低功耗半主動式水質傳感電子標簽設計

姚達雯，周國平

（南京林業(yè)大學 信息科學與技術學院，南京210037）

引 言

傳統(tǒng)的水質檢測以人工采集為多。隨著信息化與數字化技術的發(fā)展，基于ZigBee無線技術與GPRS通信技術的水質檢測方案已逐漸被應用和實踐；然而這些方案工作量大，節(jié)點電池需要定期更換，收發(fā)信息有時還需要收費，導致成本提高。本文將射頻識別（RFID）技術和低頻喚醒技術相結合，設計了一款操作方便的低電耗、低成本的半主動式水質傳感電子標簽，實現對水溫、溶解氧、電導率、濁度、PH值等水質數據的采集、存儲與通信。與主動式電子標簽相比，功耗更低；與被動式電子標簽相比，通信距離更遠。

1 硬件設計方案

1.1 硬件系統(tǒng)結構

半主動式電子標簽的硬件系統(tǒng)主要分為控制模塊、低頻喚醒模塊、無線發(fā)射模塊、傳感器模塊和電源模塊。系統(tǒng)結構如圖1所示，由MSP430F149單片機作為主控芯片，系統(tǒng)平時處于休眠狀態(tài)，當在一定范圍內通過AS3933低頻喚醒模塊被低頻信號喚醒時，則處于工作狀態(tài)。數據采集模塊由傳感器組和信號調理電路組成，實現對水溫、溶解氧、電導率、濁度、PH值等數據的采集和處理。采集到的數據通過無線發(fā)射模塊CC1150實現與閱讀器的通信。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 MSP430F149主控芯片

電子標簽的主控芯片選擇TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡指令集的MSP430F149單片機。此系列單片機電源電壓為1.8～3.6 V，內部集成一個8通道12位模數轉換器，兩通道串行通信接口，多達60 KB Flash ROM和2 KB RAM。共有1種活動模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0～LPM4）。在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低在165μA左右；在實時時鐘模式下，可達2.5μA；在RAM保持模式下，最低可達0.1μA。

1.3 低頻喚醒模塊

低頻喚醒模塊以奧地利微電子公司生產的超低功耗低頻接收芯片AS3933為核心。AS3933在休眠模式下，最大工作電流為0.2μA；接收模式下，最大工作電流為6.7μA；工作電壓為3 V。內部集成3個天線可以自由調節(jié)的接收信號通道，接收頻率范圍廣泛，為15～150 k Hz。支持可編程16位或32位曼徹斯特喚醒碼，支持可編程數據速率和帶時鐘恢復的曼徹斯特解碼。低頻喚醒電路如圖2所示，MSP430F149通過SPI接口配置AS3933的工作方式，喚醒引腳WAKE與MSP430F149的P0口相連，解碼時鐘引腳CL＿DAT和數據引腳DAT與MSP430F149的P1口相連。

圖2 低頻喚醒電路

1.4 無線發(fā)射模塊

無線發(fā)射模塊以TI公司生產的低功耗單片UHF無線發(fā)射器CC1150為核心。CC1150工作電壓為1.8～3.6 V，發(fā)射功率10 dB下最大電流消耗為26 m A，支持300～348 MHz、400～464 MHz和800～928 MHz三個頻段的UHF信號發(fā)送，支持曼徹斯特編碼和ASK、OOK等多種調制方式。無線發(fā)射電路如圖3所示，MSP430F149通過SPI接口將采集的水質數據寫入CC1150的數據緩沖區(qū)，采用3 V電壓經過濾波電路后為芯片供電，信號通過平衡-不平衡轉換電路和π型網絡由天線發(fā)射出去。

1.5 信號采集模塊

信號采集模塊由傳感器組和信號調理電路組成。傳感器組采用美國Global Water公司生產的WQ101型溫度傳感器、WQ201型PH值傳感器、WQ301型電導率傳感器、WQ401型溶解氧傳感器和WQ700型濁度傳感器。WQ系列傳感器具有精度高，準確性、可靠性強及成本低等特點。信號調理電路用于實現由各種傳感器輸出的非標準信號向標準信號的轉變，以便于單片機進行數據的運算處理。如圖4所示，采用LM358型運算放大器構成前級同相放大電路和后級差分放大電路，并通過調節(jié)電路中的相關電位器達到信號調理的目的。

圖3 無線發(fā)射電路

圖4 傳感器信號調理電路

1.6 電源模塊

電子標簽選擇干電池供電。由于各模塊所需的電源電壓不同，故設計了電源轉換模塊。主要包括實現5 V轉3 V電壓的MCP1612同步降壓穩(wěn)壓變換電路，以及實現5 V轉3.3 V電壓的TLV1117-3.3低壓差線性穩(wěn)壓電路，如圖5所示。

圖5 電源轉換電路

2 軟件設計方案

2.1 軟件系統(tǒng)結構

系統(tǒng)軟件主要由初始化程序、休眠設置程序、低頻喚醒程序和無線發(fā)射程序組成。主程序流程如圖6所示，初始化MSP430F149單片機及其外部設備后，首先進入休眠狀態(tài)并打開中斷。當接收到低頻喚醒中斷時，MSP430F149單片機解析并匹配低頻數據，匹配完成后通過傳感器探頭進行水質數據采集，轉換盒存儲，再通過無線發(fā)射模塊向閱讀器發(fā)送數據，從而完成一次完整的水質數據的采集。

圖6 主程序流程

2.2 無線收發(fā)模塊設置

CC1150無線發(fā)射模塊通過TI公司推出的Smart RF studio軟件進行最優(yōu)寄存器評定和性能測評。設置界面如圖7所示，調制模式選擇ASK/OOK，晶振頻率選擇27 MHz，基準頻率選擇315 MHz。鍵入后，軟件會自動把基準頻率修定為314.999 725 MHz，右側的Register View會給出相關寄存器的數據。

2.3 低頻喚醒程序

AS3933低頻喚醒程序流程如圖8所示。當電子標簽工作時，由閱讀器發(fā)送低頻信號，AS3933接收到由曼徹斯特編碼構成的喚醒接收數據后，喚醒引腳WAKE產生高電平，通過P0口喚醒 MSP430F149。MSP430F149通過捕捉時鐘管CL＿DAT的上升沿中斷和讀取數據引腳DAT的電平狀態(tài)，完成12字節(jié)低頻數據的接收，整個低頻喚醒過程約為0.2 s。

3 實驗結果及分析

圖7 CC1150設置界面

圖8 低頻喚醒程序

筆者對調試好的標簽進行了室外的實際測試，于2013年12月28日14：00對南京林業(yè)大學紫湖溪進行了水質監(jiān)測，采集數據如表1所列。經測試，電子標簽的低頻喚醒距離在3.5 m左右，在休眠狀態(tài)下電流僅為45μA，低頻喚醒后的工作電流為250μA，達到了低功耗的要求。

鑒于溶解氧和PH值在短時間內不會有大幅度的改變，為了驗證電子標簽工作的穩(wěn)定性，對一個檢測點的溶解氧和PH值進行了間隔為60 s的10次采集，并將數據錄入Origin軟件進行線性擬合，結果如圖9所示。分別為溶解氧在6.0 mg/L和PH在6.8上下略微浮動的近似直線，最大偏差分別在0.2mg/L和0.1以內，滿足穩(wěn)定性要求。

表1 實驗結果

圖9 穩(wěn)定性測試結果

結 語

筆者從硬件和軟件兩方面詳細介紹了半主動式水質傳感電子標簽的設計方案。以低功耗要求為前提，以射頻識別技術和低頻喚醒技術為理論基礎，將低功耗芯片MSP430F149與低頻喚醒芯片AS3933和CC1150無線發(fā)射模塊相結合，完成了低功耗水質傳感標簽的設計、調試和實驗，取得了準確、穩(wěn)定的采集結果和良好的通信效果。

[1]羅通強，周受欽，謝小鵬，等.基于低頻喚醒技術的半主動式電子標簽設計[J].電子設計工程，2012，20（21）：103-106.

[2]趙蒼榮，鄭淼淼.一種RFID智能傳感電子標簽的設計[J].計算機測量與控制，2013，21（4）：1024-1026.

[3]王凱.有源電子標簽的射頻喚醒電路研究與實踐[D].上海：復旦大學，2012.

[4]張巍.用于內河船舶管理的主動式RFID電子標簽設計[J].電子設計工程，2011，19（14）：181-183.

[5]閏浩.基于AES的汽車無鑰匙門禁系統(tǒng)的研究與實現[D].鄭州：鄭州大學，2011.

[6]曹世華，趙方.低頻喚醒技術在微功耗主動式RFID中的應用研究[J].微計算機信息，2008，24（1-2）：230-234.

[7]金允霖，趙春宇.應用Atmel低頻喚醒收發(fā)芯片降低功耗的設計[J].電子技術應用，2007，11（5）：55-58.

[8]張玨，李波.用于水質監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點設計[J].自動化技術與應用，2011，30（9）：38-41.

[9]武靜濤，馬長寶，劉永波.水質監(jiān)測無線傳感器網絡節(jié)點的設計[J].計算機測量與控制，2009，17（12）：2575-2578.

[10]郭建.多參數水質檢測儀測控系統(tǒng)設計與實驗[D].重慶：重慶大學，2012.