低功耗半主動(dòng)式水質(zhì)傳感電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)

姚達(dá)雯，周國(guó)平

（南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210037）

引 言

傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)以人工采集為多。隨著信息化與數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于ZigBee無(wú)線技術(shù)與GPRS通信技術(shù)的水質(zhì)檢測(cè)方案已逐漸被應(yīng)用和實(shí)踐；然而這些方案工作量大，節(jié)點(diǎn)電池需要定期更換，收發(fā)信息有時(shí)還需要收費(fèi)，導(dǎo)致成本提高。本文將射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)和低頻喚醒技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款操作方便的低電耗、低成本的半主動(dòng)式水質(zhì)傳感電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、PH值等水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與通信。與主動(dòng)式電子標(biāo)簽相比，功耗更低；與被動(dòng)式電子標(biāo)簽相比，通信距離更遠(yuǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

半主動(dòng)式電子標(biāo)簽的硬件系統(tǒng)主要分為控制模塊、低頻喚醒模塊、無(wú)線發(fā)射模塊、傳感器模塊和電源模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片，系統(tǒng)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)在一定范圍內(nèi)通過(guò)AS3933低頻喚醒模塊被低頻信號(hào)喚醒時(shí)，則處于工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器組和信號(hào)調(diào)理電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、PH值等數(shù)據(jù)的采集和處理。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊CC1150實(shí)現(xiàn)與閱讀器的通信。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 MSP430F149主控芯片

電子標(biāo)簽的主控芯片選擇TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的MSP430F149單片機(jī)。此系列單片機(jī)電源電壓為1.8～3.6 V，內(nèi)部集成一個(gè)8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩通道串行通信接口，多達(dá)60 KB Flash ROM和2 KB RAM。共有1種活動(dòng)模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0～LPM4）。在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流最低在165μA左右；在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá)2.5μA；在RAM保持模式下，最低可達(dá)0.1μA。

1.3 低頻喚醒模塊

低頻喚醒模塊以?shī)W地利微電子公司生產(chǎn)的超低功耗低頻接收芯片AS3933為核心。AS3933在休眠模式下，最大工作電流為0.2μA；接收模式下，最大工作電流為6.7μA；工作電壓為3 V。內(nèi)部集成3個(gè)天線可以自由調(diào)節(jié)的接收信號(hào)通道，接收頻率范圍廣泛，為15～150 k Hz。支持可編程16位或32位曼徹斯特喚醒碼，支持可編程數(shù)據(jù)速率和帶時(shí)鐘恢復(fù)的曼徹斯特解碼。低頻喚醒電路如圖2所示，MSP430F149通過(guò)SPI接口配置AS3933的工作方式，喚醒引腳WAKE與MSP430F149的P0口相連，解碼時(shí)鐘引腳CL＿DAT和數(shù)據(jù)引腳DAT與MSP430F149的P1口相連。

圖2 低頻喚醒電路

1.4 無(wú)線發(fā)射模塊

無(wú)線發(fā)射模塊以TI公司生產(chǎn)的低功耗單片UHF無(wú)線發(fā)射器CC1150為核心。CC1150工作電壓為1.8～3.6 V，發(fā)射功率10 dB下最大電流消耗為26 m A，支持300～348 MHz、400～464 MHz和800～928 MHz三個(gè)頻段的UHF信號(hào)發(fā)送，支持曼徹斯特編碼和ASK、OOK等多種調(diào)制方式。無(wú)線發(fā)射電路如圖3所示，MSP430F149通過(guò)SPI接口將采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)寫入CC1150的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，采用3 V電壓經(jīng)過(guò)濾波電路后為芯片供電，信號(hào)通過(guò)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換電路和π型網(wǎng)絡(luò)由天線發(fā)射出去。

1.5 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊由傳感器組和信號(hào)調(diào)理電路組成。傳感器組采用美國(guó)Global Water公司生產(chǎn)的WQ101型溫度傳感器、WQ201型PH值傳感器、WQ301型電導(dǎo)率傳感器、WQ401型溶解氧傳感器和WQ700型濁度傳感器。WQ系列傳感器具有精度高，準(zhǔn)確性、可靠性強(qiáng)及成本低等特點(diǎn)。信號(hào)調(diào)理電路用于實(shí)現(xiàn)由各種傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)向標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的轉(zhuǎn)變，以便于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理。如圖4所示，采用LM358型運(yùn)算放大器構(gòu)成前級(jí)同相放大電路和后級(jí)差分放大電路，并通過(guò)調(diào)節(jié)電路中的相關(guān)電位器達(dá)到信號(hào)調(diào)理的目的。

圖3 無(wú)線發(fā)射電路

圖4 傳感器信號(hào)調(diào)理電路

1.6 電源模塊

電子標(biāo)簽選擇干電池供電。由于各模塊所需的電源電壓不同，故設(shè)計(jì)了電源轉(zhuǎn)換模塊。主要包括實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3 V電壓的MCP1612同步降壓穩(wěn)壓變換電路，以及實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V電壓的TLV1117-3.3低壓差線性穩(wěn)壓電路，如圖5所示。

圖5 電源轉(zhuǎn)換電路

2 軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要由初始化程序、休眠設(shè)置程序、低頻喚醒程序和無(wú)線發(fā)射程序組成。主程序流程如圖6所示，初始化MSP430F149單片機(jī)及其外部設(shè)備后，首先進(jìn)入休眠狀態(tài)并打開(kāi)中斷。當(dāng)接收到低頻喚醒中斷時(shí)，MSP430F149單片機(jī)解析并匹配低頻數(shù)據(jù)，匹配完成后通過(guò)傳感器探頭進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換盒存儲(chǔ)，再通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成一次完整的水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集。

圖6 主程序流程

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)置

CC1150無(wú)線發(fā)射模塊通過(guò)TI公司推出的Smart RF studio軟件進(jìn)行最優(yōu)寄存器評(píng)定和性能測(cè)評(píng)。設(shè)置界面如圖7所示，調(diào)制模式選擇ASK/OOK，晶振頻率選擇27 MHz，基準(zhǔn)頻率選擇315 MHz。鍵入后，軟件會(huì)自動(dòng)把基準(zhǔn)頻率修定為314.999 725 MHz，右側(cè)的Register View會(huì)給出相關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)。

2.3 低頻喚醒程序

AS3933低頻喚醒程序流程如圖8所示。當(dāng)電子標(biāo)簽工作時(shí)，由閱讀器發(fā)送低頻信號(hào)，AS3933接收到由曼徹斯特編碼構(gòu)成的喚醒接收數(shù)據(jù)后，喚醒引腳WAKE產(chǎn)生高電平，通過(guò)P0口喚醒 MSP430F149。MSP430F149通過(guò)捕捉時(shí)鐘管CL＿DAT的上升沿中斷和讀取數(shù)據(jù)引腳DAT的電平狀態(tài)，完成12字節(jié)低頻數(shù)據(jù)的接收，整個(gè)低頻喚醒過(guò)程約為0.2 s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7 CC1150設(shè)置界面

圖8 低頻喚醒程序

筆者對(duì)調(diào)試好的標(biāo)簽進(jìn)行了室外的實(shí)際測(cè)試，于2013年12月28日14：00對(duì)南京林業(yè)大學(xué)紫湖溪進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)如表1所列。經(jīng)測(cè)試，電子標(biāo)簽的低頻喚醒距離在3.5 m左右，在休眠狀態(tài)下電流僅為45μA，低頻喚醒后的工作電流為250μA，達(dá)到了低功耗的要求。

鑒于溶解氧和PH值在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有大幅度的改變，為了驗(yàn)證電子標(biāo)簽工作的穩(wěn)定性，對(duì)一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的溶解氧和PH值進(jìn)行了間隔為60 s的10次采集，并將數(shù)據(jù)錄入Origin軟件進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖9所示。分別為溶解氧在6.0 mg/L和PH在6.8上下略微浮動(dòng)的近似直線，最大偏差分別在0.2mg/L和0.1以內(nèi)，滿足穩(wěn)定性要求。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

筆者從硬件和軟件兩方面詳細(xì)介紹了半主動(dòng)式水質(zhì)傳感電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方案。以低功耗要求為前提，以射頻識(shí)別技術(shù)和低頻喚醒技術(shù)為理論基礎(chǔ)，將低功耗芯片MSP430F149與低頻喚醒芯片AS3933和CC1150無(wú)線發(fā)射模塊相結(jié)合，完成了低功耗水質(zhì)傳感標(biāo)簽的設(shè)計(jì)、調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，取得了準(zhǔn)確、穩(wěn)定的采集結(jié)果和良好的通信效果。

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