超低功耗有源RFID溫濕度傳感標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與測(cè)試

井新宇

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214400)

0 引言

射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)，俗稱電子標(biāo)簽。RFID射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)，通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。

RFID射頻識(shí)別技術(shù)通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)。RFID按照能源的供給方式分為無(wú)源RFID和有源RFID。無(wú)源RFID讀寫距離近、價(jià)格低;有源RFID可以提供更遠(yuǎn)的讀寫距離，但需要電池供電，成本要更高一些，適用于遠(yuǎn)距離讀寫的應(yīng)用場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成與基本原理

有源RFID電子標(biāo)簽需要電池提供全部工作所需的電源。有源RFID溫濕度標(biāo)簽具有對(duì)閱讀器的發(fā)射功率要求相對(duì)較低、有效閱讀距離較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，因此，應(yīng)用十分廣泛。但有源RFID溫濕度傳感標(biāo)簽對(duì)超低功耗、高可靠性等方面有較高的要求。

有源RFID系統(tǒng)由有源RFID傳感標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of the system

有源標(biāo)簽具有唯一的身份識(shí)別碼(即ID)，有源RFID溫濕度標(biāo)簽需要外接傳感器，對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行測(cè)量。在閱讀器的有效工作范圍內(nèi)，標(biāo)簽主動(dòng)地將自己的ID和所測(cè)得的溫濕度通過(guò)射頻發(fā)送給閱讀器，閱讀器將相關(guān)信息存儲(chǔ)在自己的存儲(chǔ)設(shè)備中。存儲(chǔ)在閱讀器中的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232/485等通信方式傳送給應(yīng)用系統(tǒng)，以便對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，以實(shí)施環(huán)境溫濕度的監(jiān)控［1-2］。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感標(biāo)簽硬件電路主要由nRF24L01射頻芯片、MSP430F1232單片機(jī)和SHT11組成。其硬件電路原理圖如圖2所示。

圖2 硬件電路原理圖Fig.2 Principle of the hardware circutry

單片機(jī)將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，具有豐富的外部接口。電路充分發(fā)揮了MSP430單片機(jī)的低功耗性能，利用其 SPI口與 nRF24L01通信［3］。

射頻模塊nRF24L01通過(guò)由MOSI、MISO和SCK組成的SPI接口，與 MSP430F1232相連。MSP430F1232單片機(jī)接32768Hz的低頻晶振，nRF24L01接16 MHz的晶振，通過(guò)低速的單片機(jī)控制高速收發(fā)的射頻芯片。系統(tǒng)上電時(shí)，單片機(jī)通過(guò)SPI對(duì)nRF24L01進(jìn)行狀態(tài)配置。當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)射模式時(shí)，nRF24L01就把從單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)以2 Mbit/s的速率發(fā)射出去;若系統(tǒng)設(shè)為接收模式，則nRF24L01用來(lái)監(jiān)測(cè)天線信號(hào)。若有同頻的信號(hào)，就加以接收并打開(kāi)數(shù)據(jù)包讀取地址。若數(shù)據(jù)包地址與系統(tǒng)地址相同，就取出數(shù)據(jù)包中的有用數(shù)據(jù)，IRQ信號(hào)置低電平并通知單片機(jī)來(lái)取走數(shù)據(jù)。

2 電子標(biāo)簽的低功耗設(shè)計(jì)

由于電子標(biāo)簽在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)量眾多、分布廣泛，且長(zhǎng)期工作在無(wú)人值守的狀態(tài)。因此，降低其功耗，延長(zhǎng)電池壽命十分必要。本設(shè)計(jì)主要從器件選擇、軟硬件設(shè)計(jì)等方面來(lái)降低標(biāo)簽功耗，具體介紹如下。

2.1 超低功耗微處理器的選用

就微處理器的功耗而言，在不影響系統(tǒng)性能的情況下，采取兩種方法來(lái)有效降低系統(tǒng)的功耗:①選用較低的工作電壓;②降低工作頻率，合理選擇和控制時(shí)鐘頻率。

有源RFID傳感標(biāo)簽選用了TI公司的16位超低功耗單片機(jī) MSP430F449，其工作電壓范圍為1.8～3.6 V，本設(shè)計(jì)采用2.2 V 電壓供電。

低功耗的實(shí)現(xiàn)與其靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)密切相關(guān)。MSP430單片機(jī)具有5種用來(lái)實(shí)現(xiàn)超低功耗性能的低功耗模式。MSP430系列單片機(jī)提供1～2個(gè)外部晶振輸入和1個(gè)內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器(data control oscillator，DCO)。為了提高頻率的穩(wěn)定性，MSP430X4XX系列采用了增強(qiáng)鎖相環(huán)技術(shù)(phase locked loop，PLL)，通過(guò)低頻時(shí)鐘(LFXT1)、高頻時(shí)鐘(XT2)和片內(nèi)數(shù)字控制RC振蕩器(DCO)，產(chǎn)生4種時(shí)鐘信號(hào)，即輔助時(shí)鐘(ACLK)、分頻輔助時(shí)鐘(ACLK/n)、主時(shí)鐘(MCLK)和子系統(tǒng)時(shí)鐘(SMCLK)。

為了盡可能地降低系統(tǒng)功耗，在滿足功能要求的前提下可通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗:①按一定比例降低主時(shí)鐘頻率;②通過(guò)程序設(shè)計(jì)和時(shí)鐘頻率控制，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的系統(tǒng)低功耗［4］。

MSP430系列單片機(jī)的各個(gè)模塊都可以在CPU休眠的狀態(tài)下獨(dú)立工作，若需要主CPU工作，則任何一個(gè)模塊都可以通過(guò)中斷喚醒CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運(yùn)行。使用軟件將CPU設(shè)定到某一低功耗模式，在需要時(shí)使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，工作完成后又可以進(jìn)入相應(yīng)的休眠狀態(tài)。

MSP430的6種工作模式以及各模式下電流比較如圖3所示。

圖3 6種工作模式及其電流比較Fig.3 Six operating modes and the comparison of currents

通過(guò)前文分析可知，任何一種低功耗模式只能與活動(dòng)模式進(jìn)行切換。這樣MCU可在整個(gè)過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間保持睡眠狀態(tài)，只有產(chǎn)生中斷時(shí)才激活，中斷響應(yīng)時(shí)間僅為 6 μs。

在進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，采用以下方式降低功耗。①采用低功耗的器件和電路設(shè)計(jì)，并盡量降低其功耗;

②不要讓不用的I/O引腳懸空，應(yīng)將其設(shè)置為輸入并上拉到電源;

③若不需要很高精度的時(shí)鐘或者高速響應(yīng)處理任務(wù)，應(yīng)盡可能不用外部晶振，而使用內(nèi)部的DCO作為MCLK;

④在進(jìn)入低功耗模式前，應(yīng)盡可能將MCLK改為DCO模式。DCO模式在進(jìn)入功耗模式后，在得到中斷喚醒時(shí)，以最快速度啟動(dòng)工作的時(shí)鐘源，這樣可大大減少在喚醒時(shí)的能源消耗。如果喚醒后確實(shí)需要高速時(shí)鐘源，此時(shí)可以再轉(zhuǎn)換到高速時(shí)鐘源上使用［5］。

2.2 無(wú)線傳輸模塊的低功耗設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息并采集、收發(fā)數(shù)據(jù)。無(wú)線通信消耗的能量占據(jù)了整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的絕大部分，因此對(duì)這一模塊的選取和設(shè)計(jì)關(guān)系到低功耗設(shè)計(jì)的全局。除了考慮功耗因素外，還應(yīng)兼顧數(shù)據(jù)傳輸模塊的靈敏度、誤幀率以及傳輸距離等綜合性能［6-9］。

本設(shè)計(jì)選用NORDIC公司的高速、低功耗、低成本的2.4 GHz無(wú)線收發(fā)芯片nRF24L01。它具有增強(qiáng)型ShockBurst功能，集成了雙向通信所需要的鏈路層，輸出功率、頻道選擇和協(xié)議可通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。nRF24L01有掉電模式(power down)、待機(jī)模式 I(standby-I)、待機(jī)模式 II(standby-II)、發(fā)射模式(TX mode)、接收模式(RX mode)5種工作模式。其中，掉電模式的工作電流最小，僅900 nA，無(wú)線收發(fā)芯片nRF24L01應(yīng)盡量在此模式下工作，僅在需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才轉(zhuǎn)入TX或RX模式。各種模式間的轉(zhuǎn)換過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生功耗，模式間切換的延時(shí)主要由晶振起振的穩(wěn)定時(shí)間決定，選擇起振快、負(fù)載電容小的晶振可以減小延時(shí)。

對(duì)于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，主要采取以下兩種方法使系統(tǒng)在超低功耗狀態(tài)下工作。

①系統(tǒng)處于待機(jī)模式

待機(jī)模式可以將系統(tǒng)平均電流消耗降到很小，在沒(méi)有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，可以保證快速進(jìn)入ShockBurst RX和ShockBurst TX模式。5種工作模式下的電流和nRF24L01的工作時(shí)序分別如表1、表2所示。

表1 5種工作模式電流Tab.1 The operating currents of five modes

表2 nRF24L01的工作時(shí)序Tab.2 The work timing of nRF24L01

nRF24L01采用低功耗工作模式，其控制流程如圖4所示。

圖4 低功耗nRF24L01控制流程圖Fig.4 Flowchart of nRF24L01 low-power consumption

nRF24L01通過(guò)設(shè)置配置寄存器的PWR_UP位為低進(jìn)入掉電模式，達(dá)到最低功耗;設(shè)置配置寄存器的PWR_UP位為高進(jìn)入standby-I。standby-I可以使無(wú)線部分在電流比較低的情況下有較短的反應(yīng)時(shí)間。設(shè)置PWR_UP為高、PRIM_RX為低，此時(shí)數(shù)據(jù)載荷已在TX_FIFO中，同時(shí) CE出現(xiàn)10 μs的高電平脈沖，即進(jìn)入發(fā)射模式。nRF24L01具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)功能，使數(shù)據(jù)傳輸模塊的功耗大大增加。因此，需要去掉一些不必要的輔助功能，例如自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)等。

②采用短距離多跳數(shù)傳輸

無(wú)線信號(hào)在空氣中的傳播與通信距離呈指數(shù)關(guān)系。衰減節(jié)點(diǎn)的通信距離將直接影響無(wú)線通信模塊的發(fā)射功率，進(jìn)而引出功耗的問(wèn)題。通過(guò)寄存器將nRF24LE1的功率放大器配置成4種不同的輸出功率，射頻收發(fā)的功率輸出設(shè)置值如表3所示。

表3 射頻收發(fā)功率輸出設(shè)置值Tab.3 Settings of the RF power output of receiving and transmitting

通過(guò)降低輸出功率，可以降低電子標(biāo)簽的功耗。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有自組織、中斷自我修復(fù)的功能，需要設(shè)計(jì)合適的通信協(xié)議和路由算法，以實(shí)現(xiàn)短距離、自組織和多跳數(shù)傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線通信系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)通信的可靠性［7-8］。

2.3 溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)采用低功耗的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11。該傳感器在測(cè)量和傳輸完成后將自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，等待下次命令的開(kāi)始，從而降低傳感器模塊的功耗。SHT11具有極高的可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證互換性，電流極低，休眠電流為3 μA，平均電流為 28 μA。

2.4 軟件低功耗設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽軟件低功耗設(shè)計(jì)的流程如圖5所示。

圖5 低功耗軟件流程圖Fig.5 Software design flowchart for low-power consumption

采用定時(shí)中斷的方法實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行溫濕度的采集與無(wú)線傳輸，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間可以設(shè)定為10s，具體步驟如下。

① 初始化MSP430時(shí)鐘、定時(shí)器、SPI等;

②置nRF24L01于掉電模式，也即休眠狀態(tài)，初始化nRF24L01，包括發(fā)送速率、發(fā)射功率、頻段、地址和校驗(yàn)等;

③MCU打開(kāi)全局中斷;

④MCU采集溫濕度數(shù)據(jù)并通討SPI口把有效數(shù)據(jù)寫入nRF24L01TX_FIFO緩存;

⑤ MCU控制引腳CE置高大于10 μs后，經(jīng)130 μs晶振穩(wěn)定，nRF24L01進(jìn)入TX模式開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀;

⑥控制位TX_DS置位，引腳IRQ產(chǎn)生中斷信號(hào)，完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送，此時(shí)應(yīng)立即使nRF24L01進(jìn)入掉電模式。

2.5 低功耗電源設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽采用電池供電，需使用DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器需要符合兩個(gè)條件:一是轉(zhuǎn)換器上消耗的能量盡可能小，二是電池電壓降到很低時(shí)能照常工作。所以，應(yīng)選擇超低功耗、超低輸入電壓的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器。TI公司的TPS61200在輸入電壓范圍和功耗上都符合要求，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%，能自動(dòng)切換升壓/降壓模式，靜態(tài)電流小于55 μA，電壓輸入范圍為 0.3 ～5.5 V，輸出范圍為1.8～5.5 V可調(diào)，輸出短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)，具有節(jié)電模式。

2.6 PCB 布局設(shè)計(jì)

PCB布局對(duì)系統(tǒng)性能和功耗影響很大。nRF24L01的供電電源必須經(jīng)過(guò)良好的濾波，與數(shù)字電源走線分開(kāi)，并盡量靠近芯片的VDD引腳處，且經(jīng)高質(zhì)量的RF電容去耦。VSS應(yīng)直接與敷銅地層連接，也可在離VSS腳盡量近的地方放置過(guò)孔連接，值得注意的是，所有數(shù)字信號(hào)和控制信號(hào)走線不能離晶體和電源走線太近。nRF24L01采用鞭形PCB天線，天線的頻率和阻抗必須與射頻芯片匹配，以獲取最大的傳輸功率，減少無(wú)效的功率損耗。通常在nRF24L01的外圍電路接入L1、L2、L3、C7和C9等電容和電感，作為天線阻抗與射頻芯片的匹配網(wǎng)絡(luò)，并抑制高頻噪聲［9］。

3 功耗測(cè)試與估算

功耗測(cè)試與估算采用示波器測(cè)試nRF24L01在各個(gè)工作過(guò)程所持續(xù)的時(shí)間和所消耗的電流，溫濕度標(biāo)簽電池使用時(shí)間的計(jì)算基于平均電流，即電池容量(mAh)除以標(biāo)簽消耗的平均電流(mA)。

平均電流的定義如下:

式中:Ⅰa為平均電流;Q∑為總電荷;T∑為工作周期。

式中:in為執(zhí)行第n個(gè)過(guò)程所消耗的電流;tn為執(zhí)行第n個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間。

通過(guò)串聯(lián)采樣電阻，實(shí)現(xiàn)電流/電壓的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電流的測(cè)量。設(shè)計(jì)中采樣電阻取精度為1%、阻值為1 Ω的電阻。標(biāo)簽工作電壓為3.3 V、工作周期為0.2 s、發(fā)送速率為2 Mbit/s、發(fā)射功率為0，并采用泰克公司的TDS1012B數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行測(cè)量。測(cè)得脈沖的幅值約為12 mV，即TX模式工作電流為12 mA，分析波形可知，nRF24L01標(biāo)簽被喚醒到完成數(shù)據(jù)幀組裝約為300 μs，工作電流約為1 mA;標(biāo)簽進(jìn)入TX模式準(zhǔn)備發(fā)送需要約130 μs，電流約為8 mA;標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)約為100 μs，工作電流約為12 mA。

若電池使用750 mAh的錳鋰電池，由上述公式可計(jì)算得到電池的使用時(shí)間為6.5年。如果考慮到電池的實(shí)際自放電率，實(shí)際使用時(shí)間會(huì)更短一些，本計(jì)算得到的是標(biāo)簽每隔0.2 s檢測(cè)的溫濕度。如每隔10s檢測(cè)溫濕度，甚至一天僅檢測(cè)幾次，其余時(shí)間標(biāo)簽進(jìn)入深度體眠狀態(tài)，則將延長(zhǎng)電池使用時(shí)間［10］。

4 結(jié)束語(yǔ)

有源RFID電子標(biāo)簽對(duì)低功耗性能指標(biāo)要求極高，所以在設(shè)計(jì)低功耗性能突出的系統(tǒng)時(shí)，需要認(rèn)真考慮其軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。采用低功耗電路設(shè)計(jì)方法、低功耗器件選取方法和低功耗休眠機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的低功耗設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)對(duì)于使用電池供電以及利用環(huán)境能量供電的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有重要的意義。

［1］譚暉.Nordic中短距離無(wú)線應(yīng)用入門與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:156-188.

［2］孟海斌，張紅雨.基于有源RFID的極低功耗溫濕度傳感標(biāo)簽的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011(5):17-20.

［3］劉志平，趙國(guó)良.基于nRF24L01的近距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸［J］.應(yīng)用科技，2008(3):55-58.

［4］岳杰，李彤，夏斌，等.基于nRF9E5的無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010(5):36-37.

［5］曹磊.MSP430單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:30-32.

［6］曾勇，楊濤，馮月暉.基于nRF24L01的超低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2008(7):45-48.

［7］陳德海，梁毓明.低功耗溫室無(wú)線測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2010(5):65-68.

［8］楊海粟，吳長(zhǎng)奇，劉立芳.基于nRF905的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2010(15):55-62.

［9］譚暉.nRF無(wú)線SOC單片機(jī)原理與高級(jí)應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:10-20.

［10］鄭長(zhǎng)征，張勝全，吳傳菊.基于nRF9E5的糧庫(kù)無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］.糧油加工，2008(8):83-86.