張巍

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津300222）

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

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

筆者采用超低功耗單片機(jī)和無線數(shù)據(jù)傳輸芯片，設(shè)計了一種識讀距離遠(yuǎn)、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(biāo)簽，以MSP430F2012作為主控制器，nRF24L01作為射頻收發(fā)器，該電子標(biāo)簽具有體積小，成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。

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(biāo)簽系統(tǒng)，對各部分功能電路進(jìn)行詳細(xì)說明，并給出軟硬件設(shè)計方案。

1.1 MSP430F2012

MSP430F2012單片機(jī)是由TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的微控制器，低電壓范圍為1.8～3.6V，待機(jī)狀態(tài)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(yīng)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(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率，并可采用數(shù)字控制振蕩器（DCO最高可達(dá)16 MHz），使其從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)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(fù)位和增強(qiáng)型看門狗計時器增強(qiáng)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(shù)轉(zhuǎn)換器；支持SPI與I2C總線結(jié)構(gòu)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(chǎn)的射頻收發(fā)芯片，此芯片用于2.4～2.5 GHz ISM波段，內(nèi)部由頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制解調(diào)模塊組成。輸出功率、信道頻率和協(xié)議都可以很容易地通過一個SPI口進(jìn)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(nèi)建的低功耗與休眠模式可以大大減少功耗。它采用GFSK調(diào)制，在ISM頻段內(nèi)可設(shè)置126個信道，空中數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)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(guān)器件

基于對標(biāo)簽識別穩(wěn)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(dá)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(guān)，選通發(fā)送或接收電路。

2 電子標(biāo)簽硬件電路設(shè)計

筆者所設(shè)計的電子標(biāo)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(shè)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(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)有數(shù)據(jù)到達(dá)；RF管腳為發(fā)送/接收射頻信號的管道，與射頻開關(guān)相連；VDD_PA管腳與74LVC2G04相連，作為切換發(fā)送與接收狀態(tài)的信號。

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

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

圖2 收發(fā)狀態(tài)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(jīng)實(shí)測后，讀取范圍只能達(dá)到100 m左右。為了擴(kuò)大標(biāo)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(fā)射與接收狀態(tài)。

圖3 功率放大電路Fig.3 Power amplify circuit

在實(shí)際的測量中，增加PA后，本系統(tǒng)所設(shè)計的電子標(biāo)簽在500 m的范圍內(nèi)可被穩(wěn)定地掃描到，并且完全符合國家微功率（短距離）無線電設(shè)備的技術(shù)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(biāo)簽的尺寸，也使其易于安裝。

2.2 MSP430F2012接口電路

由于筆者設(shè)計的電子標(biāo)簽使用電池供電，為了保證標(biāo)簽可以長時間的穩(wěn)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(shè)計使用單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)字控制振蕩器（DCO），省去了外接晶振，節(jié)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(lián)后，經(jīng)簡單濾波即可與單片機(jī)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(chǎn)品中所特有的名為“Spy Bi-Wire”的調(diào)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(shù)據(jù)線），這樣燒寫程序更加快捷簡單，而且大大節(jié)約電路板的空間。

2.3 報警電路

報警功能是本設(shè)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(biāo)簽在用于船舶管理時，涉及到船舶登記、簽證、繳費(fèi)等操作，為了杜絕逃費(fèi)等違法行為，就需要標(biāo)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(biāo)簽中增加了拆卸報警功能，當(dāng)標(biāo)簽與船體分離后，會向讀寫器發(fā)出拆卸報警信號，使監(jiān)管部門及時了解情況。而低電量報警可以使監(jiān)管部門了解電子標(biāo)簽的使用情況，當(dāng)電池電量不足時可以及時更換，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。

具體設(shè)計如圖4所示，其中使用MSP430F2012的管腳12、4來檢測標(biāo)簽是否被拆除。本文設(shè)計的電子標(biāo)簽使用強(qiáng)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(tài)，且為高電平；4號管腳一直處于輸入狀態(tài)，正常情況下是通過F1接地的，即為低電平。一旦出現(xiàn)拆卸等行為會使銅箔斷裂，4號管腳輸入電壓發(fā)生變化，由低電平變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C(jī)立即產(chǎn)生報警信號并發(fā)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(jī)內(nèi)自帶的10位模數(shù)轉(zhuǎn)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(nèi)部參考電平，可定時檢測VCC電壓，軟件中設(shè)定好報警的閾值電壓，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時產(chǎn)生報警信號，發(fā)送給讀寫器。

3 軟件設(shè)計

RFID船舶管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程為：當(dāng)電子標(biāo)簽與船舶綁定后，為了節(jié)約能量，先處于休眠狀態(tài)，此時耗電量極低。當(dāng)船舶行駛到讀寫器覆蓋到的水域后，電子標(biāo)簽接收到讀寫器發(fā)來的喚醒信號后，會在極短的時間內(nèi)恢復(fù)工作狀態(tài)，并向外廣播自身的ID號及報警信息。當(dāng)船舶駛離該水域后，標(biāo)簽重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到再次進(jìn)入一個有讀寫器覆蓋的水域中。讀寫器收到標(biāo)簽發(fā)來的ID號后會發(fā)送回服務(wù)器端，管理人員可在數(shù)據(jù)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(jìn)行登船檢查，節(jié)約了人力物力。

設(shè)計的電子標(biāo)簽中的代碼使用C語言編寫，開發(fā)環(huán)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(huán)與3個中斷程序組成。計時器A中斷主要是處理標(biāo)簽發(fā)射時序的子程序，要確保標(biāo)簽與讀寫器交互的正確、迅速，兼顧電池壽命，可根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)計標(biāo)簽ID廣播的時間及空閑時間。PORT1中斷程序是處理單片機(jī)與射頻芯片之間進(jìn)行通信的子程序，當(dāng)射頻芯片接收到信號，需要通過IRQ管腳對單片機(jī)發(fā)出中斷請求，單片機(jī)會處理相關(guān)的數(shù)據(jù)。報警是處理電壓過低或標(biāo)簽被非法拆卸的子程序，當(dāng)發(fā)生以上事件時，進(jìn)入中斷子程序，并產(chǎn)生警報信號，通過射頻芯片傳遞給讀寫器。

4 結(jié)束語

筆者所設(shè)計的主動式電子標(biāo)簽可安裝在船舶駕駛室中，并符合船舶用電氣與電子設(shè)備的相關(guān)規(guī)范[6]。經(jīng)過內(nèi)河航道中的實(shí)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(nèi)讀寫器可穩(wěn)定讀取電子標(biāo)簽ID號及報警信息，性能達(dá)到要求[7]。以MSP430F2012作為主控制器，nRF24L01作為射頻收發(fā)器的2.4 GHz主動式電子標(biāo)簽，具有體積小，成本低，功耗小等優(yōu)點(diǎn)，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(lián)網(wǎng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]朱雯瑾，廉清云.RFID技術(shù)在內(nèi)河船舶管理中的應(yīng)用[J].中國水運(yùn):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(shù)在內(nèi)河船舶監(jiān)控中的應(yīng)用[C]//第六次中國物流學(xué)術(shù)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(shè)備的電磁兼容[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7]劉巖.RFID通信測試技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2010.