極低功耗溫濕度傳感有源RFID的標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)是通過射頻信號(hào)對(duì)某個(gè)目標(biāo)的ID進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別得到對(duì)象信息，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的磁卡和IC卡，RFID技術(shù)解決了無源和免接觸兩大問題，同時(shí)它可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和多目標(biāo)識(shí)別，能夠廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)合。其突出優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能夠穿透非金屬材質(zhì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)供電方式的不同，可以將RFID分為兩類：無源RFID和有源RFID。無源RFID工作時(shí)，標(biāo)簽通過讀寫器的電磁場(chǎng)獲得能量，標(biāo)簽本身不需要電池。有源RFID則恰恰相反，需要提供全部器件工作所需的電源[1]，電子標(biāo)簽需要自備電池。與無源標(biāo)簽相比，有源RFID溫濕度標(biāo)簽有著對(duì)閱讀器的發(fā)射功率要求低、有效閱讀距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，因此在冷鏈物流、醫(yī)療系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)物資管理、疫苗生產(chǎn)物流、衛(wèi)生防疫系統(tǒng)、科研機(jī)構(gòu)等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。但有源RFID溫濕度傳感標(biāo)簽對(duì)使用壽命、可靠性、體積等方面有較高的要求。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)壽命長(zhǎng)、可靠性高、體積小的有源RFID溫濕度傳感標(biāo)簽在國(guó)民生活中有著十分重要的意義。本文主要解決了有源標(biāo)簽設(shè)計(jì)的低功耗問題。
1 有源RFID系統(tǒng)組成及工作原理
有源RFID系統(tǒng)由有源標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。有源標(biāo)簽具有唯一的身份識(shí)別碼(即ID)，一些有源標(biāo)簽內(nèi)部還集成了傳感器，用于對(duì)特定物理量的測(cè)量。在閱讀器的有效工作范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽主動(dòng)地將自己的ID和所測(cè)得的物理量以電磁波的形式發(fā)送給閱讀器，閱讀器將相關(guān)信息存儲(chǔ)在自己的存儲(chǔ)設(shè)備中，存儲(chǔ)在閱讀器中的數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)口、RS-232、USB等通信接口傳送給應(yīng)用系統(tǒng)，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理[2]。

2 有源溫濕度傳感標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)
2.1 結(jié)構(gòu)
本文所設(shè)計(jì)的有源溫濕度傳感標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。有源標(biāo)簽的核心是一個(gè)微控制器（MCU），射頻模塊通過天線進(jìn)行射頻信號(hào)的收/發(fā)；EEPROM 存儲(chǔ)標(biāo)簽的身份識(shí)別碼以及物品的屬性等信息；溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)分別用來檢測(cè)標(biāo)簽所處環(huán)境的溫度和濕度，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可以使用集溫濕度檢測(cè)于一體的芯片；電量檢測(cè)模塊通過檢測(cè)電池的電壓，并根據(jù)電池電量和電壓的對(duì)照關(guān)系，間接地檢測(cè)出電池的剩余電量；電池為各個(gè)模塊的正常工作提供電源。

2.2 總體電路
2.2.1 主控模塊
主控模塊采用Microchip公司型號(hào)為PIC24F16KA102的16 bit超低功耗單片機(jī)。該系列的MCU采用nanoWatt XLP(eXtreme Low Power)極低功耗技術(shù)，其典型休眠電流可以低至20 nA，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電流低至490 nA，看門狗定時(shí)器電流低至370 nA[3]。MCU可連續(xù)運(yùn)行20年以上而無需更換電池，成為業(yè)界8 bit和16 bit MCU中低功耗性能最突出的MCU。該單片機(jī)具有SPI、I2C、UART、9個(gè)模擬輸入通道、3個(gè)16 bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、3個(gè)外部中斷[3]，完全可以滿足有源標(biāo)簽的需求。MCU與標(biāo)簽通過SPI接口進(jìn)行串行通信，如圖3所示。圖3中的J1是PIC 24F16KA102單片機(jī)用于下載和調(diào)試程序所用的ICSP接口。

2.2.2 射頻收發(fā)模塊
nRF24L01是一款工作在2.4 GHz~2.5 GHz世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。nRF24L01主要由調(diào)制/解調(diào)器、CRC編碼/解碼器、GFSK濾波器、中頻帶通濾波器、功率放大器、低噪聲放大器 (LNA)、先進(jìn)先出緩沖器(FIFO)組成[4]。通過SPI接口與MCU進(jìn)行通信，其電路圖如圖4所示。nRF24LOT射頻收發(fā)芯片有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)具有125個(gè)可選工作頻道，可用于跳頻工作方式，能夠有效地降低周圍環(huán)境的干擾。
(2)采用QFN20封裝面積僅為4 mm×4 mm，占用較小的PCB面積。
(3)低功耗。當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)，電流消耗為9.0 mA，接收模式時(shí)為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。
(4)具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)功能。
(5)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。處于ShockBurstTM模式時(shí)為1 Mb/s，處于增強(qiáng)型ShockBurstTM模式時(shí)為2 Mb/s。

2.2.3 溫濕度檢測(cè)模塊
SHT21S[5]是瑞士Sensirion公司的溫濕度傳感器，體積小、功耗低、穩(wěn)定性好。該溫濕度傳感器在25℃時(shí)的溫度測(cè)量精度為±0.3℃，溫度響應(yīng)時(shí)間為5 s~30 s(τ63%)；濕度測(cè)量精度為±2.0% RH，濕度響應(yīng)時(shí)間為8 s(τ63%)。該芯片通過SDM接口與MCU進(jìn)行通信。溫濕度的測(cè)量通過SCL(3腳)來選擇，當(dāng)SCL輸入高電平時(shí)進(jìn)行濕度的測(cè)量；SCL為低電平時(shí)進(jìn)行溫度的測(cè)量。也可以在SDA引腳外接一個(gè)低通RC濾波器將SDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。溫濕度檢測(cè)模塊如圖5所示。

2.2.4 EEPROM
PIC24F16KA102單片機(jī)內(nèi)部有512 B的EEPROM。因此本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM，以避免外接EEPROM，降低外接EEPROM帶來的功耗(一般在mA級(jí))，以及節(jié)省器件，減少電路板的面積，降低成本。

2.2.5 電量檢測(cè)
電量檢測(cè)采用MCU內(nèi)部的高低電壓檢測(cè)HLVD(High/Low-Voltage Detect)功能，通過編程可以設(shè)定產(chǎn)生該中斷的電壓值，這樣既解決了使用A/D檢測(cè)電壓沒有內(nèi)部參考源的問題，又在一定程度上降低了功耗。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 發(fā)送數(shù)據(jù)包的格式
發(fā)送數(shù)據(jù)包的格式如圖6所示。前導(dǎo)碼用來進(jìn)行同步，僅在發(fā)送模式下使用；標(biāo)志位用來進(jìn)行包識(shí)別，9 bit中僅僅用到其中的2 bit，剩余的7 bit保留；數(shù)據(jù)是要傳送/接收的1 B~32 B寬度的物品識(shí)別信息，對(duì)于本設(shè)計(jì)，指的是要檢測(cè)的溫濕度以及電池的剩余電量信息；CRC校驗(yàn)選擇生成多項(xiàng)式為X16+X12+X5+X1的16 bit CRC校驗(yàn)。

3.2 標(biāo)簽工作流程
為達(dá)到超低功耗的目的，標(biāo)簽有兩種工作流程：(1)正常的工作流程，檢測(cè)出所需的物理量并打包發(fā)送，時(shí)間間隔是10 s(在程序中可自行設(shè)定)一次，每發(fā)送完一次即進(jìn)入深度睡眠模式，達(dá)到10 s后通過定時(shí)器喚醒，喚醒后程序從復(fù)位向量處重新執(zhí)行；(2)進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，通過外部中斷0(即INT0，外接nRF24L01的中斷請(qǐng)求IRQ)進(jìn)行喚醒，喚醒后重新從復(fù)位向量處執(zhí)行。標(biāo)簽主程序流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試
4.1 功耗測(cè)試與估算
首先要通過PIC單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境MPLAB IDE V8.46的軟件仿真器測(cè)定單片機(jī)在初始化、溫濕度檢測(cè)等工作過程分別所需要的時(shí)間；其次，用示波器測(cè)試nRF24L01在各個(gè)工作過程所持續(xù)的時(shí)間和所消耗的電流；然后將以上測(cè)定的數(shù)據(jù)，輸入Microchip公司的極低功耗電池壽命估算軟件(Microchip XLP Battery Life Estimator)中，如圖8所示。

標(biāo)簽壽命的計(jì)算是基于平均電流的，即標(biāo)簽的理論壽命等于電池的容量(mAh)除以標(biāo)簽消耗的平均電流(mA)。平均電流的定義如下：

　需要注意的是，實(shí)際壽命的計(jì)算要考慮標(biāo)簽所用電池的自放電率(本設(shè)計(jì)的軟件給出的估算時(shí)間已經(jīng)考慮了所選電池本身的自放電率)。估算中采用225 mAh的LiMnO2電池，計(jì)算得到的電池壽命是2年263天19小時(shí)，實(shí)際采用的電池是750 mAh的錳鋰電池，通過換算得到使用750 mAh的錳鋰電池的標(biāo)簽壽命約是9.08年。如果考慮到電池的實(shí)際自放電率(比本軟件中給出的稍大些)，實(shí)際電池壽命會(huì)短一些。本計(jì)算得到的壽命是讓標(biāo)簽處在日夜不停的連續(xù)工作狀態(tài)(即每隔10 s檢測(cè)出溫濕度和電池電壓然后進(jìn)行發(fā)送)的壽命，即考慮的是最壞的可能。實(shí)際的標(biāo)簽可能只在一天的某個(gè)時(shí)間段內(nèi)工作，不工作時(shí)即進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，處理器消耗的功率只在nA級(jí)。
4.2 整機(jī)測(cè)試
調(diào)試時(shí)使用MCU的串口通信方式將收到的標(biāo)簽ID、溫濕度及電池電量信息實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)軟件中，當(dāng)發(fā)送端每10 s發(fā)送一次ID和相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，接收標(biāo)簽?zāi)軌虬凑占榷ǖ臅r(shí)間間隔正確地接收數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)軟件中。經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)比，所測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)的精度可滿足要求。
當(dāng)軟件中設(shè)定發(fā)射功率為0 dBm時(shí)，在開闊的試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)試測(cè)得通信距離為80 m左右；在封閉樓道內(nèi)測(cè)試的通信距離在30 m~40 m。
有源電子標(biāo)簽對(duì)低功耗性能指標(biāo)要求極高，因?yàn)榧词故? ?滋A的靜態(tài)電流在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)也會(huì)消耗較多的電量，所以在硬件選型上應(yīng)該特別注意這一點(diǎn)。如果需要設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗性能突出的系統(tǒng)，在軟硬件方面都需要認(rèn)真考慮，硬件的低功耗性能至關(guān)重要，軟件的低功耗措施也必不可少，尤其是需要長(zhǎng)時(shí)間工作的系統(tǒng)，利用器件的休眠或待機(jī)狀態(tài)能極大地降低系統(tǒng)的功耗。該有源溫濕度傳感標(biāo)簽已經(jīng)用在某公司生產(chǎn)車間的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，并取得了很好的低功耗效果。