房延鵬+高澤華+亢雄偉

摘 要：分別介紹了讀寫器與有源電子標簽的軟件和硬件設(shè)計和實現(xiàn)方案。以CC1110芯片為核心，利用低頻喚醒和CSMA防碰撞技術(shù)，研制了一種基于433 MHz頻段的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，這一平臺結(jié)合自主開發(fā)的軟件可以應(yīng)用到多種場景。目前，這套平臺主要應(yīng)用于安全管理系統(tǒng)，利用該平臺提供的軟件和硬件，可方便地開發(fā)智能家居、室內(nèi)定位等應(yīng)用系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：CC1110；低頻喚醒；有源電子標簽；433 MHz讀寫器

中圖分類號：TN915.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-04

0 引 言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展。在信息與通信領(lǐng)域中，近些年，屬無線通信技術(shù)發(fā)展最快、應(yīng)用范圍最廣。而集成化、低功耗、易操作和低時延又是無線通信技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。短距離嵌入式無線數(shù)據(jù)通信和無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、工業(yè)控制等領(lǐng)域，儼然已成為電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)發(fā)展的一個熱點。本文根據(jù)上述特點要求，采用TI公司的CC1110芯片，并根據(jù)市場的需求設(shè)計出了一種適于資產(chǎn)和人員管理的RFID系統(tǒng)。

1 工作原理

這套系統(tǒng)主要由433 MHz有源讀寫器、帶125 kHz接收器的433 MHz電子標簽、125 kHz發(fā)送模塊、控制器等組成。電子標簽不僅能工作在433 MHz頻段與讀寫器進行通信，同時也能接收125 kHz的低頻ASK信號。這樣做的目的是使標簽不僅能發(fā)送自身的ID信息給讀寫器，同時也能把自身所處的位置（門內(nèi)或門外）信息發(fā)送給讀寫器。標簽發(fā)送給讀寫器的信息是固定格式的幀，其中包括標簽自身的ID信息、門內(nèi)和門外等信息，讀寫器通過解析標簽發(fā)送過來的幀，并做相應(yīng)的邏輯處理，就可判斷出標簽的狀態(tài)。其狀態(tài)主要有注冊、丟失、恢復、低電量、進門和出門。然后讀寫器把標簽的這些狀態(tài)信息發(fā)送到上一層系統(tǒng)，交由上層系統(tǒng)做進一步的容錯處理。這樣分層的好處是把大量的數(shù)據(jù)處理分散到各個層，避免某一層系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量過大，降低了整個系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理能力。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是主從結(jié)構(gòu)，讀寫器可以讀取多個標簽的信息，同時控制器可以接收多個讀寫器發(fā)送的信息，控制器主要由PC機或嵌入式系統(tǒng)充當，然后運行應(yīng)用軟件以用于顯示電子標簽的狀態(tài)信息。

2 標簽硬件電路的設(shè)計

電子標簽電路的設(shè)計主要包括控制模塊、高頻發(fā)射模塊和低頻接收模塊。高頻發(fā)射模塊采用TI公司的CC1110芯片，其內(nèi)部集成了一塊C8051單片機可充當控制模塊，免去了再外接控制模塊的麻煩，使得標簽的體積大大縮小。該芯片為低功率，低電壓無線通信應(yīng)用所設(shè)計，集成的8051單片機含有4 kB的RAM和32 kB的Flash。在高頻電路的設(shè)計中，R1是偏置電阻，大小為56 kΩ，用于設(shè)置精確的偏置電流。C8、C9、L2和L3構(gòu)成了平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，C10、C14、C11、L1和L4構(gòu)成濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，這兩部分電路結(jié)合可以與50 Ω的天線匹配，50 Ω天線采用PCB天線。高頻電路使用26 MHz晶振提為射頻供時鐘頻率，使用32.768 kHz 為睡眠定時器提供時鐘頻率。電源電壓為2.0～3.6 V，在電源供應(yīng)端口接合適的去耦電容。

低頻接收模塊采用AS3933芯片，AS3933是一款3通道低功率的ASK信號接收器，解調(diào)范圍在15～150 kHz，在成功解信號后能產(chǎn)生喚醒信號。通過設(shè)置AS3933的相關(guān)寄存器可以使其工作在單通道、雙通道和三通道模式下。低頻天線分為串聯(lián)諧振方式和并聯(lián)諧振方式，設(shè)計中采用并聯(lián)諧振方式，將電阻、電容和電感并聯(lián)，形成諧振電路。在低頻天線設(shè)計中，關(guān)鍵的技術(shù)指標是接收方向性和品質(zhì)因數(shù)，PREMO的3DC1515S-0477J的三維正交低頻天線，在X，Y，Z三個方向上都有感知天線，可以很好地克服低頻接收的方向性。根據(jù)3DC1515S-0477J的數(shù)據(jù)手冊，三維正交低頻天線在Z軸方向上的直流等效電阻Rz=142 Ω、電感Lz=5.89 mH，在X、Y軸方向上的直流等效電阻Rxy=93 Ω、電感Lxy=4.77 mH。低頻天線工作在f=125 kHz頻點，即此諧振電路的諧振頻率為125 kHz。低頻天線并聯(lián)諧振等效電路如圖1所示，其中Rp為并聯(lián)電阻，Cp為并聯(lián)電容，RL為天線線圈的直流等效電阻，L為天線線圈的電感值。

電路諧振時，根據(jù)湯姆遜公式可以計算出并聯(lián)電容的值：

（1）

當L=LZ=5.89 mH，f=125 kHz，代入（1）式求得CpZ=275.5 pF；當L=LXY=4.77 mH，f=125 kHz，代入（1）式求得CpXY=340.2 pF。AS3933內(nèi)部帶有諧振電容組，通過編程可以控制內(nèi)部諧振電容組的值，其值能以1 pF為步長到最大31pF，所以內(nèi)部諧振電容組可以充當諧振并聯(lián)的小容值電容。

圖1 低頻天線并聯(lián)諧振等效電路圖

低頻天線的品質(zhì)因數(shù)Q對天線的性能影響很大，通常來說，隨著Q值的升高，低頻喚醒作用的距離會增大，但是，Q值太高會影響接收數(shù)據(jù)的正確性，因為，高Q值會導致標簽通頻帶寬縮小。在3DC1515S-0477J 的datasheet中，推薦的Q值范圍為20～30，設(shè)計中可根據(jù)此Q值范圍設(shè)計相關(guān)參數(shù)。并聯(lián)諧振電路有載品質(zhì)因數(shù)Q的計算公式如下：

（2）

根據(jù)天線諧振電路相關(guān)參數(shù)，選取Q=25.1值。將Q值和計算得到的Cp代入（2）式，求得Z軸諧振并聯(lián)電阻： RpZ=470 kΩ；XY軸諧振并聯(lián)電阻RpXY=250 kΩ。整體電子標簽的電路圖如圖2所示。

3 標簽軟件設(shè)計

標簽采用雙頻段，一方面接收125 kHz模塊發(fā)送的低頻信息，另一方面發(fā)送固定格式的幀給433 MHz讀寫器。由于125 kHz發(fā)射模塊與標簽的AS39933低頻接收模塊通信的距離較近，在2～5 m之間。所以在門內(nèi)外各裝一塊125 kHz發(fā)射模塊，可以做到標簽在門外到門內(nèi)的過程中只和其中的一個125 kHz發(fā)送模塊通信。兩個125 kHz發(fā)射模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，用于區(qū)分是門內(nèi)還是門外。標簽把接收到的125 kHz信息解調(diào)后封裝成固定格式的幀發(fā)送給讀寫器，讀寫器根據(jù)接收到的信息可以判斷標簽的進出門過程，進門和出門只是標簽的兩種狀態(tài)，125 kHz主要功能就是讓標簽能把自身的位置信息報告讀寫器。標簽與讀寫器通信的幀格式如圖3所示。開頭為4C，表示這是普通的通信幀，4A代表標簽在門外，4B代表標簽在門內(nèi)，00000000000001表示標簽的ID號。

標簽與讀寫器之間采用改進的CSMA通信協(xié)議進行通信。主要涉及的邏輯是如何接收AS3933發(fā)送過來的低頻數(shù)據(jù)以及AS3933如何成功接收125 kHz信號。CC1110芯片通過SPI口對AS3933進行控制，通過配置各個相關(guān)工作寄存器，使其滿足低頻喚醒接收數(shù)據(jù)的要求。配置AS3933使其工作在Scanning Mode模式下，這是AS3933低功率模式的一個子模式，在這一模式下，時隙被定義為1 ms，在每一個時隙當中，只有一個通道被激活。當某一個時隙結(jié)束時，當前被激活的通道被關(guān)閉，下一個通道被激活，以此類推。Scanning Mode由AS3933芯片內(nèi)部控制，不需要外部MCU的干預，并且一個通道如果檢測到符合頻率的低頻信號時，3個通道都立刻被激活。同時AS3933可以評估各個通道的信號強度，從中選出信號強度最強的一個通道，并把這個最強的信號送至解調(diào)器進行解調(diào)。所以，在這種工作方式下，AS3933只需維持一個通道的工作電流，但可以保證接收靈敏度和三通道同時激活時的靈敏度相當。配置R0<7>寄存器，使AS3933喚醒需要滿足16位曼徹斯特喚醒類型碼（Pattern）檢測，數(shù)據(jù)接收開啟曼徹斯特解碼。

圖3 電子標簽發(fā)送的幀結(jié)構(gòu)

根據(jù)AS3933的硬件文檔，載波頭tc的時長應(yīng)滿足：（16Tclk+16Tcarr）3.5 ms，加上1位分離位，編制為11位曼徹斯特碼，tpb=4.026 ms；喚醒類型碼（Pattern）：在寄存器R6和R5中配置AS3933的16位喚醒類型碼的格式，編制為16位曼徹斯特碼；數(shù)據(jù)（Data）：編制為16位曼徹斯特碼，也就是8 b數(shù)據(jù)位，門外125 kHz發(fā)射模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)位為00000001，門內(nèi)為00000011。標簽如果接收下來的數(shù)據(jù)是00000001就發(fā)送4A00000000000001的幀給讀寫器，如果接收下來的數(shù)據(jù)是00000011就發(fā)送4B00000001的幀給讀寫器。

AS3933頻率檢測125 kHz的低頻波的載波頭、前導碼、喚醒類型碼滿足設(shè)定要求后，則喚醒管腳WAKE（8管腳）產(chǎn)生一個高電平通知CC1110，隨即在AS3933數(shù)據(jù)時鐘管腳CL_DAT（10管腳）輸出曼徹斯恢復時鐘脈沖，同時數(shù)據(jù)管腳DAT（9管腳）輸出曼徹斯特解碼數(shù)據(jù)。時鐘管腳CL_DAT的每個上升沿對應(yīng)一位曼徹斯特解碼后的數(shù)據(jù)。CC1110的P16口與AS3933的數(shù)據(jù)輸出管腳（DAT）相連，CC1110的P02管腳與AS3933的曼徹斯特恢復時鐘輸出管腳（CL_DAT）相連，并設(shè)置P02管腳為上升沿捕捉中斷，在中斷程序中讀取DAT管腳高低電平狀態(tài)，高電平則相關(guān)低頻變量賦1，低電平則賦0，每接收1位低頻數(shù)據(jù)，低頻變量左移1位。成功接收一個字節(jié)后，通過SPI口發(fā)送Clear_wake命令給AS3933，使其從接收模式重新轉(zhuǎn)到監(jiān)聽模式。低頻接收程序流程如圖4所示。標簽將接收到的低頻信息和自身的ID號封裝成固定的幀每隔一個隨機時間主動發(fā)送給讀寫器。由于考慮到標簽的耗電問題，要盡量使標簽大部分時間處于休眠狀態(tài)，休眠時間的長度是隨機的，并在一個隨機的時間點喚醒向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4 低頻數(shù)據(jù)接收流程圖

4 讀寫器硬件設(shè)計

讀寫器的硬件電路主要包括433 MHz射頻收發(fā)模塊。串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊。串口輸出模塊。433 MHz射頻模塊與電子標簽的射頻模塊相同，都采用CC1110芯片為主芯片，配以外圍電路構(gòu)成射頻模塊。串口模塊采用MX232芯片及外圍電路來搭建，MX232芯片由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS 232標準的芯片，由于電腦串口RS 232電平是-10 V，+10 V，而一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平0，+5 V，MAX232就是用來進行電平轉(zhuǎn)換的，該器件包含2個驅(qū)動器、2個接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊采用RM04，RM04是一個可插拔的模塊，其外圍電路與射頻模塊在同一塊射頻板上，外圍電路主要是對網(wǎng)口的設(shè)計，具體電路圖如圖5所示。

5 讀寫器的軟件設(shè)計

讀寫器與標簽之間是點對多點通信，防碰撞算法采用CSMA。每個標簽都在一個隨機的時間點向讀寫器發(fā)送信息，如果標簽不在門的附近，只發(fā)送普通的ID幀信息，否則就會發(fā)送帶有位置信息的幀信息。讀寫器如果既收到某個標簽的門內(nèi)信息又收到此標簽的門內(nèi)信息，并且收到門內(nèi)信息的時間點大于收到門外信息的時間點，讀寫器判斷標簽為一次入門過程，同理出門過程也是如此。標簽進入門內(nèi)后不會再發(fā)送位置信息，只是發(fā)送自身的ID號給讀寫器，讀寫器第一次接收到某個標簽的ID時，會把此信息存放在一個鏈表中，并向上層網(wǎng)關(guān)或PC機發(fā)送一條此標簽的注冊信息，并且每隔一定時間掃描鏈表里的標簽ID，如果在此間隔內(nèi)，有某個ID的標簽始終沒有與讀寫器通信過，則讀寫器判斷此標簽為丟失，如果在下一次或下幾次的掃描過程中發(fā)現(xiàn)此標簽又與讀寫器有通信過，則讀寫器判定此標簽丟失后又恢復，讀寫器會把標簽的這些狀態(tài)信息以一個固定的幀格式上傳到網(wǎng)關(guān)或PC機上，以便上層做進一步的處理。鏈表每個存儲元素是一個結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體中存儲著邏輯判斷所需要的標識信息，每一個存儲元素的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖 6 讀寫器中存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖6中，Norm位是接收標識位，標簽與讀寫器每成功通信一次就將此位設(shè)置成1；Lose位是丟失標識位，如果標簽丟失設(shè)置為1；In是門內(nèi)標識，標簽在門內(nèi)設(shè)置為1；In_tim是第一次接收到標簽在門內(nèi)信息的時間戳；Out是門外標識，標簽在門外設(shè)置為1；Out_tim是第一次接收到標簽在門外信息的時間戳。在定時器中斷程序中，讀寫器掃描鏈表結(jié)構(gòu)，檢查每個存儲結(jié)構(gòu)的各個標識位，如果Norm為0則判斷此標簽丟失并設(shè)置Losed位為1，如果Norm為1設(shè)置此位為零；如果Losed為1并且Norm為1，則判斷此標簽丟失又恢復并設(shè)置Lose和Norm位為0；如果In和Out位都為1，并且In_tim大于Out_tim，則判斷標簽為一次進門過程，并將In、Out、In_tim和Out_tim位設(shè)置為0；如果In和Out位都為1，并且In_tim小于Out_tim，則判斷標簽為一次出門過程，并將In、Out、In_tim和Out_tim位設(shè)置為0。一次中斷程序中，判斷邏輯流程如圖7所示。

6 應(yīng)用軟件設(shè)計

應(yīng)用軟件主要運行在網(wǎng)關(guān)或PC上，用于查看標簽的狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)或PC機作為Server，讀寫器作為Client，是一個主從式結(jié)構(gòu)。應(yīng)用軟件的設(shè)計主要涉及到多線程，每一條線程單獨為一個讀寫器服務(wù)，對讀寫器發(fā)送來的信息做進一步容錯處理，然后把這些信息顯示在界面上。軟件的實際運行結(jié)果如圖8所示。

圖 7 讀寫器中斷程序判斷邏輯流程圖

圖 8 軟件實際運行效果

7 結(jié) 語

本文詳細介紹了基于433 MHz頻段的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的硬件設(shè)計，同時也討論了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式。并根據(jù)市場需求，設(shè)計出一種適于資產(chǎn)和人員管理的有源電子標簽和讀寫器，該套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，耗電量低。標簽的體積較小，可以方便的貼在物品上，便于攜帶。根據(jù)實際測試，該套系統(tǒng)性能穩(wěn)定，誤報率低，可以滿足大部分廠家需求。

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