鄭淼淼 ， 趙蒼榮

（1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001；2.淮南市山南開發(fā)建設(shè)有限公司，安徽 淮南232001）

射頻識別技術(shù) （Radio Frequency Identification，RFID）是近年迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)非接觸式信息傳遞，達到自動識別目的[1]。其主要的優(yōu)點是環(huán)境適應性強、不受雨雪、冰雹、灰塵等的影響，可全天候、無接觸地完成自動識別、跟蹤與管理，且可以穿透非金屬物體進行識別，抗干擾能力強[2]。RFID系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)組成。電子標簽可分為被動式和主動式兩種。被動式標簽無需電池，由讀寫器產(chǎn)生的磁場中獲得工作所需的能量，但讀取距離較近，且單向通信，局限性較大。RFID主動式電子標簽不但具備被動式電子標簽的很多特性，而且還具有讀取距離更遠，性能更可靠，壽命長等優(yōu)點[3]。文中提出一種應用超低功耗單片機MSP430F147和無線傳輸收發(fā)芯片nRF2401作為核心的低功耗智能傳感主動式標簽的設(shè)計方案，系統(tǒng)含有溫度、濕度傳感器，可以實時智能感知標簽所處環(huán)境的溫度和濕度信息。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用MSP430系列低功耗單片機MSP430F147作為微控制器，主要包括nRF2401以及天線模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、電池電路、電量檢測和聲光報警電路。

圖1 智能傳感標簽結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Intelligent sensor label block diagram

由于有源電子標簽需要內(nèi)置電池供電，它對低功耗要求非常高，所以硬件設(shè)計中應該選擇具有低功耗特性的單片機和低功耗型的射頻收發(fā)芯片[4]。MSP430F147單片機是由TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的微控制器，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，使其從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于 6 μs。其內(nèi)部帶有32 kB+256 B閃速存儲器、1KB的RAM、兩個內(nèi)置16位定時器、一個8通道快速12位的位A/D轉(zhuǎn)換器、兩個通用串行同步/異步通信接口USART。低電壓范圍為1.8～3.6 V，待機狀態(tài)耗電僅為1.6 μA，并具有5種省電模式，允許中斷事件切換省電模式，很適合應用于電池供電的長時間工作的場合[5]。

nRF2401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 2 Mb/s， 并且可以選擇 0、－6、－12、－18 dBm 其中之一作為輸出功率[6]。

1.1 單片機電路

單片機MSP430F147接口電路設(shè)計如圖2所示。其外圍電路包括晶振電路、復位電路和JTAG電路。MSP430F147的第 12引腳 P1.0，第 13引腳 P1.1，第 14引腳 P1.2，第 15引腳P1.3，第 16引腳 P1.4，第 17引腳 P1.5，第 18引腳 P1.6，第 19引腳P1.7，第20引腳P2.0分別與nRF2401的第8引腳DATA，第 7引腳 CLK1，第 6引腳 DR1，第 5引腳 CS，第 4引腳 DOUT2，第 3引腳 CLK2，第 2引腳 DR2，第 1引腳 CE，第23引腳PWR_UP相連。

圖2 MSP430F147接口電路Fig.2 MSP430F147 interface circuit

1.2 nRF2401接口電路

nRF2401接口電路如圖3所示。nRF2401的外圍電路非常簡單，只需少量的外圍元件。其第11、12引腳外接16 MHz的晶振為其提供所需的工作時鐘，使用外置SMA天線，無線傳輸距離在100 m左右，滿足實際要求。nRF2401的DR2、CLK2、DOUT2、CS、DRl、CLKl、DATA、 PWR_UP 引 腳 和 單 片機MSP430F147的P1口、P2.0引腳相連。其中，nRF2401通過DATA、CLKl、CS 引腳和 MSP430F147 單 片 機 進 行 通信 ，由PWR_UP、CE和CS這3個引腳配置4種工作方式。

1.3 傳感器電路設(shè)計

溫濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司的SHT21S，SHT21S溫濕度傳感器將敏感元件、標定存儲器和數(shù)字接口集成在3×3 mm的襯底上，此外，傳感器還提供電子的識別跟蹤信息。除敏感元件部分，傳感器外表采用包覆成型，可以減少傳感器受外界因素如老化，震動，揮發(fā)性化學氣體的影響，保證其具有良好的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)由SDA線輸出。溫度和濕度的測量可通過拉高或拉低 SCL來切換，當SCL為高電平時進行濕度的測量；SCL為低電平時進行溫度的測量。SHT21S全量程標定，兩線數(shù)字接口，可與單片機直接相連，外圍電路極其簡單。傳感器電路如圖4所示。

圖3 nRF2401接口電路Fig.3 nRF2401 interface circuit

圖4 傳感器電路Fig.4 Sensor circuit

1.4 電量檢測與報警

由于標簽使用紐扣電池供電，為了保證標簽的正常工作，有必要定時檢測電池電壓是否過低，如若電池電壓過低，通過聲光報警來提醒用戶及時更換電池。本設(shè)計通過單片機內(nèi)部自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器的A0通道即第59引腳P6.0/A0對電池電壓進行定時檢測，MSP430F147采用內(nèi)部參考電平，程序中設(shè)定好報警的閥值電壓，當電池電壓低于閥值電壓時便發(fā)出報警信號。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是在MSP430系列單片機配套的開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench平臺上開發(fā)的C代碼程序，采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件編程的基本思路是：首先完成控制單元的初始化、各種參數(shù)配置、nRF2401控制端口初始化及各外圍模塊配置和初始化等；然后開啟接收機，運行任務(wù)程序，以實現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。另外主程序模塊中還應包括對系統(tǒng)外部電壓檢測、聲光報警等以及系統(tǒng)中斷和記錄存儲等。

傳感標簽平時處于休眠方式，收到讀寫器命令后喚醒其內(nèi)部的微處理器，啟動傳感器進行測量。下面主要介紹nRF2401操作流程。nRF2401具有4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)斷模式，由PWR_UP、CE和CS這3個引腳信號決定，工作模式與引腳信號的對應關(guān)系如表所示。本設(shè)計采用ShockBurstTM收發(fā)模式，在此模式下，nRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，高速向外發(fā)射。對nRF2401的操作主要是配置其工作方式和讀寫數(shù)據(jù)，所有配置命令字和數(shù)據(jù)都是通過CLK和DATA兩個引腳完成的。使用nRF2401進行發(fā)送數(shù)據(jù)時，采用以下的步驟：1）置位CE，使能nRF2401；2）向nRF2401寫入接收機的地址以及要傳送的數(shù)據(jù)；3）復位CE，激發(fā)nRF2401進行ShockBurstTM發(fā)射。而接收端依照以下流程進行數(shù)據(jù)接收：1）配置本機地址和即將接收的數(shù)據(jù)包大?。?）CE 置位，進入接收狀態(tài)；3）等待 202 μs后，nRF2401 進入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；4）當接收到正確的數(shù)據(jù)包時，nRF2401自動除去字頭、地址和CRC；5）nRF2401置位DR1；6）MSP430F147把數(shù)據(jù)從nRF2401逐位移出；7）所有數(shù)據(jù)移完，nRF2401把DR1置低，此時如果CE為高，則等待下一個數(shù)據(jù)包，如果CE為低，程序返回。

表1 nRF2401工作模式與引腳信號的對應關(guān)系Tab.1 Relations of the work mode and the pin signal about the nRF2401

3 結(jié)束語

本文應用單片機MSP430F147和射頻芯片nRF2401設(shè)計了一種低功耗智能傳感標簽，電路設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、體積小、功耗低。與一般標簽相比，本設(shè)計標簽能夠定時智能感知外界的溫度、濕度信息并進行無線傳輸，方便各種環(huán)境中的溫濕度的數(shù)據(jù)采集，應用廣泛。

[1]王永超，郭瑞，包貴浩，等.低功耗有源RFID標簽設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2010，33（7）:30-33.WANG Yong-chao，GUO Rui，BAO Gui-hao，et al.Design and implementation of Low-power active RFID tag[J].Electronic Measurement Technology，2010，33（7）:30-33.

[2]邱煒，孫志鋒，孫曉東，等.基于nRF2401的RFID讀寫器設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2008，37（9）:62-65.QIU Wei，SUN Zhi-feng，SUN Xiao-dong，et al.The design of RFID reader based on nRF2401[J].Mechanicai&Electrical Engineering Technology，2008，37（9）:62-65.

[3]袁江，曹金偉，邱自學.基于RFID讀寫器網(wǎng)絡(luò)的糧庫溫濕度分布式監(jiān)測[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（10）:131-136.YUAN Jiang，CAO Jin-wei，QIU Zi-xue.Temperature and humidity distributed monitoring for grain depot based on RFID reader networks[J].Transactions of the CSAE，2011，27（10）:131－136.

[4]高文俊，袁超綱，房慶海，等.電子標簽的設(shè)計與低功耗的實現(xiàn)[J].控制工程，2009（16）:151-153.GAO Wen-jun，YUAN Chao-gang，F(xiàn)ANG Qing-hai，et al.Design and implementation of low power RFID tag[J].Control Engineering of China，2009（16）:151-153.

[5]Texas Instruments.MSP430x1xxx Family User’s Guide[S].2006.

[6]Nordic Semicondutor.NRF24L01 Single Chip 2.4GHz Transceiver Product Specification[S].2007.