 5℃[6]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 DS18B20與CC2430接口的設(shè)計

溫度傳感器DS18B20與芯片CC2430的硬件連接非常簡單，如圖3所示。由于它將地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合為一根雙向串行傳輸?shù)男盘柧€，可以單獨控制，因此只需占用CC2430的1根I/O線。

2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)的軟件主要由主程序、初始化子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、無線通信子程序、串口通信子程序5部分組成。其中的無線通信子程序分為發(fā)送模式和接收模式，系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖3 DS18B20與CC2430的硬件接口連接圖

2.2 DS18B20的工作時序及軟件流程

DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴(yán)格的時隙概念，因此，系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。其采集程序流程圖如圖5所示。

2.3 測溫結(jié)果

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

圖5 溫度采集程序流程圖

測溫結(jié)果由兩部分組成：(1)標(biāo)簽的ID號，ID號由64位十六進(jìn)制組成，可以通過軟件SmartRF04Prog進(jìn)行改寫；(2)實時采集到的溫度信息。這兩部分通過串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行實時顯示。

本系統(tǒng)軟件編程采用單片機(jī)C51語言，在IAR Embedded Workbench IDE編譯環(huán)境下進(jìn)行在線實時調(diào)試。

經(jīng)過調(diào)試，本設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，發(fā)送端每隔10 min發(fā)送1次標(biāo)簽的ID號和溫度采集數(shù)據(jù)，接收端能夠正確接收到數(shù)據(jù)并且通過串口通信發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行實時顯示。把溫度傳感器與RFID芯片結(jié)合起來只占很小的空間，滿足了小型化、無線傳輸、實時監(jiān)測的要求，其可靠性和精度也有了很大的提高，可應(yīng)用于礦井生產(chǎn)安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中，也可以為易腐壞食品、藥品和物流中任何其他對溫度敏感的物品采集溫度信息，為許多醫(yī)藥診斷試驗和程序提供及時的數(shù)據(jù)。

[1]GLIDDEN R， BOCKORICK C.Design of ultra-low cost UHF RFID tags for supply chain applications[J].IEEE J.Communications Magazine， 2004，4(8)：140-151.

[2]沈紅偉，李力南，陳國華.集成溫度傳感器的超高頻無源電子標(biāo)簽芯片設(shè)計 [J].微電子學(xué)與計算機(jī)，2008，25(4)：192-195.

[3]婁樸根，宋文愛.礦井下實時溫度監(jiān)測和無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007(3)：44-46.

[4]付煒，馬建國.2.4 GHz射頻識別中標(biāo)簽電路設(shè)計與實現(xiàn)[J].集成電路應(yīng)用，2007(11)：61-64.

[5]美國德州儀器.Smart RF CC2430 Peliminary(rev.1.01).2005.

[6]Maxim.Datasheet for DS18B20.[2009-08-27].http://www.maxim2ic.com.