張 熠，劉峰寧，曹 林

(1．南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210003；2．南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

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RFID閱讀器與WSN節(jié)點(diǎn)的低功耗集成設(shè)計(jì)

張 熠1,2，劉峰寧1，曹 林2

(1．南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210003；2．南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))與RFID(射頻識別)技術(shù)具有很多共同應(yīng)用領(lǐng)域，二者的融合有利于提高系統(tǒng)的功能與性能。WSN節(jié)點(diǎn)與RFID閱讀器集成是WSN與RFID系統(tǒng)融合的一種重要方式。文中設(shè)計(jì)了一種可讀寫ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)RFID標(biāo)簽的WSN節(jié)點(diǎn)，分析了系統(tǒng)功耗的構(gòu)成，從硬件電路和系統(tǒng)運(yùn)行方面說明了低功耗實(shí)現(xiàn)策略，并進(jìn)行了測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)達(dá)到低功耗應(yīng)用要求。

WSN節(jié)點(diǎn)；RFID閱讀器；集成；低功耗策略；ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

WSN和RFID技術(shù)具有很多共同的應(yīng)用領(lǐng)域和場合，如制造業(yè)的設(shè)備監(jiān)控、物流業(yè)中貨物存放與運(yùn)輸管理、醫(yī)療行業(yè)的藥品器材管理與新生兒防盜、軍事領(lǐng)域的槍械管理。具體應(yīng)用中通常采用獨(dú)立的WSN節(jié)點(diǎn)和RFID閱讀設(shè)備，在系統(tǒng)的配置、軟件設(shè)計(jì)以及能耗方面帶來不必要的開銷，不利于系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合與提高管理效能，如將二者集成，可避免上述不足，使系統(tǒng)實(shí)施更為便利，減少現(xiàn)有系統(tǒng)軟件更改和升級工作，并節(jié)省能耗[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要包括主控模塊、傳感器模塊、無線網(wǎng)絡(luò)射頻通信模塊、RFID讀寫模塊和電源管理模塊等部分，如圖1所示。WSN節(jié)點(diǎn)方案常見2種[2]，一種是基于集智能內(nèi)核與射頻模塊于一體的SOC單片機(jī)，如CC2430或CC2530等；另一種是采用低功耗單片機(jī)+獨(dú)立射頻收發(fā)器的方式，如MSP430單片機(jī)+CC2520，本系統(tǒng)采用后者。原因是CC2430/CC2530N集成的8051內(nèi)核的性能遠(yuǎn)低于16位的MSP430，而功耗遠(yuǎn)高于MSP430。傳感器模塊包括單線數(shù)字接口溫濕度傳感器SHT11、紅外感應(yīng)傳感器等，A/D通道配置模擬傳感器信號調(diào)理電路。其中紅外傳感器可以用于用戶持RFID靠近時實(shí)時喚醒系統(tǒng)；RFID模塊采用ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)RFID閱讀器芯片MFRC522；RTC模塊用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時鐘同步、標(biāo)記數(shù)據(jù)采集及RFID讀寫時間、協(xié)同休眠、數(shù)據(jù)融合、時分多址接入等方面；電源模塊主要由電池和電源管理芯片構(gòu)成，可監(jiān)控電池電量，保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，延長電池壽命。顯示模塊為可選配置，采用段式LCD模塊。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2 低功耗設(shè)計(jì)策略

2．1 系統(tǒng)功耗構(gòu)成與低功耗設(shè)計(jì)分析

目前數(shù)字集成電路都采用CMOS制造工藝，電路功耗主要由動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗和短路功耗組成[3]，靜態(tài)功耗是電路中無翻轉(zhuǎn)時，電流從電源經(jīng)過阻性通路至地線而引起的功耗，主要由亞閾值電流和反偏結(jié)的漏電流引起，這部分功耗很小，可忽略不計(jì)；短路功耗是在翻轉(zhuǎn)過程中，PMOS和NMOS同時導(dǎo)通產(chǎn)生的從電源到地的短路電流引起的功耗，大多數(shù)數(shù)字電路短路功耗約占總功耗的5%～10%；動態(tài)功耗是當(dāng)電路中有翻轉(zhuǎn)時，對負(fù)載電容充放電而引起的功耗，整個系統(tǒng)功耗的主要組成部分，約占整體功耗的90%以上[3]。

常用式(1)來表示電路的動態(tài)功耗：

(1)

式中：CL為等效負(fù)載電容；VDD為工作電壓；α為翻轉(zhuǎn)概率，表示每個時鐘周期中電容充放電的平均次數(shù)；fCLK為時鐘頻率。

從式(1)可以看到如降低動態(tài)功耗，可以通過減小負(fù)載電容、降低電源電壓、降低翻轉(zhuǎn)概率和降低時鐘頻率來實(shí)現(xiàn)。

從集成電路低功耗優(yōu)化的角度，通常將優(yōu)化分4個層次，自底向上分別為電路版圖級、邏輯門級、寄存器級、系統(tǒng)級，各層次優(yōu)化行為對整體功耗影響的程度是逐漸增大的。如圖2所示。

圖2 功耗優(yōu)化層次與效率示意圖

文獻(xiàn)[4]給出了一般傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗的情況，如圖3所示?？梢妭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的大部分能量消耗在無線通信上。RFID閱讀器與標(biāo)簽之間的無線通信同樣消耗大量能量，因此盡可能減少通信是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗的必然措施。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)功耗分布示意圖

基于以上幾點(diǎn)分析，本系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)采用以下幾方面策略：(1)首先進(jìn)行合理的器件選型，盡可能采用功耗低的器件、具有休眠或掉電功能的集成器件；(2)系統(tǒng)工作電壓盡肯能降低或可調(diào)，工作頻率可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)更低的動態(tài)功耗；(3)減少無線通信的數(shù)據(jù)量，縮短通信時間；(4)依據(jù)系統(tǒng)功能和QoS要求，深入優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行管理，減少系統(tǒng)正常工作時間，增加休眠時間。幾方面策略的重點(diǎn)在于系統(tǒng)的休眠喚醒機(jī)制與運(yùn)行管理模式。

2．2 系統(tǒng)硬件電路的低功耗設(shè)計(jì)

基于前述策略，首先選擇主要器件時應(yīng)滿足低功耗要求。本系統(tǒng)中處理器采用新一代超低功耗單片機(jī)MSP430F5969，該系列堪稱業(yè)界功耗最低，關(guān)斷電流僅為0．02 μA。其主要特點(diǎn)有：(1)程序及數(shù)據(jù)采用非易失鐵電存儲器FRAM，支持超低功耗高速寫入，可在4 ms 內(nèi)可寫入64 kB數(shù)據(jù)，比Flash/EEPROM寫入速度快1 000倍以上，而寫入功耗不到其1%；(2)采用超低漏電(ULL)技術(shù)，具有7種軟件可選低功耗模式，運(yùn)行功耗為100 μA/MHz，內(nèi)置實(shí)時時鐘(RTC)待機(jī)功耗為450 nA；(3)采用EnergyTrace+ +技術(shù)，可進(jìn)行實(shí)時能耗調(diào)試。EnergyTrace ++是全球第一個可為為每個外設(shè)實(shí)時分析功耗(電流分辨率低至5 nA)的調(diào)試技術(shù)，可控制功耗預(yù)算并優(yōu)化程序，以實(shí)現(xiàn)能耗最低的系統(tǒng)。MSP430F5969仍具有1．8～3．6 V寬工作電壓范圍，工作頻率高達(dá)16 MHz，可切換到32 kHz低頻時鐘以降低功耗；具有32位硬件乘法器、12位ADC等豐富外設(shè)，可視需要屏蔽外設(shè)以降低功耗。芯片的多個USCI接口可配置為SPI與MFRC522及CC2520相連[5]。

RFID閱讀器芯片采用MFRC522，2．5～3．6 V 電壓供電，支持ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，有效通訊距離達(dá)50 mm，芯片工作電流小于100 mA。其低功耗模式包含硬件掉電、軟件掉電和發(fā)送器掉電3種，硬件掉電時電流消耗5 μA，軟件掉電時消耗10 μA。發(fā)送器運(yùn)行時典型電流60 mA，在RFID讀寫較為頻繁時，可使用發(fā)送器掉電以節(jié)省這部分功耗。

支持IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片有多種，從性能、功耗、通信距離、通信頻段等方面綜合考慮，系統(tǒng)采用2．4 G射頻收發(fā)器CC2520，該芯片具有250 kbit/s數(shù)據(jù)速率DSSS基帶Modem，接收靈敏度-98 dBm，可編程輸出功率達(dá)+5 dBm；支持1．8～3．8 V電壓供電。具有數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、空閑通道評估、鏈接質(zhì)量指示等資源，降低了主控制器的負(fù)載。其視線通信距離可達(dá)400 m，接收狀態(tài)電流18．5 mA(-50 dBm)、發(fā)送狀態(tài)25 mA(0 dBm)，休眠電流不到1 μA。

SHT11低功耗溫濕度一體傳感器采用兩線串行數(shù)字接口，可輸出全標(biāo)定的溫濕度數(shù)據(jù)。測量時電流0．55 mA，在測量和通訊完成后，SHT11可自動轉(zhuǎn)入休眠模式，休眠電流僅有0．3 μA。C172型PIR熱釋電紅外傳感器外加透鏡TR230，具有體積小、功耗低、檢測距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

系統(tǒng)中PIR紅外傳感器調(diào)理電路具有輸出2路信號，接入MSP430FR5969 I/O口：一是數(shù)字輸出，單片機(jī)該引腳設(shè)為外部中斷口；另一路是模擬輸出，接單片機(jī)A/D通道，單片機(jī)可觀察模擬電平幅度。當(dāng)模擬輸出電壓超過雙限比較器的門檻電壓后，數(shù)字輸出產(chǎn)生下降沿信號，喚醒單片機(jī)；單片機(jī)通過片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器讀取紅外傳感器模擬輸出電壓，根據(jù)電壓大小及上次讀寫RFID的時間選擇是否執(zhí)行讀寫RFID等操作，或采取合適的低功耗操作：如使MFRC522進(jìn)入發(fā)送器掉電、軟掉電或硬掉電，在RFID讀寫頻繁時間段，以發(fā)送器掉電和軟掉電為主，操作較少或基本無操作時段，以硬掉電為主；處理器任務(wù)完成進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下次紅外傳感器信號喚醒，或由RTC根據(jù)定時休眠時間喚醒。

2．3 系統(tǒng)供電管理

系統(tǒng)采用CR2450鋰錳電池供電，電壓3 V，容量550 mA·h(1 mA·h=3.6 C)；采用升壓型DC-DC變換器MAX859進(jìn)行電源管理，使用電源管理芯片可控制系統(tǒng)電源，便于調(diào)整功耗，延長系統(tǒng)壽命。MAX859輸入電壓范圍0．8～6 V，輸出電壓在2．7～6．0 V之間可調(diào)，轉(zhuǎn)換效率大于85%，因此電池電量相對不足時仍能驅(qū)動該芯片。靜態(tài)工作電流為25 μA，關(guān)斷模式電流1 μA。

2．4 休眠與喚醒策略

系統(tǒng)運(yùn)行層次的低功耗策略對整體功耗影響最為顯著，采用動態(tài)功耗管理(DPM)技術(shù)，在無任務(wù)相關(guān)事件發(fā)生時，使系統(tǒng)盡可能處于低能耗的休眠狀態(tài)。休眠狀態(tài)大量使用可能造成節(jié)點(diǎn)實(shí)時性及整個網(wǎng)絡(luò)的QoS降低，系統(tǒng)運(yùn)行管理是在二者之間尋求平衡點(diǎn)。應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)功能與性能要求，在保證QoS的前提下，擬定合理的協(xié)同休眠與喚醒策略，通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行可靠實(shí)施。

本系統(tǒng)休眠與喚醒策略采用RTC喚醒與PIR紅外傳感器喚醒結(jié)合的方式，RTC喚醒時執(zhí)行任務(wù)并記錄任務(wù)發(fā)生頻率，進(jìn)行休眠喚醒周期動態(tài)調(diào)整；紅外喚醒用于有RFID讀寫操作的時候。運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖4 休眠喚醒示意圖

系統(tǒng)運(yùn)行具有4種狀態(tài)：任務(wù)執(zhí)行、空閑狀態(tài)、淺度休眠以及深度休眠。休眠狀態(tài)分為深淺兩種模式，是依據(jù)MSP430FR5969、MFRC522、CC2520及傳感器等器件具有多種低功耗模式，激活的資源多少及功耗有不同。在本系統(tǒng)中將MSP430FR5969的LPM3、LPM4及MFRC522的軟掉電、CC2520的LPM1等的組合構(gòu)成淺休眠模式，將MSP430FR5969的LPM3．5及MFRC522的硬掉電、CC2520的LPM2組合為深度休眠模式。在空閑狀態(tài)系統(tǒng)任務(wù)隊(duì)列為空，監(jiān)測到任務(wù)需求(過程①)轉(zhuǎn)入任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)，帶負(fù)荷運(yùn)行，如采集監(jiān)測數(shù)據(jù)及RFID信息并傳送至其它節(jié)點(diǎn)；任務(wù)完成后(過程②)回到空閑狀態(tài)；在任務(wù)較頻繁的時段，每次執(zhí)行完任務(wù)后在空閑狀態(tài)短暫停留轉(zhuǎn)入淺休眠狀態(tài)(過程③)，發(fā)生RTC喚醒返回空閑態(tài)(過程④)；在任務(wù)頻度較低階段，休眠喚醒周期較長，空閑狀態(tài)短暫運(yùn)行進(jìn)入深度休眠(過程⑥)，長時間處于深度休眠狀態(tài)，以盡量減少空閑監(jiān)聽造成的能量消耗，發(fā)生RTC喚醒事件返回空閑狀態(tài)(過程⑤)；在淺度、深度休眠狀態(tài)，如發(fā)生紅外傳感器喚醒，則轉(zhuǎn)入任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)(過程⑦、⑨)，讀取RFID信息后保存至FRAM,然后返回原休眠狀態(tài)(過程⑧、⑩)，系統(tǒng)只在RTC喚醒時才將數(shù)據(jù)傳送至其他節(jié)點(diǎn)。

2．5 節(jié)點(diǎn)時鐘同步策略

RTC中斷喚醒方式的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)時間嚴(yán)格同步，使整個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成任務(wù)。為此，各節(jié)點(diǎn)RTC維護(hù)一個絕對時間，通過3個方面實(shí)現(xiàn)同步：初始同步、周期性時鐘校準(zhǔn)、時鐘漂移容錯。這種以絕對時間為基準(zhǔn)的時間同步策略具有低復(fù)雜度、低開銷以及適應(yīng)動態(tài)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)[6]。

(1)初始同步。先由遠(yuǎn)程監(jiān)控端向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步數(shù)據(jù)包，內(nèi)含絕對時間，各簇首節(jié)點(diǎn)收到后將絕對時間寫入本地RTC，完成各簇首節(jié)點(diǎn)同步；然后簇首節(jié)點(diǎn)廣播同步消息，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收消息，實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)時間同步。

(2)周期性時鐘自校準(zhǔn)。每隔一定的工作周期(如24 h)，由遠(yuǎn)程監(jiān)控端發(fā)布更新時間及偏差閾值，先對簇首RTC校準(zhǔn)，再由簇首校準(zhǔn)簇內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)的RTC。主要用于消除時鐘漂移、時差累積造成的不同步，避免節(jié)點(diǎn)時隙交疊。

(3)時鐘漂移容錯。信道采用TDMA分配方式，為了防止不同節(jié)點(diǎn)在時間偏差時產(chǎn)生信號沖突，在節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送數(shù)據(jù)時段和不同節(jié)點(diǎn)的工作時隙之間加保護(hù)時間，如圖5所示。在工作周期內(nèi)具有同步時間時隙TSYN及各節(jié)點(diǎn)工作時隙T1，T2，…，Tn,節(jié)點(diǎn)工作時隙內(nèi)包含數(shù)據(jù)采集時隙TACQUIRE、數(shù)據(jù)發(fā)送時隙TSEND及保護(hù)時間TPROTECT，保護(hù)時間用于提高系統(tǒng)對時鐘漂移的容錯能力。這種法使系統(tǒng)對時鐘漂移具備一定的容錯能力，減少了數(shù)據(jù)碰撞，從而減少了通信能耗。

圖5 信道時隙分配示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件除了通過子程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線網(wǎng)絡(luò)通信、RFID讀寫等功能，可靠實(shí)施低功耗策略是關(guān)鍵。利用MSP430FR5969的片內(nèi)高速非易失FRAM，維護(hù)休眠喚醒參數(shù)表，并動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)分時段休眠與工作周期；依據(jù)任務(wù)頻度實(shí)行同步淺度、深度休眠。節(jié)點(diǎn)主程序流程如圖6所示。在上電后首先初始化射頻模塊，然后初始化RFID閱讀器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及其他模塊。傳感節(jié)點(diǎn)在初始化完成以后開始接入WSN，接入成功后對RTC進(jìn)行初始同步，由遠(yuǎn)程監(jiān)控端發(fā)送休眠時間參數(shù)，保存至節(jié)點(diǎn)RFAM中，依據(jù)當(dāng)前所處時段進(jìn)入淺度或深度休眠。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

喚醒后工作流程圖如圖7所示，依據(jù)喚醒源是熱釋電傳感器C172或RTC，執(zhí)行不同的處理流程：C172喚醒主要用于查詢及讀取RFID信息，保存至FRAM，加入待處理隊(duì)列后返回休眠，因此只激活MFRC522；在RTC喚醒流程執(zhí)行常規(guī)任務(wù)，激活全部或大部分外設(shè)，由任務(wù)隊(duì)列取出任務(wù)逐一執(zhí)行，包括RTC絕對時間更新或自校準(zhǔn)、傳感器數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測數(shù)據(jù)及RFID信息傳送等。全部任務(wù)執(zhí)行完、隊(duì)列清空后返回休眠。從淺度休眠、深度休眠中喚醒后的處理主要區(qū)別在于激活外設(shè)、恢復(fù)現(xiàn)場以及重進(jìn)入休眠的設(shè)置不同，執(zhí)行用戶與任務(wù)需求基本相同。

圖7 休眠喚醒程序流程圖

4 功耗測試

節(jié)點(diǎn)采用3．3 V電壓供電，MSP430FR5969采用8 MHz主時鐘，在關(guān)閉其他外設(shè)的情況下，對系統(tǒng)的各種操作如數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、RFID讀寫等單獨(dú)進(jìn)行了功耗測量：射頻通信頻率為2 447 MHz，發(fā)送數(shù)據(jù)輸出功率為1 dBm，測得平均電流為28．7 mA，接收狀態(tài)為23．4 mA；RFID讀寫操作平均電流為59．2 mA；溫濕度測量平均電流為2．3 mA；淺休眠狀態(tài)MCU采用LPM3模式，CC2520采用LPM1模式，RFID軟掉電，平均電流為0．19 mA；深度休眠狀態(tài)MCU采用LPM3．5模式，CC2520采用LPM2模式，RFID硬掉電，平均電流為0．052 mA。通過與芯片數(shù)據(jù)表給出的參數(shù)及有關(guān)文獻(xiàn)[7-8]的功耗測試數(shù)據(jù)比較可見，系統(tǒng)達(dá)到了低功耗的預(yù)期目標(biāo)。

節(jié)點(diǎn)投入實(shí)際運(yùn)行的功耗及節(jié)點(diǎn)壽命將主要由業(yè)務(wù)量決定，差別可能極大。由于RFID讀寫操作電流遠(yuǎn)大于其操作電流，只在PIR傳感器中斷喚醒系統(tǒng)時執(zhí)行RFID操作，可以避免RFID空閑檢測的大量能耗。

5 結(jié)束語

融合WSN與RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)兼具目標(biāo)識別和環(huán)境感知的高性能系統(tǒng)，RFID閱讀器與WSN節(jié)點(diǎn)的集成是兩種技術(shù)融合的方式之一。針對目前廣泛應(yīng)用的ISO/IEC 14443 A標(biāo)準(zhǔn)的RFID技術(shù)，給出了RFID閱讀器與WSN節(jié)點(diǎn)的一體化設(shè)計(jì)，并從硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行方面闡述了實(shí)現(xiàn)低功耗的策略，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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Low-power Integration Design of RFID Reader and WSN Node

ZHANG Yi1,2,LIU Feng-ning1,CAO Lin2

(1．College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China; 2．Tongda College，Nanjing University of Posts and Telecommunications,Yangzhou 225127,China)

Wireless sensor networks (WSN) and RFID have many common application areas;merging these two technologies will expand their overall functionality and capacity．Integrating WSN nodes with RFID readers is an important mean to merge WSN and RFID technologies．A WSN node which can read/write RFID tags of ISO/IEC 14443A was designed．The composition of the node’s power consumption was analyzed and low-power strategies were discussed from the aspects of hardware design and system operation．The power consumption test shows that the system can meet the requirement of low power．

WSN node；RFID reader；integration；low-power strategies；ISO/IEC 14443A

南京郵電大學(xué)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目基金(2014XSG01，2013XSG03)；國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃(201410293006Z)

2014-09-25 收修改稿日期:2015-02-18

TP212．9

A

1002-1841(2015)07-0041-04

張熠(1970—)，講師，碩士，研究方向?yàn)闇y控技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。E-mail：yzhangnj@126．com