超低功耗有源RFID溫濕度傳感標(biāo)簽的設(shè)計與測試

井新宇

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214400)

0 引言

射頻識別(radio frequency identification，RFID)，俗稱電子標(biāo)簽。RFID射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號，通過空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。

RFID射頻識別技術(shù)通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)。RFID按照能源的供給方式分為無源RFID和有源RFID。無源RFID讀寫距離近、價格低;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)用場合。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計

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)簽具有對閱讀器的發(fā)射功率要求相對較低、有效閱讀距離較遠(yuǎn)的優(yōu)點，因此，應(yīng)用十分廣泛。但有源RFID溫濕度傳感標(biāo)簽對超低功耗、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別碼(即ID)，有源RFID溫濕度標(biāo)簽需要外接傳感器，對環(huán)境溫濕度進行測量。在閱讀器的有效工作范圍內(nèi)，標(biāo)簽主動地將自己的ID和所測得的溫濕度通過射頻發(fā)送給閱讀器，閱讀器將相關(guān)信息存儲在自己的存儲設(shè)備中。存儲在閱讀器中的數(shù)據(jù)通過RS-232/485等通信方式傳送給應(yīng)用系統(tǒng)，以便對數(shù)據(jù)作進一步處理，以實施環(huán)境溫濕度的監(jiān)控［1-2］。

1.2 硬件電路設(shè)計

溫濕度傳感標(biāo)簽硬件電路主要由nRF24L01射頻芯片、MSP430F1232單片機和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單片機的低功耗性能，利用其 SPI口與 nRF24L01通信［3］。

射頻模塊nRF24L01通過由MOSI、MISO和SCK組成的SPI接口，與 MSP430F1232相連。MSP430F1232單片機接32768Hz的低頻晶振，nRF24L01接16 MHz的晶振，通過低速的單片機控制高速收發(fā)的射頻芯片。系統(tǒng)上電時，單片機通過SPI對nRF24L01進行狀態(tài)配置。當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)射模式時，nRF24L01就把從單片機接收到的數(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用來監(jiān)測天線信號。若有同頻的信號，就加以接收并打開數(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信號置低電平并通知單片機來取走數(shù)據(jù)。

2 電子標(biāo)簽的低功耗設(shè)計

由于電子標(biāo)簽在監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)量眾多、分布廣泛，且長期工作在無人值守的狀態(tài)。因此，降低其功耗，延長電池壽命十分必要。本設(shè)計主要從器件選擇、軟硬件設(shè)計等方面來降低標(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 MSP430F449，其工作電壓范圍為1.8～3.6 V，本設(shè)計采用2.2 V 電壓供電。

低功耗的實現(xiàn)與其靈活的時鐘系統(tǒng)密切相關(guān)。MSP430單片機具有5種用來實現(xiàn)超低功耗性能的低功耗模式。MSP430系列單片機提供1～2個外部晶振輸入和1個內(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系列采用了增強鎖相環(huán)技術(shù)(phase locked loop，PLL)，通過低頻時鐘(LFXT1)、高頻時鐘(XT2)和片內(nèi)數(shù)字控制RC振蕩器(DCO)，產(chǎn)生4種時鐘信號，即輔助時鐘(ACLK)、分頻輔助時鐘(ACLK/n)、主時鐘(MCLK)和子系統(tǒng)時鐘(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以下兩種方式實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗:①按一定比例降低主時鐘頻率;②通過程序設(shè)計和時鐘頻率控制，實現(xiàn)最優(yōu)化的系統(tǒng)低功耗［4］。

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

通過前文分析可知，任何一種低功耗模式只能與活動模式進行切換。這樣MCU可在整個過程中長時間保持睡眠狀態(tài)，只有產(chǎn)生中斷時才激活，中斷響應(yīng)時間僅為 6 μs。

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

2.2 無線傳輸模塊的低功耗設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他標(biāo)簽進行無線通信，交換控制信息并采集、收發(fā)數(shù)據(jù)。無線通信消耗的能量占據(jù)了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的絕大部分，因此對這一模塊的選取和設(shè)計關(guān)系到低功耗設(shè)計的全局。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)計選用NORDIC公司的高速、低功耗、低成本的2.4 GHz無線收發(fā)芯片nRF24L01。它具有增強型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SPI接口進行設(shè)置。nRF24L01有掉電模式(power down)、待機模式 I(standby-I)、待機模式 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)時才轉(zhuǎn)入TX或RX模式。各種模式間的轉(zhuǎn)換過程也會產(chǎn)生功耗，模式間切換的延時主要由晶振起振的穩(wěn)定時間決定，選擇起振快、負(fù)載電容小的晶振可以減小延時。

對于無線數(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)處于待機模式

待機模式可以將系統(tǒng)平均電流消耗降到很小，在沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時，可以保證快速進入ShockBurst RX和ShockBurst TX模式。5種工作模式下的電流和nRF24L01的工作時序分別如表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通過設(shè)置配置寄存器的PWR_UP位為低進入掉電模式，達到最低功耗;設(shè)置配置寄存器的PWR_UP位為高進入standby-I。standby-I可以使無線部分在電流比較低的情況下有較短的反應(yīng)時間。設(shè)置PWR_UP為高、PRIM_RX為低，此時數(shù)據(jù)載荷已在TX_FIFO中，同時 CE出現(xiàn)10 μs的高電平脈沖，即進入發(fā)射模式。nRF24L01具有自動應(yīng)答和自動重發(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，例如自動應(yīng)答和自動重發(fā)等。

②采用短距離多跳數(shù)傳輸

無線信號在空氣中的傳播與通信距離呈指數(shù)關(guān)系。衰減節(jié)點的通信距離將直接影響無線通信模塊的發(fā)射功率，進而引出功耗的問題。通過寄存器將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

通過降低輸出功率，可以降低電子標(biāo)簽的功耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有自組織、中斷自我修復(fù)的功能，需要設(shè)計合適的通信協(xié)議和路由算法，以實現(xiàn)短距離、自組織和多跳數(shù)傳輸數(shù)據(jù)的無線通信系統(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)計采用低功耗的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11。該傳感器在測量和傳輸完成后將自動轉(zhuǎn)入休眠模式，等待下次命令的開始，從而降低傳感器模塊的功耗。SHT11具有極高的可靠性與長期穩(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

電子標(biāo)簽軟件低功耗設(shè)計的流程如圖5所示。

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

采用定時中斷的方法實現(xiàn)電子標(biāo)簽按一定的時間間隔進行溫濕度的采集與無線傳輸，定時器定時時間可以設(shè)定為10s，具體步驟如下。

① 初始化MSP430時鐘、定時器、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、地址和校驗等;

③MCU打開全局中斷;

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進入TX模式開始發(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，完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送，此時應(yīng)立即使nRF24L01進入掉電模式。

2.5 低功耗電源設(shè)計

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90%，能自動切換升壓/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、過熱保護，具有節(jié)電模式。

2.6 PCB 布局設(shè)計

PCB布局對系統(tǒng)性能和功耗影響很大。nRF24L01的供電電源必須經(jīng)過良好的濾波，與數(shù)字電源走線分開，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孔連接，值得注意的是，所有數(shù)字信號和控制信號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 功耗測試與估算

功耗測試與估算采用示波器測試nRF24L01在各個工作過程所持續(xù)的時間和所消耗的電流，溫濕度標(biāo)簽電池使用時間的計算基于平均電流，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個過程所消耗的電流;tn為執(zhí)行第n個過程所需要的時間。

通過串聯(lián)采樣電阻，實現(xiàn)電流/電壓的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電流的測量。設(shè)計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)字存儲示波器進行測量。測得脈沖的幅值約為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，由上述公式可計算得到電池的使用時間為6.5年。如果考慮到電池的實際自放電率，實際使用時間會更短一些，本計算得到的是標(biāo)簽每隔0.2 s檢測的溫濕度。如每隔10s檢測溫濕度，甚至一天僅檢測幾次，其余時間標(biāo)簽進入深度體眠狀態(tài)，則將延長電池使用時間［10］。

4 結(jié)束語

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

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