集成溫度傳感器的有源電子標簽設計

張欣露，吳 勇，任 健，劉智鍵

(中國礦業大學(北京)機電學院，北京 100083)

射頻識別 RFID(Radio Frequency Identification)技術是近年來開始興起并逐漸走向成熟的一種自動識別技術。該技術以非接觸式、存儲容量大、識別速度快、距離遠、可多卡識別等優點而得到了越來越廣泛的應用[1]。隨著RFID技術成熟與RFID標簽成本的下降，逐步呈現一些具有實際應用價值的發展趨勢，其中之一是RFID與溫度傳感器相結合[2]。目前在礦井生產安全監測監控系統中，普遍是用電纜線傳輸采集到的溫度值，而電纜線很容易被拉脫、拉斷、擦破，從而引起電火花觸發瓦斯而引發礦難。把溫度傳感器與RFID技術結合起來，不僅可以進行自動識別，而且可以形成一種串行數據采集無線傳輸的方式，使得整個檢測裝置體積很小，并且省去了大量的布線工作。該裝置可以安裝在礦工的頭盔上，利于實時監測，減少了實際測溫中的干擾，使其可靠性及精度有了很大的提高[3]。

本文從硬件結構和軟件結構兩方面闡述了集成溫度傳感器有源電子標簽的研發設計，該有源電子標簽通過調試，能夠穩定可靠地檢測到溫度值，并且進行無線通信。

1 系統的硬件結構及工作過程

在硬件結構上，集成溫度傳感器的有源電子標簽主要由無線射頻模塊、天線、微控制器(MCU)、傳感器、電源模塊組成。其硬件結構圖如圖1所示。

圖1 有源電子標簽硬件組成

當電子標簽上電后，首先對無線射頻模塊及傳感器進行初始化，完成射頻芯片中的射頻收發器的收發地址、收發頻率、發射功率、無線傳輸速率、無線收發模式以及CRC校驗的長度和有效數據長度等信息的設置，然后微控制器把傳感器定時采集到的數據通過通信接口發送給射頻芯片，射頻芯片再通過發射模式發送出去[4]。

1.1 片上芯片CC2430

CC2430包含了1個高性能2.4 GHz的直接序列擴頻(DSSS)射頻收發器核心和1個工業級小巧高效的8051控制器，在單個芯片上整合了射頻(RF)前端、內存和微控制器。它具有以下特點：(1)使用 1個8位MCU(8051)，具有 32/64/128 KB可編程 Flash和 8 KB的 RAM；(2)極高的接收靈敏度和抗干擾性能；(3)具備在各種供電方式下的數據保持能力；(4)只需極少的外接元件；(5)電流消耗小 (當微控制器內核運行在32 MHz時，Rx為 27 mA，Tx為 25 mA)，特別適合要求電池壽命非常長的應用[5]場合。

1.2 溫度傳感器DS18B20簡介

DS18B20是DALLAS公司生產的單線式數字溫度傳感器，它具有3引腳TO-92小封裝體積，其不銹鋼外殼封裝形式可以防水防潮，適合惡劣的現場溫度檢測，其溫度測量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.062 5℃[6]。其內部結構圖如圖2所示。

圖2 DS18B20的內部結構

1.3 DS18B20與CC2430接口的設計

溫度傳感器DS18B20與芯片CC2430的硬件連接非常簡單，如圖3所示。由于它將地址線、數據線和控制線合為一根雙向串行傳輸的信號線，可以單獨控制，因此只需占用CC2430的1根I/O線。

2 系統的軟件結構

2.1 系統流程圖

系統的軟件主要由主程序、初始化子程序、數據采集子程序、無線通信子程序、串口通信子程序5部分組成。其中的無線通信子程序分為發送模式和接收模式，系統工作流程圖如圖4所示。

圖3 DS18B20與CC2430的硬件接口連接圖

2.2 DS18B20的工作時序及軟件流程

DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此，系統對DS18B20的各種操作必須按協議進行。其采集程序流程圖如圖5所示。

2.3 測溫結果

圖4 系統工作流程圖

圖5 溫度采集程序流程圖

測溫結果由兩部分組成：(1)標簽的ID號，ID號由64位十六進制組成，可以通過軟件SmartRF04Prog進行改寫；(2)實時采集到的溫度信息。這兩部分通過串口發送到上位機進行實時顯示。

本系統軟件編程采用單片機C51語言，在IAR Embedded Workbench IDE編譯環境下進行在線實時調試。

經過調試，本設計達到了預期的結果，發送端每隔10 min發送1次標簽的ID號和溫度采集數據，接收端能夠正確接收到數據并且通過串口通信發送到上位機進行實時顯示。把溫度傳感器與RFID芯片結合起來只占很小的空間，滿足了小型化、無線傳輸、實時監測的要求，其可靠性和精度也有了很大的提高，可應用于礦井生產安全監測監控系統中，也可以為易腐壞食品、藥品和物流中任何其他對溫度敏感的物品采集溫度信息，為許多醫藥診斷試驗和程序提供及時的數據。

[1]GLIDDEN R， BOCKORICK C.Design of ultra-low cost UHF RFID tags for supply chain applications[J].IEEE J.Communications Magazine， 2004，4(8)：140-151.

[2]沈紅偉，李力南，陳國華.集成溫度傳感器的超高頻無源電子標簽芯片設計 [J].微電子學與計算機，2008，25(4)：192-195.

[3]婁樸根，宋文愛.礦井下實時溫度監測和無線傳輸系統的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2007(3)：44-46.

[4]付煒，馬建國.2.4 GHz射頻識別中標簽電路設計與實現[J].集成電路應用，2007(11)：61-64.

[5]美國德州儀器.Smart RF CC2430 Peliminary(rev.1.01).2005.

[6]Maxim.Datasheet for DS18B20.[2009-08-27].http://www.maxim2ic.com.