用于定位的低功耗有源RFID標簽的設計

【摘要】本文從有源標簽的設計理念出發(fā)，針對煤礦井下一般小范圍空間RFID定位的需求，根據(jù)低功耗、高效率的原則進行RFID標簽的設計。系統(tǒng)在硬件上采用了MSP430F2012單片機和nRF24L01射頻芯片的低功耗組合；軟件上則結合了RFID定位的特點，介紹了有別于一般以識別為主要目的的標簽的設計方法，并分析了其軟件設計流程以及簡單的防沖突能力。通過良好匹配的天線，本設計有效讀取距離可達幾十米，足以應付一般空間內(nèi)定位的需求。

【關鍵詞】RFID；RFID定位；標簽；低功耗

1.引言

射頻識別（RFID）技術是采用無線射頻的方式實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換并識別身份，RFID定位正是利用了這一識別特性，利用閱讀器和標簽之間的通信信號強度等參數(shù)進行空間的定位。

RFID標簽按供電方式分為有源和無源2種[1]，無源標簽通過捕獲閱讀器發(fā)射的電磁波獲取能量，具有成本低、尺寸小的優(yōu)勢；有源標簽通常采用電池供電，具有通信距離遠、讀取速度快、可靠性好等優(yōu)點[2]，但為了滿足煤礦井下定位，需要考慮低功耗設計以增強電池的續(xù)航能力。本文從有源標簽的設計理念出發(fā)，針對小范圍空間RFID定位的需求，根據(jù)低功耗、高效率的原則進行RFID標簽的設計，并闡述了其硬件組成、軟件流程和防沖突能力。

2.系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)結構

有源標簽在設計中除了需要考慮低成本、小型化之外，最重要的是要采取低功耗設計。RFID標簽從整體結構上看，通常包括2個部分：控制端和射頻端，因此在選擇控制芯片和射頻芯片時需要優(yōu)先考慮其低功耗性能。本文在此基礎上選擇了MSP430F2012控制芯片和nRF24L01射頻芯片；天線則選用了Nordic公司的PCB單端天線；標簽采用3V-500mAh紐扣電池供電。系統(tǒng)工作在2.4GHz頻段。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

2.2 芯片選擇及低功耗設計

TI推出的MSP430系列單片機是16位Flash型RISC指令集單片機[3]，以超低功耗聞名業(yè)界。MSP430F2012芯片工作電壓僅為1.8～3.6V，掉電工作模式下消耗電流為0.1μA，等待工作模式下消耗電流僅為0.5μA。本設計中，MSP430F2012被長時間置于等待工作模式，通過中斷喚醒的方式使其短暫進入工作狀態(tài)，以節(jié)省電能。MSP430F2012具有3組獨立的時鐘源：片內(nèi)VLO、片外晶振、DCO。其中，片外時鐘基于外部晶振；DCO由片內(nèi)產(chǎn)生，且頻率可調(diào)。顯然，主系統(tǒng)時鐘頻率的高低決定著系統(tǒng)的功耗，尤其是選擇了高速片外晶振的情況下，因此，MSP430F2012提供了在不同時鐘源間進行切換的功能。在實際設計中，通過實時重新配置基礎時鐘控制寄存器以實現(xiàn)主系統(tǒng)時鐘和輔助系統(tǒng)時鐘間的切換，既不失性能，又節(jié)約了能耗。

MSP430F2012具有LPM0～LPM4五種低功耗模式，合理的利用這五種預設的模式是降低MCU功耗的關鍵，本設計中，MSP430F2012在上電配置完畢后將直接進入LPM3模式，同時開啟中斷，等待外部中斷信號。此外，由于MSP430F2012是一款多功能通用單片機，片內(nèi)集成了較多功能模塊，在上電配置時即停止所有不使用的功能模塊也能起到降低系統(tǒng)功耗的目的。

nRF24L01是Nordic公司開發(fā)的2.4GHz超低功耗單片無線收發(fā)芯片，芯片有125個頻點，可實現(xiàn)點對點和點對多點的無線通信，最大傳輸速率可達2Mbps，工作電壓為1.9～3.6V[4]。為了凸顯其低功耗性能，芯片預置了兩種待機模式和一種掉電模式。更值得一提的是nRF24L01的ShockBurstTM模式及增強型ShockBurstTM模式[4]，真正實現(xiàn)了低速進高速出，即MCU將數(shù)據(jù)低速送入nRF24L01片內(nèi)FIFO，卻以1Mbps或2Mbps高速發(fā)射出去。本設計正是利用了增強型ShockBurstTM模式，使得MSP430F2012即便在32768Hz低速晶振下也能通過射頻端高速的將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，既降低了功耗，又提高了效率，增強了系統(tǒng)防沖突和應付移動目標能力。

2.3 電路設計

本系統(tǒng)主要運用于RFID定位方面，除了簡單的識別外，重點在于閱讀器對標簽信號強度的測量，因此閱讀器與標簽間不會有大數(shù)據(jù)量頻繁的讀寫操作，在電路設計時可省略片外EEPROM。同時還可以省去穩(wěn)壓電路以節(jié)省靜態(tài)電流消耗。硬件原理圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件流程

本系統(tǒng)屬于雙向通信系統(tǒng)，標簽在發(fā)送數(shù)據(jù)前處于監(jiān)聽狀態(tài)，nRF24L01的接收功能被打開，同時MSP430F2012處于LPM3模式，直至接收到閱讀器廣播的“開始”指令，并通過中斷將MSP430F2012喚醒。MSP430F2012被中斷喚醒后開始判斷指令是否正確，如果正確則進入正常發(fā)送周期，否則返回LPM3模式。

考慮到實時定位的需要，系統(tǒng)不能像一般的RFID標簽那樣僅僅進行有限次驗證，本系統(tǒng)采用等間隔持續(xù)發(fā)送的模式，便于閱讀器實時監(jiān)測目標位置，系統(tǒng)設定的正常發(fā)送周期為500ms，由MSP430F2012的Timer_A定時，500ms定時開始后，標簽ID通過SPI發(fā)送到FIFO，nRF24L01采用了增強型ShockBurstTM模式，發(fā)送失敗則會繼續(xù)重發(fā)，標簽ID發(fā)送完畢后，MSP430F2012判斷定時器是否超時，一旦超時則進入下個發(fā)送周期，否則處于等待狀態(tài)直至超時。當閱讀器停止廣播“開始”指令，MSP430F2012重新進入LPM3模式以降低功耗。系統(tǒng)完整流程如圖3所示。

3.2 防沖突設計

nRF24L01自帶載波檢測功能，在發(fā)送數(shù)據(jù)前先轉入接收模式進行監(jiān)聽，確認要傳輸?shù)念l率通道未被占用才發(fā)送數(shù)據(jù)，利用此功能可實現(xiàn)簡單的硬件防沖突。

考慮到本系統(tǒng)采用了500ms的統(tǒng)一發(fā)送間隔，在被定位目標眾多的場合有可能發(fā)生識別沖突，因此需要在程序中合理的增加防沖突算法。ALOHA算法主要用于有源標簽，其原理就是，一旦信源發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞，就讓信源隨機延時后再次發(fā)送數(shù)據(jù)。考慮到程序的復雜性勢必引起處理時間的增加，也會帶來額外的能耗，本系統(tǒng)采用了較為簡單的純ALOHA算法，即在每個500ms計時周期內(nèi)隨機發(fā)送標簽ID，這就需要在程序中插入一個隨機延時，延時時長的選擇通過一個隨機值函數(shù)來實現(xiàn)，隨機延時范圍為0～300ms。這種簡單的防沖突算法既簡化了指令，又能大幅降低沖突概率。

另外，nRF24L01傳輸速率為1Mbps或2Mbps，單次發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，單個數(shù)據(jù)包最大32bytes，假設標簽ID為32bytes，以2Mbps速率發(fā)送一次ID的信號寬度（傳輸時間）約為100～150μs，相對于500ms的整個定時周期而言微乎其微，但仍有可能出現(xiàn)發(fā)送飽和的狀態(tài)，這時可以適當?shù)难娱L計時周期以增加信道容量。較快的傳輸速率有助于移動目標的識別和定位，而較短的數(shù)據(jù)長度也能顯著提高標簽基于隨機延時的防沖突能力，因此盡可能將標簽ID的長度限制在32bytes以內(nèi)。

4.測試結果

對于RFID系統(tǒng)而言，最重要的參數(shù)就是讀取距離[5]和有效讀取率。本次實驗測試設備為標簽3枚，閱讀器一臺，PC一臺，閱讀器基于MSP430F149和nRF24L01芯片設計，并通過RS232串口與PC進行通信。測試中，分別將3枚標簽置于距離閱讀器15m、30m、45m處，便簽ID分別為AABBCCDDFFFFFF01、AABBCCDDFFFFFF02、AABBCCDDFFFFFF03，每枚標簽進行一小時（約7200次）連續(xù)讀取測試。

從表1測試結果看，30m以內(nèi)為標簽正常讀取距離，可滿足一般的室內(nèi)應用，距離為45m時讀取率則顯著下降。由于天線的設計對系統(tǒng)性能有較大影響[6]，通過改進標簽的天線以獲取較大輸出功率，改進閱讀器端天線接收靈敏度也能顯著提高系統(tǒng)性能。

5.結束語

本文對基于MSP430F2012和nRF24L01的有源RFID標簽的設計進行了詳細的介紹。對2款芯片的低功耗性能進行了分析并提出了自己的低功耗設計方案；結合了RFID定位的特點，介紹了有別于一般以識別為主要目的的標簽的設計方法，分析了其軟件設計流程；針對一般空間內(nèi)被識別目標眾多且常處于移動狀態(tài)的特點，介紹了系統(tǒng)的防沖突能力。整個系統(tǒng)電路簡單，尺寸小，功耗低，通過良好匹配的天線通信距離可達幾十米，可以滿足煤礦行業(yè)井下一般小范圍空間內(nèi)的定位需求。

參考文獻

[1]Vita G D，Iannaccone G.Design criteria for the RF sectionof UHF and microwave passive RFID transponders[J].IEEETrans Microw Theory Tech，2005，53（9）：2978.

[2]Rao K V S，Nikitin P V，Lam S F.Impedance matching concepts in RFID transponder design[J].IEEE Workshop on Advanced Automatic Identification Technologies.2005，10：39.

[3]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[4]Nordic VLSI ASA. Single chip 2.4 GHz Transceiver nRF24L01.Preliminary Product Specication.2006.

[5]RFID技術及其測試方案[J].國外電子測量技術，2007 （01）.

[6]Vita G D，lannaccone G.Ultra，low-power RF section of apassive microwave RFID transponder in 0.35um BiCMOS[J].IEEE International Symposium on Circuits and Systems.2005，5：5057.

項目基金：江蘇省省級現(xiàn)代服務業(yè)（軟件行業(yè)）發(fā)展專項引導資金資助項目（項目編號：Z065）。

作者簡介：姚宏昕（1984—），男，碩士，工程師，現(xiàn)供職于天地（常州）自動化股份有限公司，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。