物聯網環境下Rn運移機制實驗裝置的智能射頻感知系統設計

蔡思靜

（福建工程學院，福州 350118）

0 引言

氡氣是一種放射性氣體，可以作為示蹤劑，在地質勘探等領域有著廣泛應用。針對Rn的運移機制研究具有極高的理論價值和廣泛的社會意義,在自然條件下的Rn檢測研究無法揭示Rn運移的內部機制，因此，進行Rn運移機制的理想狀態實驗裝置設計對Rn自身運移機制研究（Rn-He團簇理論）具有重要意義。傳統的Rn運移實驗裝置采用PVC管通過活性炭的范德華力進行測試，該裝置可以克服濕度和壓力差的影響，但無法克服溫度差的影響。因此，在此基礎上，又提出了恒溫水循環系統[1]，在兩個嵌套的PVC管之間加入水循環系統以減小溫度差的影響。該裝置可以克服壓力差的作用，并減小了溫度差的影響，但其溫度差及濕度差無法量化，在理論模型研究中的修正系數無法精確控制。

隨著物聯網技術的廣泛應用，其RFID、傳感技術在射氣應用研究中有著無法比擬的技術優勢。RFID是利用射頻信號進行空間耦合，實現非接觸信息傳遞的自動識別技術，具有高精度、遠傳輸，可工作于惡劣條件下等諸多優點。同時，其非接觸的特性在射氣研究領域中有著優越的安全性保障。與此同時，傳感技術對環境信息的感知能力為Rn運移機制的環境參數量化提供了技術途徑。該課題的開展有效地將射頻傳感技術引入射氣研究，為IOT技術在射氣領域的應用提供了技術支持。

1 系統概述

物聯網環境下智能環境監測系統由3部分組成，如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

射頻傳感標簽：采用活性鋼圈內置于內層PVC管壁，距離可調（通常與活性炭位置一致），紐扣電池供電。負責傳感器溫、濕度信息的獲取，并結合時間和地址編碼等信息，通過射頻方式與閱讀控制器進行數據交互。

閱讀控制器：負責射頻傳感標簽與上位機之間的數據通信及數據的預處理。

Rn運移實驗監控系統（PC機）：通過串口接收閱讀控制器的數據信息，提供數據保存、處理等功能。

在已有的恒溫水循環系統的基礎上，加入智能射頻感知模塊功能，裝置設計如圖2所示，di的長度與活性炭放置距離一致（保證參數量化精度）。r

圖2 裝置設計示意圖

2 系統硬件設計

2.1 射頻傳感標簽的硬件設計

射頻傳感標簽由微處理器、溫濕度傳感模塊、射頻模塊和電源管理模塊組成。

微處理器：采用8051內核，協調各個功能模塊工作，如溫濕度數據的存儲，射頻收發模式調配等。

溫濕度傳感模塊：采用SHT75及外圍電路組成，目前常用的溫度傳感器普遍使用DS18B20，但其存在傳感器地址與安裝位置的固定映射關系，不便于維護和調配更換[2,3]。因此，系統采用SHT75模塊負責Rn運移裝置的溫濕度檢測。

射頻模塊：采用nRF24L01+完成射頻傳感標簽與閱讀控制器的通信[4～6]。模塊通過P0.0（1）腳進行16和32MHz雙晶振設計，復用P0.2（3）腳為SPI接口，預留P0.4（5）腳為其他傳感器提供系統冗余復用，P0.6復用為串行數據通信端，采用ANT1(2)腳提供射頻輸出。

電源管理模塊：負責電路供電系統能源管理與補給。

2.2 閱讀控制器的硬件設計

閱讀控制器由MSP430F449,、nRF24L01+和外圍電路組成，交流供電。MCU通過SPI串口與nRF24L01+進行通信，MSP430F449經SPI串口對nRF24L01+進行數據讀寫、寄存器設置等操作，通過nRF24L01+的CE端進行數據收發控制操作。nRF24L01+采用增強型ShockBurst收發模式，閱讀控制器通過RS232與上位機進行數據交互。

3 系統軟件

3.1 射頻標簽的軟件設計

射頻標簽負責數據采集及射頻數據交互，系統采用模塊化軟構件設計，其核心模塊是射頻數據收發。

3.1.1 射頻工作流程狀態分析

標簽的射頻收發模塊采用nRF24L01+的增強型ShockBurst模式，nRF24L01+提供4種工作模式調配[4]，在復位時序結束后進入Power Down模式，進行Power Down模式時，MCU可以通過SPI和RFCON寄存器對其進行控制。

圖3 模塊發送流程圖

3.1.2 射頻模塊功能實現

射頻模塊負責標簽數據的收發工作，是軟構件模塊的核心功能。設計采用軟件工程的設計思路，設置為增強型ShockBurst收發模式，提供0-32字節的DPL數據包，MCU使用R_RX_PL_WID指令讀取數據包長度，采用CRC錯誤檢測機制，射頻發送狀態工作流程如圖3所示。部分代碼如下：

圖4 nRF24L01射頻模塊接收流程圖

3.2 閱讀控制器的軟件設計

閱讀控制器的射頻收發模式采用了和標簽一樣的nRF24L01+芯片，系統設計采用模塊化軟構件設計，通過模塊復用可以節省大量的開發資源，模塊的接收模式流程如圖4所示。與射頻傳感標簽的不同之處在于閱讀控制器的多路接收功能，設計中的重點和難點在于多路接收和防碰撞功能實現。在接收模式下，閱讀控制器的接收模塊采用MultiCeiver功能連接多個并行數據通道。

表1 MultiCeiver接收地址表

1）閱讀控制器的MultiCeiver設計

設模塊配置為PRX可以在一個RF頻率通道下接收6路不同的數據通道，如表1所示，每路數據通道都采用增強型ShockBurst模式，且數據通道地址唯一，可配置完成不同的功能。在物理的RF通道中，每個物理地址由射頻模塊進行解碼。

2）防碰撞設計

模塊設計時必須考慮射頻傳感標簽之間，以及與閱讀控制器之間的通信沖突問題，其主流算法有ALDHA、隨即Q值和二叉樹法等。本設計射頻傳感標簽采用多點分布，且分布范圍規整統一，設計將根據地址匹配完成通信。本設計的防碰撞算法如圖5所示。

圖5 防碰撞算法示意圖

4 測試

根據實驗需要，測試距離為：在室內30m、室外63m內的多點位置。溫度檢測范圍：-40℃～+123℃，分辨率：0.01℃～0.04℃；濕度檢測范圍：0%RH～100%RH，分辨率：0.03%RH～0.5%RH。經測試：數據收發穩定，實驗裝置的溫度測量誤差小于±0.5℃，相對濕度測量誤差小于±1.9%RH，達到了預期性能指標。

5 結論

通過本設計得出以下結論：

1）將具有目標身份信息獲取的RFID技術與環境信息感知能力的傳感技術相結合，是物聯網技術的主要研究課題之一，這一技術在射氣檢測裝置設計應用中切實可行，且具有無法比擬的優勢。

2）nRF24LE01芯片的穩定傳輸滿足現階段裝置設計需求，通過MultiCeiver和防碰撞算法設計，完成了靈活、高效的方案設計。

3）溫濕度一體化傳感器SHT75提供了穩定的環境信息參數，并結合系統端口冗余復用設計，系統可以根據射氣研究的不同需求進行多傳感功能設計，為射氣研究提供全面服務。

本課題有很大的研究空間，隨著半導體技術的發展，今后的研究方向可以結合PFGA技術進行尺寸更小、穩定性更高、功能更全面的射頻傳感標簽設計，甚至實現Smart Dust在射氣領域的應用。

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