一種集成RFID電子標(biāo)簽的傳感器節(jié)點設(shè)計

摘要：文中針對電磁干擾和遮擋非常嚴(yán)重的電池生產(chǎn)車間的復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計一種集成RFID的電池充放電參數(shù)采集節(jié)點。在每一個電池上放置一個無線節(jié)點，能實時獲取每個電池在充放電過程的電流、電壓、溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集。全過程不需人工干預(yù)進(jìn)行實時監(jiān)控，同時將充放電過程的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，以實現(xiàn)電池售后的質(zhì)量跟蹤和追溯。相對于傳統(tǒng)電池充放電方法，采集節(jié)點將充放電過程的監(jiān)控做到了自動化、專家化。

電池在出廠之前一般都要經(jīng)過一道充放電工序，對電池的性能進(jìn)行檢測，這對于保證電源供電可靠性具有十分重要的作用。充放電過程需要檢測的參數(shù)一般包括：充放電電壓、充放電電流、電池溫度、內(nèi)阻、荷電狀態(tài)(SOC)、劣化狀況(SOH)，以便于處理極扳活性物質(zhì)凝結(jié)、測試電池性能、防止極板鈍化，保證電池質(zhì)量。根據(jù)中國郵電電信總局頒發(fā)的《電信電源維護(hù)規(guī)程》的要求，所有閥控式鉛酸(VRLA)蓄電池出廠前都要進(jìn)行進(jìn)行2～3次充放電試驗，考驗和檢測各相技術(shù)指標(biāo)。

本論文設(shè)計一種集成RFID電子標(biāo)簽的傳感器節(jié)點，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，在采集的電壓、電流、溫度值之后將數(shù)據(jù)存儲在電子標(biāo)簽中，由上位機(jī)上的讀卡器實時讀取。另外根據(jù)電池企業(yè)的特殊應(yīng)用背景，電池生產(chǎn)線上布置大規(guī)模、高密集度的RFID標(biāo)簽，必須設(shè)計快速大批量讀取的RFID讀寫器，將RFID技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行融合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不關(guān)心某一節(jié)點的位置，因此對節(jié)點一般都不采用全局標(biāo)識，而RFID技術(shù)對節(jié)點的標(biāo)示有著得天獨厚的優(yōu)勢，將兩者結(jié)合共同組成網(wǎng)絡(luò)可以相互彌補(bǔ)對方的缺陷，網(wǎng)絡(luò)既可以考慮到每一個電池的充放電過程的電流、電壓信息，也可以利用RFID的標(biāo)識功能輕松的找到每一個電池的具體位置。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域技術(shù)，是工業(yè)控制的前沿技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊。本文設(shè)計的節(jié)點由集成RFID電子標(biāo)簽的傳感器組成，兼有電子標(biāo)簽和傳感器的功能。外形設(shè)計小巧，只有打火機(jī)體積大小，接在每只電池的兩個端子上。充放電機(jī)工作時，傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)存儲在電子標(biāo)簽中，安裝在上位機(jī)上的讀卡器將采集數(shù)據(jù)實時讀取。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用自組織協(xié)議支持下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電磁干擾和遮擋干擾都非常嚴(yán)重的生產(chǎn)車間，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運作，并且信息采集的可靠性也比有線采集提高了一個數(shù)量級。

1 集成RFID的智能節(jié)點的硬件設(shè)計

該智能節(jié)點由微控制單元、傳感器采集單元、射頻收發(fā)器、RF天線、內(nèi)部存儲器單元和供電單元6部分組成。集成RFID電子標(biāo)簽的智能節(jié)點被放置在電池頂端，接口連接電池兩個極板，傳感器采集單元負(fù)責(zé)采集電池的電流、電壓、溫度等信息，采集的電量信息暫存在內(nèi)部存儲器中，微處理器在合適的時候?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，由SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽中的信息通過射頻收發(fā)器發(fā)送出去，由上位機(jī)上的讀卡器實時讀取。整個節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

下面分別介紹各個部分的具體設(shè)計

傳感器采集單元：傳感器采集單元負(fù)責(zé)采集電池的電流、電壓、溫度等電量信息，它包含有電源模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。

①電壓采集模塊

電壓采集則需要先對電壓進(jìn)行放大和濾波，然后直接進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換即可由微處理器進(jìn)行讀取和處理。本文選用科海模塊KV50A/P，KV50/P的被測電流為額定值10 mA(被測電壓通過連接電阻R得到，V/R=被測電流)，輸出電流為額定值50 mA，測量范圍為0～15 mA，線性度<0.1%，內(nèi)阻為450 Ω。

電壓采集模塊采樣電路圖如圖3所示。

②電流采集模塊

電流采集使用一個霍爾電流傳感器芯片，該傳感器可將電流轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電壓值，電壓值再經(jīng)過一次AD轉(zhuǎn)換，就可以直接被微處理器接收和儲存。本文選用科海模塊KA50A/P。電流采集模塊采樣電路圖如圖4所示。

③溫度采集模塊

溫度采集模塊采用美國Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20單總線數(shù)字式智能型溫度傳感器，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，它的輸出電壓與攝氏溫度成線性比例，而且不需要外部校準(zhǔn)或微調(diào)，直接將溫度物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并以總線方式傳送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。DS18B20對于實測的溫度提供了9～12位的數(shù)據(jù)和報警溫度寄存器，測溫范圍為55～+125℃，其中在10～+85℃的范圍內(nèi)測量精度為±0.5 ℃。DS18B20的輸出電壓與攝氏溫度呈線性關(guān)系，0℃時輸出為0 V，每升高1℃，輸出電壓增加10 mV此傳感器可適用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動化測量及控制系統(tǒng)，具有微型化、功耗低、性能高、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點。此外，每一個DS18B20有唯一的系列號，因此多個DS18B20可以存在于同一條單線總線上。DS18B20溫度傳感器與主控芯片MSP430連接圖如圖5所示。

2 射頻收發(fā)器單元

RFID射頻收發(fā)器單元和傳感器采集單元集成在一個傳感器節(jié)點上，兼有電子標(biāo)簽和傳感器的功能，傳感器采集單元采集電壓、電流、溫度值，電子標(biāo)簽將數(shù)據(jù)存儲在起來，讀寫器通過訪問射頻收發(fā)器單元實時讀取標(biāo)簽的信息。實物模擬圖如圖6所示。