用于內河船舶管理的主動式RFID電子標簽設計

張巍

（天津職業技術師范大學電子工程學院，天津300222）

隨著社會現代化進程的加快，信息技術正在迅速改變著人們的生活。射頻識別（RFID）技術的推廣和應用作為信息化建設的基礎工作之一，已經得到世界各國政府和社會各界的高度重視，且已廣泛應用于物流倉儲、工業制造、資產管理、動物識別、軍事航空等不同領域[1]。

在我國東南沿海地區，河流湖泊眾多，水網密集，已建立了多條重要的內河航道。內河航運是一種具有悠久歷史的運輸方式，是我國水運的重要組成部分，具有運量大、投資少、成本低、能耗小的特點，是連接內陸腹地和沿海地區的紐帶。船舶作為內河航運的重要貨運載體，具有很大流動性，目前內河船舶的監管，特別是現場的管理，主要依靠人工完成，每年需要花費大量的人員成本和監查艇的燃油費、維修費[2]。特別是在費改稅后，急需應用先進的信息化技術，改變現有的內河管理模式，降低人員成本，更好地為船主服務[3]。

筆者采用超低功耗單片機和無線數據傳輸芯片，設計了一種識讀距離遠、可靠性高，具有低電量報警、暴力拆除報警等功能的主動式RFID電子標簽，以MSP430F2012作為主控制器，nRF24L01作為射頻收發器，該電子標簽具有體積小，成本低、功耗小等優點。

1 元器件介紹

筆者介紹了由MSP430F2012微控制器和工作于2.4 GHz ISM頻段的無線傳輸芯片nRF24L01組成的主動式電子標簽系統，對各部分功能電路進行詳細說明，并給出軟硬件設計方案。

1.1 MSP430F2012

MSP430F2012單片機是由TI公司生產的一種超低功耗的微控制器，低電壓范圍為1.8～3.6V，待機狀態耗電僅為0.5μA，并具有5種省電模式，允許中斷事件切換省電模式，很適合應用于電池供電的長時間工作的場合。它采用16位精簡指令系統，集成有16位寄存器和常數發生器，發揮了最高的代碼效率，并可采用數字控制振蕩器（DCO最高可達16 MHz），使其從低功耗模式到喚醒模式的轉換時間小于1 μs。MSP430F2012的片上資源也是比較豐富的:所有10個GPIO引腳包括可編程上拉/下拉電阻，省略了外接元器件；零功耗掉復位和增強型看門狗計時器增強了芯片的可靠性；集成帶有兩個捕獲/比較寄存器的16位定時器（Timer_A）和10位精度的模數轉換器；支持SPI與I2C總線結構的串行接口[4]。在存儲容量上，其具有2 kB+256 B的閃存，保證可在其中存儲足夠的船舶信息。

1.2 nRF24L01

nRF24L01為Nordic公司生產的射頻收發芯片，此芯片用于2.4～2.5 GHz ISM波段，內部由頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制解調模塊組成。輸出功率、信道頻率和協議都可以很容易地通過一個SPI口進行編程。電流的消耗非常低，在輸出功率為-6 dBm時只有9 mA，在接收模式只有12.3 mA，內建的低功耗與休眠模式可以大大減少功耗。它采用GFSK調制，在ISM頻段內可設置126個信道，空中數據速率最高可達2 Mb/s，并且可以選擇0、-6、-12、-18 dBm其中之一作為輸出功率[5]。

1.3 PA2421及相關器件

基于對標簽識別穩定性及距離的考慮，在射頻前端增加了功率放大器。PA2421是一款工作于2.4～2.5 GHz頻率范圍的線性功率放大器，3.3 V供電，輸入輸出匹配50 Ω，增益可達26 dB。除了功率放大器之外，還需要一些其他器件，74LVC2G04和UPG2214TK。74LVC2G04是雙非門緩存器用于控制UPG2214TK單刀雙擲開關，選通發送或接收電路。

2 電子標簽硬件電路設計

筆者所設計的電子標簽主要包括以下幾部分功能：射頻通信、低電量報警及暴力拆除報警。

2.1 射頻部分

RF24L01接口電路設計如圖1所示。管腳CE、SCK、MOSI、MISO為射頻芯片的SPI接口與單片機相連，進行數據通信；CSN為片選管腳，低電平選通；IRQ是中斷信號管腳，通知單片機有數據到達；RF管腳為發送/接收射頻信號的管道，與射頻開關相連；VDD_PA管腳與74LVC2G04相連，作為切換發送與接收狀態的信號。

圖1 nRF24L01接口電路Fig.1 Interface circuit of nRF24L01

收發狀態控制電路由雙非門緩存器74LVC2G04組成，如圖2所示。當VDD_PA為高電平時RX_ON為低電平，TX_ON為高電平，此時為發送狀態。

圖2 收發狀態控制電路Fig.2 Sending and receiving control circuit

如果不加功率放大器nRF24L01最大功率輸出為0 dBm，經實測后，讀取范圍只能達到100 m左右。為了擴大標簽的識讀范圍，電路中增加了線性放大器PA2421，電路如圖3所示。其中RF端口為射頻信號的管道，UPG2214TK由RX_ON與TX_ON兩個信號控制，以切換射頻芯片的發射與接收狀態。

圖3 功率放大電路Fig.3 Power amplify circuit

在實際的測量中，增加PA后，本系統所設計的電子標簽在500 m的范圍內可被穩定地掃描到，并且完全符合國家微功率（短距離）無線電設備的技術要求[6]。

射頻輸出端的匹配阻抗為50 Ω，可連接2.4 GHz的單極子天線，大大減小了標簽的尺寸，也使其易于安裝。

2.2 MSP430F2012接口電路

由于筆者設計的電子標簽使用電池供電，為了保證標簽可以長時間的穩定、可靠地工作，需要一款功耗低且資源豐富的微控制器，因此選用了TI公司的MSP430F2012。MSP430F2012工作電壓為3.3 V，具有14個管腳，本設計使用單片機內部的數字控制振蕩器（DCO），省去了外接晶振，節約了電路板空間及成本。在供電方面，采用2片3.3 V的紐扣電池并聯后，經簡單濾波即可與單片機VCC端相連。MSP430F2012的接口電路如圖4所示。管腳3、5、6、7、8、9與射頻芯片連接，分別完成中斷通知、片選、時鐘同步、SPI接口通信等工作，前文已敘述。管腳10、11為MSP430F20xx系列產品中所特有的名為“Spy Bi-Wire”的調試接口，替代了JTAG接口。此接口方式采用是2線制，分別為SBWTCK（時鐘）、SBWTDO（數據線），這樣燒寫程序更加快捷簡單，而且大大節約電路板的空間。

2.3 報警電路

報警功能是本設計的一大特色，其具有暴力拆卸報警與低電量報警功能。電子標簽在用于船舶管理時，涉及到船舶登記、簽證、繳費等操作，為了杜絕逃費等違法行為，就需要標簽與船舶完全綁定，這樣才能保證掃描到的信息有效與可靠。因此，標簽中增加了拆卸報警功能，當標簽與船體分離后，會向讀寫器發出拆卸報警信號，使監管部門及時了解情況。而低電量報警可以使監管部門了解電子標簽的使用情況，當電池電量不足時可以及時更換，保證了系統運行的穩定。

具體設計如圖4所示，其中使用MSP430F2012的管腳12、4來檢測標簽是否被拆除。本文設計的電子標簽使用強力膠來固定，在膠中埋有一根薄而易斷的銅箔，此銅箔F1一端與地線相連，另一端則與12號、4號管腳相連。12號管腳一直處于輸出狀態，且為高電平；4號管腳一直處于輸入狀態，正常情況下是通過F1接地的，即為低電平。一旦出現拆卸等行為會使銅箔斷裂，4號管腳輸入電壓發生變化，由低電平變為高電平，單片機立即產生報警信號并發送給讀寫器。

圖4 MSP430F2012的接口電路Fig.4 Interface circuit of MSP430F2012

低電量報警功能使用單片機內自帶的10位模數轉換器完成，將管腳2與電源正極相連，作為AD輸入端。MSP430F2012使用內部參考電平，可定時檢測VCC電壓，軟件中設定好報警的閾值電壓，當低于設定值時產生報警信號，發送給讀寫器。

3 軟件設計

RFID船舶管理系統的業務流程為：當電子標簽與船舶綁定后，為了節約能量，先處于休眠狀態，此時耗電量極低。當船舶行駛到讀寫器覆蓋到的水域后，電子標簽接收到讀寫器發來的喚醒信號后，會在極短的時間內恢復工作狀態，并向外廣播自身的ID號及報警信息。當船舶駛離該水域后，標簽重新進入休眠狀態，直到再次進入一個有讀寫器覆蓋的水域中。讀寫器收到標簽發來的ID號后會發送回服務器端，管理人員可在數據庫中查詢到與該ID號綁定的船舶信息，這就避免了管理人員進行登船檢查，節約了人力物力。

設計的電子標簽中的代碼使用C語言編寫，開發環境IAR Embedded Workbench v3.41。軟件基本框圖如圖5所示。

圖5 軟件框圖Fig.5 Block diagram of software

由圖中可以看出，整個程序由一個主循環與3個中斷程序組成。計時器A中斷主要是處理標簽發射時序的子程序，要確保標簽與讀寫器交互的正確、迅速，兼顧電池壽命，可根據實際情況來設計標簽ID廣播的時間及空閑時間。PORT1中斷程序是處理單片機與射頻芯片之間進行通信的子程序，當射頻芯片接收到信號，需要通過IRQ管腳對單片機發出中斷請求，單片機會處理相關的數據。報警是處理電壓過低或標簽被非法拆卸的子程序，當發生以上事件時，進入中斷子程序，并產生警報信號，通過射頻芯片傳遞給讀寫器。

4 結束語

筆者所設計的主動式電子標簽可安裝在船舶駕駛室中，并符合船舶用電氣與電子設備的相關規范[6]。經過內河航道中的實際測試，一般船舶行駛、顛簸、浪涌不影響正常工作，在500 m范圍內讀寫器可穩定讀取電子標簽ID號及報警信息，性能達到要求[7]。以MSP430F2012作為主控制器，nRF24L01作為射頻收發器的2.4 GHz主動式電子標簽，具有體積小，成本低，功耗小等優點，具備了市場化的條件。

[1]寧煥生，王炳輝.RFID重大工程與國家物聯網[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]朱雯瑾，廉清云.RFID技術在內河船舶管理中的應用[J].中國水運:下半月，2010，10（9）：91-92.

ZHU Wen-jin，LIAN Qing-yun.The RFID technology on inland ship management[J].China Water Transport，2010，10（9）:91-92.

[3]黃健，孫偉，陳卓，等.主動式RFID技術在內河船舶監控中的應用[C]//第六次中國物流學術年會，北京：中國物資出版社，2007：455-460.

[4]MSP430x2xx Family User’s Guide[EB/OL].（2004-12）[2011-03-25].http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau144h/slau144h.pdf.

[5]Nordtc semiconductor.nRF24L01 Single Chip 2.4 GHz Transceiver Product Specification[EB/OL].（2007-07）[2011-03-25].http://www.docin.com/p-34613499.html.

[6]佚名.GB/T 10250-1988.船舶電氣與電子設備的電磁兼容[S].北京：中國標準出版社，2008.

[7]劉巖.RFID通信測試技術及應用[M].北京：人民郵電出版社，2010.