一種低功耗智能傳感主動式標簽的設計

鄭淼淼 ， 趙蒼榮

（1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001；2.淮南市山南開發建設有限公司，安徽 淮南232001）

射頻識別技術 （Radio Frequency Identification，RFID）是近年迅速發展起來的一項新技術，它利用射頻信號通過空間耦合實現非接觸式信息傳遞，達到自動識別目的[1]。其主要的優點是環境適應性強、不受雨雪、冰雹、灰塵等的影響，可全天候、無接觸地完成自動識別、跟蹤與管理，且可以穿透非金屬物體進行識別，抗干擾能力強[2]。RFID系統由電子標簽、讀寫器和數據交換與管理系統組成。電子標簽可分為被動式和主動式兩種。被動式標簽無需電池，由讀寫器產生的磁場中獲得工作所需的能量，但讀取距離較近，且單向通信，局限性較大。RFID主動式電子標簽不但具備被動式電子標簽的很多特性，而且還具有讀取距離更遠，性能更可靠，壽命長等優點[3]。文中提出一種應用超低功耗單片機MSP430F147和無線傳輸收發芯片nRF2401作為核心的低功耗智能傳感主動式標簽的設計方案，系統含有溫度、濕度傳感器，可以實時智能感知標簽所處環境的溫度和濕度信息。

1 系統硬件設計

系統硬件結構如圖1所示。系統采用MSP430系列低功耗單片機MSP430F147作為微控制器，主要包括nRF2401以及天線模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、電池電路、電量檢測和聲光報警電路。

圖1 智能傳感標簽結構框圖Fig.1 Intelligent sensor label block diagram

由于有源電子標簽需要內置電池供電，它對低功耗要求非常高，所以硬件設計中應該選擇具有低功耗特性的單片機和低功耗型的射頻收發芯片[4]。MSP430F147單片機是由TI公司生產的一種超低功耗的微控制器，它采用16位精簡指令系統，集成有16位寄存器和常數發生器，發揮了最高的代碼效率，并可采用數字控制振蕩器，使其從低功耗模式到喚醒模式的轉換時間小于 6 μs。其內部帶有32 kB+256 B閃速存儲器、1KB的RAM、兩個內置16位定時器、一個8通道快速12位的位A/D轉換器、兩個通用串行同步/異步通信接口USART。低電壓范圍為1.8～3.6 V，待機狀態耗電僅為1.6 μA，并具有5種省電模式，允許中斷事件切換省電模式，很適合應用于電池供電的長時間工作的場合[5]。

nRF2401為Nordic公司生產的射頻收發芯片，此芯片用于2.4～2.5 GHz ISM波段，內部由頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制解調模塊組成。輸出功率、信道頻率和協議都可以很容易地通過一個SPI口進行編程。電流的消耗非常低，在輸出功率為－6 dBm時只有9 mA，在接收模式只有12.3 mA，內建的低功耗與休眠模式可以大大減少功耗。它采用GFSK調制，在ISM頻段內可設置126個信道，空中數據速率最高可達 2 Mb/s， 并且可以選擇 0、－6、－12、－18 dBm 其中之一作為輸出功率[6]。

1.1 單片機電路

單片機MSP430F147接口電路設計如圖2所示。其外圍電路包括晶振電路、復位電路和JTAG電路。MSP430F147的第 12引腳 P1.0，第 13引腳 P1.1，第 14引腳 P1.2，第 15引腳P1.3，第 16引腳 P1.4，第 17引腳 P1.5，第 18引腳 P1.6，第 19引腳P1.7，第20引腳P2.0分別與nRF2401的第8引腳DATA，第 7引腳 CLK1，第 6引腳 DR1，第 5引腳 CS，第 4引腳 DOUT2，第 3引腳 CLK2，第 2引腳 DR2，第 1引腳 CE，第23引腳PWR_UP相連。

圖2 MSP430F147接口電路Fig.2 MSP430F147 interface circuit

1.2 nRF2401接口電路

nRF2401接口電路如圖3所示。nRF2401的外圍電路非常簡單，只需少量的外圍元件。其第11、12引腳外接16 MHz的晶振為其提供所需的工作時鐘，使用外置SMA天線，無線傳輸距離在100 m左右，滿足實際要求。nRF2401的DR2、CLK2、DOUT2、CS、DRl、CLKl、DATA、 PWR_UP 引 腳 和 單 片機MSP430F147的P1口、P2.0引腳相連。其中，nRF2401通過DATA、CLKl、CS 引腳和 MSP430F147 單 片 機 進 行 通信 ，由PWR_UP、CE和CS這3個引腳配置4種工作方式。

1.3 傳感器電路設計

溫濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司的SHT21S，SHT21S溫濕度傳感器將敏感元件、標定存儲器和數字接口集成在3×3 mm的襯底上，此外，傳感器還提供電子的識別跟蹤信息。除敏感元件部分，傳感器外表采用包覆成型，可以減少傳感器受外界因素如老化，震動，揮發性化學氣體的影響，保證其具有良好的穩定性。數據由SDA線輸出。溫度和濕度的測量可通過拉高或拉低 SCL來切換，當SCL為高電平時進行濕度的測量；SCL為低電平時進行溫度的測量。SHT21S全量程標定，兩線數字接口，可與單片機直接相連，外圍電路極其簡單。傳感器電路如圖4所示。

圖3 nRF2401接口電路Fig.3 nRF2401 interface circuit

圖4 傳感器電路Fig.4 Sensor circuit

1.4 電量檢測與報警

由于標簽使用紐扣電池供電，為了保證標簽的正常工作，有必要定時檢測電池電壓是否過低，如若電池電壓過低，通過聲光報警來提醒用戶及時更換電池。本設計通過單片機內部自帶的12位A/D轉換器的A0通道即第59引腳P6.0/A0對電池電壓進行定時檢測，MSP430F147采用內部參考電平，程序中設定好報警的閥值電壓，當電池電壓低于閥值電壓時便發出報警信號。

2 系統軟件設計

系統軟件是在MSP430系列單片機配套的開發環境IAR Embedded Workbench平臺上開發的C代碼程序，采用模塊化結構。軟件編程的基本思路是：首先完成控制單元的初始化、各種參數配置、nRF2401控制端口初始化及各外圍模塊配置和初始化等；然后開啟接收機，運行任務程序，以實現接收或發送數據。另外主程序模塊中還應包括對系統外部電壓檢測、聲光報警等以及系統中斷和記錄存儲等。

傳感標簽平時處于休眠方式，收到讀寫器命令后喚醒其內部的微處理器，啟動傳感器進行測量。下面主要介紹nRF2401操作流程。nRF2401具有4種工作模式：收發模式、配置模式、空閑模式和關斷模式，由PWR_UP、CE和CS這3個引腳信號決定，工作模式與引腳信號的對應關系如表所示。本設計采用ShockBurstTM收發模式，在此模式下，nRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼，使用片內的先入先出堆棧區，數據低速從微控制器送入，高速向外發射。對nRF2401的操作主要是配置其工作方式和讀寫數據，所有配置命令字和數據都是通過CLK和DATA兩個引腳完成的。使用nRF2401進行發送數據時，采用以下的步驟：1）置位CE，使能nRF2401；2）向nRF2401寫入接收機的地址以及要傳送的數據；3）復位CE，激發nRF2401進行ShockBurstTM發射。而接收端依照以下流程進行數據接收：1）配置本機地址和即將接收的數據包大小；2）CE 置位，進入接收狀態；3）等待 202 μs后，nRF2401 進入監視狀態，等待數據包的到來；4）當接收到正確的數據包時，nRF2401自動除去字頭、地址和CRC；5）nRF2401置位DR1；6）MSP430F147把數據從nRF2401逐位移出；7）所有數據移完，nRF2401把DR1置低，此時如果CE為高，則等待下一個數據包，如果CE為低，程序返回。

表1 nRF2401工作模式與引腳信號的對應關系Tab.1 Relations of the work mode and the pin signal about the nRF2401

3 結束語

本文應用單片機MSP430F147和射頻芯片nRF2401設計了一種低功耗智能傳感標簽，電路設計結構簡單、工作穩定可靠、體積小、功耗低。與一般標簽相比，本設計標簽能夠定時智能感知外界的溫度、濕度信息并進行無線傳輸，方便各種環境中的溫濕度的數據采集，應用廣泛。

[1]王永超，郭瑞，包貴浩，等.低功耗有源RFID標簽設計與實現[J].電子測量技術，2010，33（7）:30-33.WANG Yong-chao，GUO Rui，BAO Gui-hao，et al.Design and implementation of Low-power active RFID tag[J].Electronic Measurement Technology，2010，33（7）:30-33.

[2]邱煒，孫志鋒，孫曉東，等.基于nRF2401的RFID讀寫器設計[J].機電工程技術，2008，37（9）:62-65.QIU Wei，SUN Zhi-feng，SUN Xiao-dong，et al.The design of RFID reader based on nRF2401[J].Mechanicai&Electrical Engineering Technology，2008，37（9）:62-65.

[3]袁江，曹金偉，邱自學.基于RFID讀寫器網絡的糧庫溫濕度分布式監測[J].農業工程學報，2011，27（10）:131-136.YUAN Jiang，CAO Jin-wei，QIU Zi-xue.Temperature and humidity distributed monitoring for grain depot based on RFID reader networks[J].Transactions of the CSAE，2011，27（10）:131－136.

[4]高文俊，袁超綱，房慶海，等.電子標簽的設計與低功耗的實現[J].控制工程，2009（16）:151-153.GAO Wen-jun，YUAN Chao-gang，FANG Qing-hai，et al.Design and implementation of low power RFID tag[J].Control Engineering of China，2009（16）:151-153.

[5]Texas Instruments.MSP430x1xxx Family User’s Guide[S].2006.

[6]Nordic Semicondutor.NRF24L01 Single Chip 2.4GHz Transceiver Product Specification[S].2007.