王鵬程，朱長青，谷志峰，劉 暢

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050000；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050000；3.中國人民解放軍32214部隊(duì)，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著我國電網(wǎng)信息化程度不斷提高，完善電力相關(guān)企業(yè)信息化建設(shè)、實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備與用戶之間的信息互動(dòng)、充分發(fā)揮信息技術(shù)在重大決策和現(xiàn)代化管理中的作用愈發(fā)顯得重要。對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷及全壽命周期管理，對(duì)于提高電力系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行可靠性與利用率，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化管理具有重要的科學(xué)意義與實(shí)用價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)與管理智能化、自動(dòng)化的有效手段，可有效提升電力系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行性能，提高電力設(shè)備資產(chǎn)的監(jiān)管效率。

但由于受到應(yīng)用需求多樣化、協(xié)議支持廠商不同等實(shí)際情況的制約，導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)是差異化、非標(biāo)準(zhǔn)化的[1]，存在互兼容性差、功耗大以及運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。隨著能源系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)設(shè)備全周期監(jiān)測(cè)、全狀態(tài)感知和全業(yè)務(wù)穿透的趨勢(shì)愈加明顯，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)終端的射頻識(shí)別（RFID）模塊需兼顧低功耗與普適性。

為解決以上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到電力網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的問題，許多人提出了不同的解決辦法。例如，針對(duì)目前起動(dòng)電池、小型設(shè)備電池及其他零散使用的電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)困難問題，文獻(xiàn)[2]提出基于Wi Fi的無線電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將單片機(jī)、WiFi無線收發(fā)模塊和電壓傳感器封裝到蓄電池內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池狀態(tài)的全天候監(jiān)測(cè)以及靈活的無線讀取，但是Wi Fi無線收發(fā)模塊的待機(jī)功耗對(duì)蓄電池電量造成了很大浪費(fèi)。文獻(xiàn)[3]將低頻喚醒技術(shù)與ZigBee技術(shù)結(jié)合起來，解決了ZigBee無線收發(fā)模塊的待機(jī)功耗問題，但ZigBee本身的功能也受到了限制，導(dǎo)致同樣功能下電路成本變高。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)簽射頻喚醒電路，通過使用無源器件搭建倍壓整流電路喚醒無線傳感器，但是該設(shè)計(jì)功能單一，除去產(chǎn)生直流喚醒信號(hào)外，不能為被喚醒狀態(tài)提供其他有效信息。

針對(duì)以上問題，本文提出一種將近場(chǎng)通信（NFC）技術(shù)與低頻喚醒技術(shù)相結(jié)合的無線喚醒解決方案，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)NFC及近程廣播喚醒的有源RFID模組，采用AT指令作為用戶接口，使模組簡(jiǎn)單易用，同時(shí)兼顧了物聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)RFID模塊的低功耗與體積要求。

1 有源RFID模組總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決數(shù)量眾多、分布范圍廣、應(yīng)用環(huán)境較復(fù)雜的電氣設(shè)備或節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)管理問題，基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備被廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)中[5?9]。然而，多數(shù)電氣系統(tǒng)設(shè)備上的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間無數(shù)據(jù)通信，導(dǎo)致RFID模塊浪費(fèi)了大量能量，尤其在需要人工巡檢的場(chǎng)合，功率浪費(fèi)問題尤為明顯，多數(shù)采用的RFID模塊定時(shí)喚醒策略并沒有從根本上解決問題。應(yīng)用低頻喚醒技術(shù)喚醒低頻接收器，從而間接喚醒RFID模塊是個(gè)不錯(cuò)的解決辦法，像AS3933之類的低頻接收器芯片，目前也廣泛應(yīng)用在各種低功耗通信的場(chǎng)合[6]。但其存在喚醒方式單一、未知設(shè)備ID情況下不能喚醒指定設(shè)備等問題。

為滿足電力物聯(lián)網(wǎng)[10?12]對(duì)RFID模塊的低功耗、靈活性與普適性要求，本文提出一種雙模式通信的有源RFID模組設(shè)計(jì)，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

該模組由標(biāo)簽?zāi)K和讀寫器模塊兩部分組成。

標(biāo)簽?zāi)K由微控制器（MCU）、低頻喚醒電路、315 MHz發(fā)射電路、雙界面NFC標(biāo)簽電路及其數(shù)據(jù)與電源接口組成。讀寫器模塊由MCU、低頻天線驅(qū)動(dòng)電路、315 MHz接收電路、NFC讀卡器電路及其數(shù)據(jù)與電源接口組成。

該模組可滿足以下業(yè)務(wù)需求。

1.1 廣播通信

1.1.1 組合式無線收發(fā)模塊

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的低功耗、近距離信息讀取問題，通常采用無線收發(fā)模塊+定時(shí)喚醒的方式解決，但這種方式?jīng)]有從根本上解決問題，在標(biāo)簽空閑時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)無效的定時(shí)喚醒情況。部分文獻(xiàn)提出低頻喚醒+無線收發(fā)模塊的低功耗解決方式，如文獻(xiàn)[3]提出的低頻喚醒+ZigBee、文獻(xiàn)[6]的低頻喚醒+CC2500等，這種方式的確避免了ZigBee等無線收發(fā)模塊的無效接收功耗問題，但是低頻喚醒大約10 m的喚醒距離限制了無線收發(fā)模塊的功能，造成成本升高，同時(shí)在未知低頻喚醒設(shè)備ID的情況下，存在不能喚醒特定設(shè)備的問題。

本文采用低頻喚醒+單發(fā)/單收單元的組合式模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線收發(fā)模塊，具體見圖1紅色虛線部分。標(biāo)簽?zāi)K上采用低頻喚醒接收器+315 MHz發(fā)射電路的組合，待機(jī)時(shí)只有2μA的電流消耗，當(dāng)?shù)皖l喚醒接收器收到讀寫器模塊發(fā)來的低頻喚醒信號(hào)后，喚醒標(biāo)簽?zāi)KMCU，標(biāo)簽?zāi)KMCU將喚醒信號(hào)傳給外部MCU處理，并將待發(fā)送信息通過315 MHz發(fā)射電路傳送到讀寫器模塊的315 MHz接收電路，從而完成完整的發(fā)收過程而沒有無效的接收功耗，而且采用315 MHz單發(fā)/單收單元的成本要比諸如ZigBee、nRF24L01等無線收發(fā)模塊低。

1.1.2 廣播通信實(shí)現(xiàn)

當(dāng)把標(biāo)簽?zāi)K的低頻喚醒接收器喚醒碼設(shè)置為相同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)廣播喚醒，即一個(gè)讀寫器模塊喚醒多個(gè)標(biāo)簽?zāi)K，從而實(shí)現(xiàn)廣播通信。這樣可以一次批量讀取多個(gè)電力設(shè)備信息，提高巡檢效率。

1.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)NFC信息讀取

為解決低頻喚醒技術(shù)不能喚醒特定設(shè)備的問題，本模組設(shè)有可實(shí)現(xiàn)低功耗點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的NFC電路。NFC技術(shù)是一種近距離非接觸無線通信技術(shù)，近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展得到了廣泛的應(yīng)用。但其絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合局限于單界面智能卡與讀卡機(jī)的非接觸通信，要將其應(yīng)用到電力物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)合，需要對(duì)其進(jìn)行拓展。

標(biāo)簽?zāi)K采用雙界面NFC標(biāo)簽芯片與讀寫器模塊進(jìn)行交互。雙界面NFC標(biāo)簽芯片除了能以非接觸方式和NFC讀卡器通信之外，還具有能和外部MCU交互的接觸式接口。此功能為現(xiàn)有的MCU系統(tǒng)提供一個(gè)接觸的通信信道，MCU可通過此信道與讀卡機(jī)之間進(jìn)行即時(shí)或非即時(shí)的數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，NFC標(biāo)簽芯片具備場(chǎng)檢測(cè)功能，內(nèi)置可配置輸出電壓的低壓差線性穩(wěn)壓器，通過此功能，NFC標(biāo)簽芯片可與外部MCU通信而不需耗費(fèi)自身能量，從而實(shí)現(xiàn)低功耗的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)NFC通信。

1.3 AT指令模塊操作

本文所設(shè)計(jì)的有源RFID模組可應(yīng)用到任意物聯(lián)網(wǎng)終端上，配合終端MCU使用。因此，為屏蔽底層驅(qū)動(dòng)程序差異，提高模塊易用性，本文設(shè)計(jì)了一套用于此模塊的AT指令集。任意物聯(lián)網(wǎng)終端可通過串口（USART）與該模組通信，使用AT指令對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置、讀取/寫入數(shù)據(jù)等，大大減小了開發(fā)的難度。

2 標(biāo)簽?zāi)K

2.1 標(biāo)簽?zāi)KMCU部分設(shè)計(jì)

接收機(jī)微控制器選擇意法半導(dǎo)體公司的基于Cortex?M4內(nèi)核的單片機(jī)STM32L412KB，該單片機(jī)內(nèi)部集成了128 KB的FLASH存儲(chǔ)器和40 KB的SRAM；動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式時(shí)電流低至79μA/MHz，低于老牌的低功耗MSP430系列單片機(jī)；支持7種低功耗模式和快速喚醒，具體電路如圖2所示。

圖2 標(biāo)簽微控制器部分電路

本設(shè)計(jì)中采用盡量精簡(jiǎn)的最小系統(tǒng)外圍電路，以節(jié)約電路成本及電流消耗。外圍硬件僅保留復(fù)位按鍵，以便在程序跑飛時(shí)提供必要的復(fù)位功能。A1引腳用于該模組接收AT指令時(shí)喚醒模組的MCU，該模組正常工作時(shí)，MCU處于低功耗模式（停止模式2，任意外部中斷可將其喚醒），物聯(lián)網(wǎng)終端為A1引腳提供上升沿信號(hào)喚醒模組的MCU。預(yù)留有UART通信接口（RX、TX），為終端MCU提供簡(jiǎn)單靈活的通信方式。

2.2 接收機(jī)NFC部分設(shè)計(jì)

NFC的工作頻段是13.56 MHz，傳輸速率為106 Kb/s，212 Kb/s或424 Kb/s，理論上可以達(dá)到1 Mb/s或者更高；有效的通信距離一般在100 mm左右，取決于天線的設(shè)計(jì)。

接收機(jī)的NFC芯片采用FM11NT081DI，該芯片是復(fù)旦微電子公司開發(fā)的符合ISO/IEC14443?A協(xié)議和NFC Forum Type2 Tag標(biāo)準(zhǔn)，并帶有I2C接口的雙界面NFC標(biāo)簽芯片。該芯片提供場(chǎng)檢測(cè)功能，開漏輸出的FD引腳信號(hào)可作為中斷源，用于喚醒終端MCU。

本文的標(biāo)簽?zāi)K同時(shí)使用FM11NT081DI標(biāo)簽芯片的兩種通信方式，接觸式通信采用I2C方式和標(biāo)簽?zāi)KMCU通信，用于間接獲取外部MCU發(fā)來的命令以及數(shù)據(jù)。非接觸式通信遵守ISO/ISC14443?A協(xié)議，負(fù)責(zé)接收讀寫器模塊的命令并將從外部MCU獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫器。具體電路如圖3所示。

圖3 標(biāo)簽NFC部分電路

2.3 標(biāo)簽?zāi)K低頻喚醒部分設(shè)計(jì)

標(biāo)簽?zāi)K的低頻喚醒部分采用上海磐啟微電子的PAN3501低頻喚醒接收器，該芯片工作在15~150 kHz頻率范圍，且具備天線自調(diào)諧功能。外圍電路簡(jiǎn)單，只需要3個(gè)調(diào)諧電容及1個(gè)低頻接收天線，本設(shè)計(jì)中天線采用Sumida的CAS13D31汽車級(jí)三軸天線[10]。該電路工作時(shí)需3.3 V供電，最大電流為2.2μA，成本和功耗與常用的AS3933相比都有優(yōu)勢(shì)。接收低頻喚醒信號(hào)距離一般為10 m，取決于讀寫器低頻天線的功率。具體電路如圖4所示。

低頻喚醒模塊3個(gè)調(diào)諧電容均選用180 p F，搭配芯片內(nèi)部電容器組實(shí)現(xiàn)125 kHz的精細(xì)天線調(diào)諧。該模塊上電后，會(huì)以三通道掃描模式監(jiān)聽空氣中的125 kHz低頻載波。當(dāng)任一通道檢測(cè)到載波存在時(shí)，所有三個(gè)通道立即被激活，并現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估哪個(gè)通道具有最強(qiáng)的接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI），具有最高RSSI的通道將被傳送到解調(diào)器。解調(diào)后的數(shù)據(jù)在PAN3501芯片內(nèi)部與設(shè)定好的喚醒碼格式進(jìn)行比較，喚醒碼格式見表1。如果前導(dǎo)碼和模式匹配碼均匹配，則喚醒中斷WAKE引腳變高，標(biāo)簽?zāi)KMCU被喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，否則，繼續(xù)回到監(jiān)聽模式。

圖4 標(biāo)簽低頻喚醒部分電路

表1 喚醒碼格式

為保證廣播喚醒功能的實(shí)現(xiàn)，本文所有標(biāo)簽?zāi)K的前導(dǎo)碼和模式匹配碼所設(shè)定內(nèi)容均相同，用戶可通過相應(yīng)AT指令進(jìn)行修改。

2.4 315 MHz發(fā)射電路設(shè)計(jì)

為配合低頻喚醒接收機(jī)實(shí)現(xiàn)完整的無線收發(fā)功能而又不造成過高成本，標(biāo)簽?zāi)K的發(fā)射模塊選用315 MHz的SYN115發(fā)射芯片，該芯片外圍電路簡(jiǎn)單，編碼靈活，具體電路如圖5所示。

圖5 標(biāo)簽315 MHz發(fā)射電路

2.5 標(biāo)簽?zāi)K軟件設(shè)計(jì)

標(biāo)簽?zāi)K運(yùn)行流程圖如圖6所示。模塊上電或復(fù)位后，首先進(jìn)行低頻喚醒模塊初始化，配置相應(yīng)的引導(dǎo)碼、模式匹配碼等，使之符合與讀寫器模塊的通信協(xié)議，并將天線調(diào)諧至125 kHz，而后初始化NFC標(biāo)簽?zāi)K，將標(biāo)簽的數(shù)據(jù)清空以免影響程序的判斷。315 MHz發(fā)射電路不需要初始化，發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)按相應(yīng)程序編碼即可。最后標(biāo)簽?zāi)KMCU進(jìn)入低功耗模式（停止模式2）等待喚醒信號(hào)，該模式下，電流消耗為0.7μA，喚醒時(shí)間<4μs。任意外部中斷均可將其喚醒，本模塊中喚醒源有3個(gè)：低頻喚醒接收機(jī)PAN3501的WAKE信號(hào)、NFC芯片F(xiàn)M11NT081DI的FD中斷信號(hào)以及A1接口的AT指令上升沿信號(hào)。

圖6 標(biāo)簽?zāi)K運(yùn)行流程圖

為提高模塊的易用性，加快工程開發(fā)速度，本模塊預(yù)留有和外部MCU通信的接口，支持串口通信，用戶可通過AT指令操縱模塊的運(yùn)行、讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)等。支持的AT指令集見表2。

本文設(shè)計(jì)的AT指令分為4類：系統(tǒng)類、NFC類、低頻喚醒類和315 MHz類。系統(tǒng)類主要包括該標(biāo)簽?zāi)K的測(cè)試指令、串口波特率修改指令等，低頻喚醒類的指令可讀取低頻喚醒數(shù)據(jù)或修改自身PAN3501芯片的模式匹配碼，利用此指令可將標(biāo)簽?zāi)K分組，組與組之間的廣播喚醒互不干擾，極大提高了應(yīng)用的靈活性，NFC類的指令可以讀取讀寫器發(fā)來的數(shù)據(jù)，315 MHz類指令可以向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)。

表2 AT指令集

3 讀寫器模塊

3.1 讀寫器MCU部分設(shè)計(jì)

讀寫器模塊的MCU同樣選用STM32L412KB低功耗單片機(jī)，電源部分采用MP2359DC?DC芯片提供5 V到3.3 V的降壓電路，之所以為讀寫器提供5 V的供電電壓是因?yàn)榈皖l喚醒天線需要足夠的發(fā)射功率，5 V電源相對(duì)于3.3 V能提供更遠(yuǎn)的喚醒距離，電路如圖7，圖8所示。

圖7 讀寫器MCU及電源電路

圖8 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路

3.2 讀寫器模塊NFC部分硬件設(shè)計(jì)

本部分由讀寫器芯片、天線及相應(yīng)的匹配電路組成[13]，其中讀寫器芯片采用高度集成的非接觸式讀寫卡芯片MFRC522，支持ISO/IEC14443A協(xié)議，與讀寫器MCU以SPI方式進(jìn)行通信，具體電路如圖9所示。

3.3 讀寫器模塊低頻喚醒部分設(shè)計(jì)

低頻喚醒部分包括低頻發(fā)射天線及其驅(qū)動(dòng)電路。其中驅(qū)動(dòng)芯片采用MCP14E5，該芯片內(nèi)置雙通道高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)電路，支持4.5~18 V的寬輸入電壓以及最大4 A的輸出電流。具體電路如圖10所示。

圖10 低頻喚醒驅(qū)動(dòng)電路

電阻R18，R19為限流電阻，天線載波的調(diào)制由讀寫器MCU的定時(shí)器編程實(shí)現(xiàn)。

3.4 315 MHz接收電路設(shè)計(jì)

讀寫器模塊使用低頻喚醒天線將標(biāo)簽?zāi)K喚醒并發(fā)送喚醒碼后，使用315 MHz接收電路接收標(biāo)簽?zāi)K發(fā)回來的數(shù)據(jù)。

315 MHz接收電路由SYN480R及相應(yīng)外圍電路實(shí)現(xiàn)，解碼程序在讀寫器MCU中已實(shí)現(xiàn)，用戶只需使用AT指令從讀寫器模塊讀取數(shù)據(jù)即可，具體電路如圖11所示。

圖11 315 MHz接收電路

3.5 讀寫器模塊軟件設(shè)計(jì)

讀寫器模塊上電或按下復(fù)位鍵后，所有參數(shù)復(fù)位，讀寫器MCU內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)清空。隨后進(jìn)行低頻喚醒模塊和NFC模塊的初始化，最后進(jìn)入低功耗模式（停止模式2）等待AT指令，該模塊的喚醒源僅有A1引腳的AT指令上升沿信號(hào)，其運(yùn)行流程圖如圖12所示。

上電復(fù)位后MCU初始化相應(yīng)功能模塊，隨后進(jìn)入低功耗模式等待AT指令的喚醒及相應(yīng)功能操作。

4 應(yīng)用實(shí)例

采用本模組的電池?zé)o線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已于河北、江蘇等地的多個(gè)試點(diǎn)單位投入了運(yùn)用。試點(diǎn)單位的原電池?zé)o線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為每個(gè)蓄電池裝配物聯(lián)網(wǎng)終端，物聯(lián)網(wǎng)終端由低功耗單片機(jī)、蓄電池參數(shù)檢測(cè)模塊和nRF24L021通信模塊組成，管理人員使用手持機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)終端的通信模塊進(jìn)行通信，從而完成對(duì)蓄電池的巡檢。但物聯(lián)網(wǎng)終端無通信時(shí)，nRF24L021模塊的待機(jī)電流較大，極大影響了蓄電池電量。

圖12 讀寫器運(yùn)行流程圖

在使用本模組后，該系統(tǒng)主要的優(yōu)化效果如下：

1）RFID模塊的待機(jī)功耗降低，消耗電流對(duì)比見表3。

表3 待機(jī)情況下消耗電流對(duì)比 μA

2）巡檢時(shí)間減少。使用原電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，管理人員需要輸入待測(cè)蓄電池的ID才能讀取相應(yīng)狀態(tài)信息。使用本模組后，管理人員可以使用NFC功能一鍵讀取指定電池狀態(tài)信息，或者使用低頻喚醒廣播功能批量讀取蓄電池信息，時(shí)間對(duì)比如表4所示。

表4 讀取方式及時(shí)間對(duì)比

5 結(jié) 語

本文從電力物聯(lián)網(wǎng)中電氣設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的低功耗需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于NFC和低頻喚醒技術(shù)的有源RFID模組，設(shè)計(jì)了各部分的電路，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例證明了該模組的可行性。