尤義山， 曾 偉， 張金霞， 余 綜

(華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京100083)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用無線射頻識別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“InternetofThings”。在這個網(wǎng)絡(luò)中，物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動識別技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品(商品)的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。傳感技術(shù)主要服務(wù)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示或打印的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應(yīng)有盡可能高的采樣速度，以滿足實(shí)時采集、實(shí)時處理和實(shí)時控制的要求。

傳感器及智能標(biāo)簽的供電問題已成為制約其應(yīng)用的一個瓶頸。能量收集技術(shù)是將環(huán)境中的能量，如機(jī)械振動、光能、溫度變化、電磁能量、化學(xué)能、風(fēng)能、熱能等，進(jìn)行收集并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，以解決標(biāo)簽或傳感器使用中的供電問題。本方案嘗試采用無線射頻能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量收集，由于收集的能量密度低，相應(yīng)的電源管理和低功耗技術(shù)對智能傳感標(biāo)簽的供電問題也至關(guān)重要。

無線射頻識別技術(shù)（radio frequencyidentification，RFID）是一種非接觸的自動識別技術(shù)。RFID技術(shù)同條形碼等傳統(tǒng)的識別技術(shù)相比，具有抗干擾能力強(qiáng)、信息量大、非視覺范圍讀寫和壽命長等特點(diǎn)，被廣泛用于物流、供應(yīng)鏈、動物和車輛識別、門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域。RFID的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。RFID系統(tǒng)由3部分組成，第一部分是標(biāo)簽，它被固定在物體上，并由一個特殊的ID號(Identification）來標(biāo)定其身份。第二部分是讀寫器，讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送命令，然后接收存儲在標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。最后一部分是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，它的功能是存儲信息和管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠與固定在遠(yuǎn)處的閱讀器進(jìn)行通信，從而能夠在任意時間獲取標(biāo)簽中的信息。

標(biāo)簽可以分為無源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽、有源標(biāo)簽和智能傳感標(biāo)簽[1]。無源標(biāo)簽具有被無線射頻識別技術(shù)識別的功能，半有源標(biāo)簽相對于無源標(biāo)簽增加了自動處理傳感數(shù)據(jù)的功能，有源標(biāo)簽相對于半有源標(biāo)簽增加了電源管理的功能，而智能傳感標(biāo)簽相對于有源標(biāo)簽增加了智能感知周圍環(huán)境的功能。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在某些應(yīng)用場合當(dāng)中，傳統(tǒng)的電子標(biāo)簽已經(jīng)不能滿足要求。例如,許多食品和藥品等的包裝必須在特定的溫度和低污染環(huán)境下存儲運(yùn)輸，一般的標(biāo)簽無法了解和監(jiān)控商品保存的溫度和保質(zhì)情況，而智能傳感標(biāo)簽就可以在產(chǎn)品貯運(yùn)過程中實(shí)時監(jiān)控對溫度要求敏感、易腐爛的產(chǎn)品的溫度，警示廠商防止溫度變化對產(chǎn)品的影響。智能傳感標(biāo)簽在商品生產(chǎn)、儲運(yùn)、銷售的庫存管理等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于MSP430的智能傳感標(biāo)簽?zāi)M系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該智能傳感標(biāo)簽符合ISO/IEC18000-6C[2]標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)含有溫度傳感器和加速傳感器以及存儲系統(tǒng)，可以定時的采集外部溫和加速度等數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)可以存放在EEPROM里面，符合ISO/IEC18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器可以讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還可以無線收集能量[3]，收集的能量存儲到一個超級電容里，給系統(tǒng)供電。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)采用MSP430系列低功耗單片機(jī)MSP430F2132作為微控制器，主要控制溫度傳感器、加速傳感器、EEPROM的讀寫、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、電源管理等。

圖2 智能傳感標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)

MSP430F2132是一個16位的、低功耗的單片機(jī)[4]。當(dāng)MSP430F2132的工作電壓為2.2V，主頻率為1MHz時，其工作電流是200uA，當(dāng)單片機(jī)處于LPM3的低功耗模式時，其工作電流為0.7uA，因此選用MSP430F2132（以下簡稱MSP430）作為系統(tǒng)的微控制器。MSP430有3組I/O口，每組有8個I/O口引腳。MSP430的I/O口一般都是GPIO口和專用接口復(fù)用管腳。通過對 PXSEL寄存器的編程可以選定 I/O口引腳作為GPIO口或者是專用接口。MSP430的部分引腳功能定義見表1。

溫度傳感器和加速傳感器分別將外部溫度和加速度轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，然后通過MSP430內(nèi)部的ADC再將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，因此，溫度傳感器和加速傳感器的模擬信號輸入分別接MSP430的ADC輸入通道P3.7、P2.0、P2.1和 P2.2。由于溫度傳感器和加速傳感器的工作電流很小，MSP430的IO口電流足以支持其進(jìn)行正常工作，因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)時，將P1.0和P1.5分別作為溫度傳感器或者加速傳感器的供電接口。當(dāng)P1.0和P1.5置高時，溫度傳感器和加速傳感器可以正常工作；當(dāng)P1.0和P1.5置低時，溫度傳感器和加速傳感器關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)利用IO口控制傳感器工作狀態(tài)，以達(dá)到以減小系統(tǒng)的功耗的目的。

表1 MSP430的部分引腳功能定義

MSP430通過內(nèi)部IIC模塊讀寫EEPROM。P3.1和P3.2引腳作為MSP430內(nèi)部I2C模塊的數(shù)據(jù)信號線和時鐘信號線，分別連接EEPROM的數(shù)據(jù)線和時鐘線。

無線能量收集模塊將從環(huán)境收集的電磁能量轉(zhuǎn)換后進(jìn)行儲存，隨后分配到微控制器、射頻收發(fā)部件，保證其電源需求。無線能量收集主要采用倍壓整流的原理，利用濾波電容的存儲作用，由多個電容和二極管獲得幾倍于輸入電壓的輸出電壓。天線[5]接收到860MHz到960MHz頻段之間的無線電波信號將其轉(zhuǎn)化成交流電，經(jīng)過5級倍壓整流電路[6]和穩(wěn)壓電路后，轉(zhuǎn)化為直流電，給系統(tǒng)提供正常工作所需要的電壓，并且可以對超級電容充電，超級電容充當(dāng)電池的作用，使MSP430能夠持續(xù)工作。

當(dāng)超級電容的電壓大于或者等于1.8V時，MSP430才能正常工作。為了防止工作時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)因?yàn)楣╇婋妷翰蛔愣鴣G失，當(dāng)超級電容的電壓低于2V時，MSP430將處于低功耗模式，此時，系統(tǒng)可以通過無線充電方式給超級電容充電，當(dāng)充電電壓大于2V，系統(tǒng)將正常工作。因此，對于電壓監(jiān)視引腳，需要配置成外部中斷方式，當(dāng)超級電容的電壓大于2V時，外部中斷將MSP430從低功耗模式喚醒。

2 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。系統(tǒng)軟件主要包括接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、與讀寫器模塊交互狀態(tài)圖、傳感器定時采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)等5部分。當(dāng)系統(tǒng)供電電壓大于1.8V時，系統(tǒng)開始啟動。如果供電電壓小于2V，系統(tǒng)剛啟動后就會進(jìn)入休眠狀態(tài)。此時，系統(tǒng)繼續(xù)收集能量，當(dāng)供電電壓大于2V時，系統(tǒng)將被喚醒，開始定時的采集數(shù)據(jù)，并做準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)的處理。該模擬標(biāo)簽等待接收數(shù)據(jù)時，將處于低功耗模式。標(biāo)簽接收到讀寫器發(fā)送的命令后，將對命令解析，并向讀寫器返回?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)模擬標(biāo)簽與讀寫器完成一次完整的交互后，程序?qū)z測系統(tǒng)供電電壓是否低于2V，如果低于2V，系統(tǒng)將處于低功耗模式，否則標(biāo)簽等待與讀寫器進(jìn)行下一次交互。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

2.1 接收數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

ISO/IEC18000-6C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼格式為PIE（pulse-intervalencoding）編碼，因此標(biāo)簽接收讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)主要是對PIE編碼的解碼。PIE編碼格式如圖4所示。圖4中PW為脈沖寬度，Tari為一個比特0的長度，一般在6.25 s到25 s之間。

圖4 PIE編碼

發(fā)送數(shù)據(jù)之前，讀寫器首先發(fā)送一段界定符，界定符的長度大約為12.5 s，再發(fā)送一個比特0編碼，然后再發(fā)送RTcal(R=>Tcalibration，其長度等于比特0和比特1的編碼長度之和），如果是查詢命令(Query)則再發(fā)送TRcal(T=>Rcalibration，其長度在1.1倍的RTcal和3倍的RTcal之間)，然后在發(fā)送數(shù)據(jù)。如果是其它命令，則讀寫器發(fā)送完RTcal之后直接發(fā)送數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用MSP430計(jì)時器捕獲中斷的方式接收數(shù)據(jù)[7]，接收數(shù)據(jù)的引腳P1.2為MSP430計(jì)時器的捕獲模式輸入，將捕獲模式設(shè)置成上升沿觸發(fā)，每次捕獲中斷時可以記錄計(jì)時器的值，計(jì)時器的值即為捕獲時間。第二次捕獲中斷時捕獲時間即為RTcal的值，如果第三次捕獲中斷時，捕獲時間大于RTcal，則捕獲時間的值即為TRcal，否則為數(shù)據(jù)。第四次及其以后的捕獲中斷則為數(shù)據(jù)，如果捕獲中斷時，捕獲時間大于RTcal的一半，則是比特1，如果捕獲時間小于RTcal的一半，則是比特0。

2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

ISO/IEC18000-6C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼格式為FM0、Miller2、Miller4或者是Miller8。FM0的編碼如圖5所示。其它3種編碼示意圖詳見ISO/IEC18000-6C標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 FM0編碼

系統(tǒng)采用MSP430定時器的比較模式發(fā)送數(shù)據(jù)。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后再進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送數(shù)據(jù)引腳P1.1為MSP430定時器的比較模式的輸出引腳，將比較模式的輸出設(shè)置成翻轉(zhuǎn)模式。首先初始化比較寄存器TACRR0，當(dāng)計(jì)數(shù)寄存器TAR的值大于或者等于TACRRO時，輸出的波形將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，程序只需在適當(dāng)?shù)臅r候改變比較寄存器TACRR0的值，即可得到相應(yīng)的編碼。

2.3 與讀寫器交互狀態(tài)圖的實(shí)現(xiàn)

按照ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，標(biāo)簽在交互過程中有就緒、仲裁、回復(fù)、應(yīng)答、開放、保護(hù)、殺死等7種狀態(tài)。根據(jù)讀寫器發(fā)送不同的命令，標(biāo)簽將進(jìn)入對應(yīng)的狀態(tài)。標(biāo)簽的狀態(tài)變遷圖[8]如圖6所示。

智能傳感標(biāo)簽上電復(fù)位后將處于就緒態(tài)，當(dāng)標(biāo)簽接收到Select命令時，將被標(biāo)記成已選標(biāo)記或者某一個會話方式，標(biāo)簽收到查詢命令后，如果檢測到查詢命令設(shè)定的選定標(biāo)記或者會話方式與最近一次收到的Select命令不相同，標(biāo)簽將停留在就緒態(tài)，否則標(biāo)簽將進(jìn)入仲裁狀態(tài)或者回復(fù)狀態(tài)。處于仲裁狀態(tài)的標(biāo)簽，當(dāng)收到QueryAdjust或者QueryRep命令時，如果槽計(jì)數(shù)值不等于0，標(biāo)簽將停留在仲裁狀態(tài)，否則標(biāo)簽將轉(zhuǎn)到回復(fù)狀態(tài)。處于回復(fù)狀態(tài)的標(biāo)簽，當(dāng)收到QueryAdjust命令時，如果槽計(jì)數(shù)值等于0，標(biāo)簽將停留在回復(fù)狀態(tài)；當(dāng)收到QueryRep命令時，標(biāo)簽將轉(zhuǎn)到仲裁狀態(tài)。處于應(yīng)答狀態(tài)的標(biāo)簽，當(dāng)收到Reg_RN命令時，如果檢測到收到的16位隨機(jī)數(shù)與最近一次回復(fù)的隨機(jī)數(shù)不相同，標(biāo)簽將停留在應(yīng)答狀態(tài)，否則標(biāo)簽將轉(zhuǎn)到開放或者保護(hù)狀態(tài)。處于開放狀態(tài)的標(biāo)簽，如果接收到Reg_RN、Read、Write、Lock等命令時，將停留在開放狀態(tài)；如果接收到QueryRep、QueryAdjust命令，將轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài)；如果接收到Access命令，將轉(zhuǎn)到保護(hù)狀態(tài)；如果接收到Kill命令，當(dāng)殺死密碼不等于0時將轉(zhuǎn)到殺死狀態(tài)，否則維持開放狀態(tài)。處于保護(hù)狀態(tài)的標(biāo)簽，如果接收到Reg_RN、Read、Write、Lock等命令時，將停留在保護(hù)狀態(tài)；如果接收到QueryRep、QueryAdjust命令，將轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài)；如果接收到Kill命令，當(dāng)殺死密碼不等于0時，將轉(zhuǎn)到殺死狀態(tài)，否則維持保護(hù)狀態(tài)。

圖6 標(biāo)簽狀態(tài)變遷

系統(tǒng)根據(jù)圖6所示的狀態(tài)圖編程，在每種狀態(tài)下都要處理相應(yīng)的命令，程序根據(jù)命令碼以及命令的長度來判斷接收到的命令是否正確。部分18000-6C的命令碼以及長度見表2。

表2 部分命令編碼以及命令長度

2.4 傳感器定時采集數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

傳感器定時采集數(shù)據(jù)采用MSP430定時器中斷方式實(shí)現(xiàn)。MSP430外部接了一個32.768KHz的低速晶振，作為MSP430的定時器的時鐘輸入。MSP430共有5種低功耗模式，分別為LPM0（low power mode 0）、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。LPM0到LPM4耗電量逐漸減少。由于 MSP430外部接了一個低速晶振，因此，該系統(tǒng)可以達(dá)到LPM3模式，處在LPM3模式的下的系統(tǒng)功耗僅為1uA(工作電壓2.2V，工作頻率1MHz)。溫度傳感器和加速傳感器分別將外部溫度和加速度轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，MSP430內(nèi)部的ADC再將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。系統(tǒng)可以定時的采集外部溫度和加速度數(shù)據(jù)，并存入EEPROM。定時器中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示。

2.5 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的存儲器采用外部EEPROM。系統(tǒng)采用MSP430內(nèi)部集成內(nèi)部的I2C模塊接口讀寫EEPROM。MSP430內(nèi)部的I2C模塊主要包括控制寄存器UCBXCTL0和UCBXCTL1、波特率寄存器UCBXBR0和UCBXBR1、狀態(tài)寄存器UCBXSTAT、接收寄存器UCBXRXBUF、發(fā)送寄存器UCBXTXBUF、從機(jī)地址寄存器UCBXI2CSA以及中斷控制寄存器UCBXI2CIE等。寄存器UCBXCTL0和UCBXCTL1主要配置I2C的從機(jī)模式或者是主機(jī)模式、從機(jī)地址位數(shù)、I2C時鐘選擇、I2C總線開始和停止信號等。波特率寄存器UCBXBR0和UCBXBR1主要配置I2C總線的速率。狀態(tài)寄存器UCBXSTAT主要獲得I2C總線的狀態(tài)。發(fā)送寄存器UCBXTXBUF主要作為發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖寄存器。接收寄存器UCBXRXBUF主要作為接收數(shù)據(jù)的寄存器。

圖7 定時器中斷服務(wù)流程

從EEPROM讀取數(shù)據(jù)時，首先將MSP430初始化為主機(jī)模式，設(shè)置I2C時鐘信號的頻率，然后依次發(fā)送總線開始命令、向EEPROM寫入數(shù)據(jù)命令、EEPROM子地址命令、從EEPROM讀取數(shù)據(jù)命令，最后可以連續(xù)的從 EEPROM讀取數(shù)據(jù)。向EEPROM寫入數(shù)據(jù)時，首先將MSP430初始化為主機(jī)模式，設(shè)置 I2C時鐘信號的頻率，然后依次發(fā)送總線開始命令、向EEPROM寫入數(shù)據(jù)命令、EEPROM子地址命令，最后可以連續(xù)的向EEPROM寫入數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

與普通的標(biāo)簽相比，文章中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的智能傳感標(biāo)簽增加了無線收集能量和定時采集外部溫度以及加速度數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理和存儲的功能。該智能傳感標(biāo)簽體積小、功耗低。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)智能傳感標(biāo)簽周圍的電磁場強(qiáng)達(dá)到600 W/cm2時，超級電容（容量0.1F，工作電壓5.5V）充滿電的時間是12分鐘，微控制器MSP430可以連續(xù)工作80小時以上，當(dāng)有讀寫器讀取智能傳感標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)時，超級電容可以利用讀寫器發(fā)出的場強(qiáng)繼續(xù)充電。無線收集能量可以保證模擬的智能傳感標(biāo)簽系統(tǒng)的供電，使智能傳感標(biāo)簽可以持續(xù)的工作。智能傳感標(biāo)簽每隔20s將采集一次外部溫度和加速度數(shù)據(jù)，并存儲采集的數(shù)據(jù)。符合ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器可以讀取智能傳感標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)環(huán)境下，該模擬智能傳感標(biāo)簽已經(jīng)完全滿足智能傳感標(biāo)簽在供電、環(huán)境感知、數(shù)據(jù)存儲、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴男枨?。該模擬智能傳感標(biāo)簽經(jīng)過優(yōu)化后，在商品生產(chǎn)、儲運(yùn)、銷售的庫存管理等領(lǐng)域?qū)袕V闊的應(yīng)用場景，根據(jù)實(shí)際需求選用不同的傳感器單元，還可以應(yīng)用于各種需實(shí)時感知環(huán)境，且對自供電較高要求的場合。

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