一種基于電梯監測的無線射頻收發裝置設計

黃勤陸，黃鳳江，崔靜，趙爽

（1．成都紡織高等專科學校 電氣工程學院，四川 成都 611731；2．成都艾希聯科技有限公司 四川 成都　610041）

一種基于電梯監測的無線射頻收發裝置設計

黃勤陸1，黃鳳江2，崔靜1，趙爽1

（1．成都紡織高等專科學校 電氣工程學院，四川 成都 611731；2．成都艾希聯科技有限公司 四川 成都610041）

傳統電梯運行數據的采集和監測采用有線方式，成本高、安裝、維護困難，為實現電梯監測系統中轎廂與數據服務器之間的無線數據的可靠傳輸，文中提供一種2．4 GHz有源射頻無線收發裝置系統設計方案。該系統硬件電路以NRF24L01+為核心，由功放和低噪放一體電路、濾波器、天線、抗干擾等電路組成，設計有發射和監聽兩種模式。系統軟件按應用層、OS層和硬件層進行系統架構設計和程序設計。產品經過測試和小批量應用表明該設計方案抗干擾能力強、功耗低、無線傳輸距離遠、性能穩定可靠、可制造性良好。

超高頻；射頻；RFID；2．4 GHz；NRF24L01+

電梯監測系統是監控電梯運行狀況、保障人們乘坐電梯安全可靠的管理系統，系統監測重點是電梯的轎廂運行狀態。轎廂在電梯井中上下頻繁運行，與電梯電氣控制系統和數據管理服務器進行大量的數據交換，傳統方式的信息傳輸是采用電纜進行的，存在安裝維護等諸多問題；RFID技術在電梯監測系統中的應用，采用無線通信方式，傳輸的數據信息量大、兼容好，具有施工、維護方便等優點，得到了工程技術和管理人員的高度重視和采用。本文針對電梯井內的無線傳輸方式，提供了一種基于物聯網技術的2．4 GHz的射頻裝置設計方案，該方案采用射頻識別技術，按約定的無線網絡協議進行信息交換和通信，實現電梯智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理［1］。RFID的在電梯監測系統中的應用不但拓展了物聯網技術領域的應用范圍、管理效率和實施速度，還改善了人們的生活質量［2］。

該射頻識別裝置的基本工作原理是利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性，實現對靜止或移動物體的自動識別［3］。RFID系統按工作頻率分為低頻、高頻、超高頻（UHF）和微波系統［4］，本文所述裝置屬于超高頻，與低頻和高頻段技術相比，UHF頻段具有監測識別距離遠、讀取速度快方面的優勢。

1　系統介紹

本電梯監測系統中的2．4 GHz有源射頻無線收發裝置硬件系統由3大部分組成：上位機子系統、主控制器模塊、射頻收發裝置系統。上位機子系統主要由電腦、下載電纜、編程控制軟件構成，主要負責STM32F103初始化、數據編程和傳輸，以及對采集到的電梯運行數據的分析、統計和維護管理工作。主控制器芯片STM32F103模塊是由內核Cortex-M3構成的基本系統，通過串行通信口實現與射頻收發模塊的數據交換。射頻收發裝置主要由讀寫器和射頻卡構成，讀寫器是RFID信息系統數據采集和控制中心，分為發射和接收兩部分。發射部分包括載波發生、調制及驅動電路、濾波及功率放大電路；接收部分主要是接收解調電路，包括檢波、放大整形及解碼電路［5］；射頻卡收發器接收到讀寫器傳遞過來的信息后，將存儲在芯片中的產品信息進行編碼，再通過卡內置天線發送出去。該2．4 G射頻收發裝置系統框圖如圖1所示。

圖1　一種2．4 GHz射頻收發裝置的系統框圖Fig．1　The system block diagram of a 2．4 GHz RF transceiver

如圖1所示，該系統裝置由數據連接器、GFSK射頻收發器、電子開關、功放模塊及電源、濾波器、瞬態抑制器、以及天線連接頭組成。射頻GFSK（高斯頻移鍵控）收發器用于數字信號和射頻信號之間的相互轉換，將數據連接器傳輸進來的數字信號轉換為射頻信號，并將該射頻信號傳輸至功放模塊，與數據連接器、功放模塊連接；還可將功放模塊傳輸進入的射頻信號轉換為數字信號，并將該數字信號通過數據連接器傳輸到主控機。功放模塊包括電子開關、功放和低噪放一體電路、濾波器、瞬態抑制器、天線連接頭和功放電源，作用是對射頻信號濾波處理和行功率放大，并將處理后的射頻信號傳輸至GFSK射頻收發器。數據連接器用于與主控器進行數據交互連接。電子開關與功放和低噪放一體電路相連接，用于功放和低噪放兩種模式的切換。

系統工作時，首先由主控電路模塊向射頻標簽發送數字詢問信號，由射頻發射機將發送的詢問信號轉換成為射頻信號進行發射。射頻標簽接收到這個詢問信號后，會進行相應的應答。射頻接收端接收到射頻標簽的應答的信號后，再轉換成為數字信號送給主控電路模塊進行進一步的處理［3］。

2　系統硬件設計

2.1GFSK射頻收發器設計

GFSK射頻收發器的電路圖如圖2所示。NRF24L01+為射頻收發器系統的核心，該芯片工作在2．4 GHz頻段，是一種超低功耗的無線收發集成芯片。芯片最大傳輸速率可達2 Mbps，125個頻點，可實現點對點或點對多點的無線傳輸通信［7］。

圖2　GFSK射頻收發器的電路圖Fig．2　The circuit diagram of GFSK RF transceiver

該射頻收發器由解調器、頻率發生器、功率放大器、模式控制器、晶體振蕩器等幾部分電路組成。系統電流消耗小，在發射模式下，電流消耗在發射功率為零分貝時只有10余毫安。接收模式下，電流消耗也只有12．3毫安。待機和停電模式下，系統的電流消耗就更少了。NRF24L01芯片引腳功能定義如下：CE為接收RX/發送TX模式選擇，3SCK為SPI時鐘，MOSI和MISO為SPI的數據輸入輸出引腳，CSN為SPI片選信號腳，天線接口通過ANT1和ANT2連接，晶體震蕩器連接到XC1和XC2腳，另外VDD為電源腳、IRQ為屏蔽中斷腳，DVDD為抗干擾去耦電路腳，VSS為芯片接地點。

STM32F103與外圍設備進行數據信息交換通過SPI串行接口口實現，數據信息的交換速度可達10 Mbps。指令存儲在芯片讀寫寄存器中，CSN片選信號選擇后，通信指令才能進行執行。上位機發出的外部數字信號通過 U4的PIN2、PIN3、PIN4、PIN5管腳輸入，PIN1腳控制是發射模式和監聽模式控制端，由X1組成的振蕩電路為U4提供工作時鐘；同時電源輸入端增加了電容去耦模塊。

天線RF輸出是通過ANT1和ANT2輸出腳實現，這兩個腳通過RF扼流圈或天線雙極的中心點連接到VDD的直流通路。裝置上電后，主控制器通過數據連接器對射頻收發器的發射功率、發射頻道、接收頻道、工作模式等參數進行配置。配置成監聽模式時，當射頻信號進入GFSK射頻收發器后，收發器會對射頻信號進行分析和解析，匹配的則會輸出數字信號到數據連接器；當射頻收發裝置進入發射模式時，則射頻收發器會把從數據連接器發送過來的數據組包轉換成射頻信號，通過功放模塊發射出去。

2.2功放和低噪放一體電路

功放和低噪放一體電路如圖3所示。

如圖3所示，U5為功放和低噪放一體電路的核心芯片RF5725，芯片內部包含2．4 GHz線性功率放大器，芯片內部還整合了瞬態低通濾波器、輸出功率耦合器、單刀三擲開關、低噪聲放大器。系統能夠在Wi-Fi接收和傳送、以及藍牙通信模式之間進行切換。U9是電壓基準源CJ431，為U5功放部分提供偏置電壓，U5的PIN14和PIN15組成邏輯互鎖，了保證電路的工作穩定性和可靠性，在電源的輸入端還設計有電容去耦電路。耗電是電池供電設備中的關鍵技術參數，系統在待機情況下可將電流消耗降至極低狀態。

2.3功放電源設計

功放電源的電路圖如圖4所示。

如圖4所示，U3采用TI公司的高性能射頻專用的低壓差線性穩壓器芯片（LDO）TPS79501。該芯片是高電源紋波抑制、低噪聲、單輸出LDO電源芯片，提供1．2 V至 5．5 V可調電壓500 mA負載能力輸出。具有低功耗、高電源抑制比、超低噪聲、芯片封裝體積小方面、快速啟動特點，芯片有出色的線性和負載瞬態響應。當被設置在待機模式下，電源電流降至低于1 μA，適合用于電池供電的低功耗設計電路。線性穩壓器芯片U3的PIN8腳為芯片輸出使能管腳，當為高電平時，U3的PIN3和PIN4才有輸出電壓；當為低電平時，這兩個腳無輸出電壓。R2和R3組成的分壓反饋電路，用來調節系統得到恰當的輸出電壓。

為降低系統功耗，射頻標簽和射頻收發裝置需配合設計完成功率控制。為節省能量，延長標簽電池使用壽命，盡量使每個標簽的發射功率減少。系統在正反向傳輸功耗相同條件下，射頻標簽接收并檢測射頻收發裝置發送的射頻信號強度，分析和預測正向傳輸損耗；然后根據預測結果，自動調整其發射功率。標簽發射功率降低情況下，接收信號就自動增強；接收信號減弱時，就自動增強發射功率，使每次發射到射頻收發裝置的功率相等［8］。

為驗證功放電源設計是否合理，是否滿足實際需要，在模塊電源輸入部分串入1歐姆的取樣電阻，使用示波器TDS1012進行實測。最大電壓顯示為140 mV，根據公式I=U/ R，即最大發射電流為 140 mA，小于功放電源理論設計值500 mA，說明該系統電源設計是有較大冗余，具有良好的可靠性。

圖3　功放和低噪放一體電路的電路圖Fig．3　The circuit diagram of power amplifier and low noise amplifier integrated circuit

圖4　功放電源的電路圖Fig．4　The circuit diagram of power amplifier

3　系統軟件設計

3.1軟件層次結構

系統根據射頻收發裝置相應工作流程、技術指標和對外接口，系統分為硬件層、OS層和應用層，軟件層次和系統結構設計如圖5所示。

圖5　軟件層次圖Fig．5　The software structure diagram

OS層包含硬件驅動程序、嵌入式操作系統、射頻收發裝置應用接口等相關的軟件。軟件設計具有以下功能：上位機通過網絡接口與主控制器進行通信，主控制器STM32F103接收到命令消息后對命令類型和內容進行判斷和基帶編碼；系統的主控制器 STM32將基帶碼傳送給 GFSK射頻芯片NRF24L01+，由該芯片完成信號的濾波、調制、整形、編碼等功能。功率放大模塊將該信號放大來適合天線發送，由天線完成對已調信號的發射、或接收；對天線接收射頻信號處理過程是以上發射步驟的反過程［6］。

3.2軟件流程圖及程序設計

根據該裝置的工作流程和各芯片電路的工作特點要求，軟件流程圖設計如圖6所示。

系統上電后首先進行初始化工作，GPIO和SPI接口初始化，NFR24L01+、RF5725、TPS79501芯片的寄存器和工作模式初始化。系統進入工作線程選擇，一路線程是射頻進行收發，一路線程是NFR24L01判斷是否有數據，如果有數據，轉CPU進行處理。

圖6　軟件流程圖Fig．6　The flow chart of software

軟件設計初始化程序代碼參考如下：

4　結束語

本裝置設計采用GFSK和小信號高頻處理、高性能功放模塊技術實現電梯井道數據采集和傳輸，解決了現有電梯監測系統采用有線傳輸方式以及無線有源射頻方式中能效轉換低、電梯井道易失效和維護不方便問題。具有硬件成本低、終端體積小、功耗低、速率高、誤碼率低等優點，最大程度地提高無線信號的通信距離。該設計方案經過產品硬件和軟件測試和小批量應用，驗證了該設計方案抗干擾能力強、功耗低、無線傳輸距離遠、性能穩定可靠、可制造性良好，能夠批量應用于電梯監測和數據傳輸系統中。

［1］張紅州．物聯網在制造業中的應用［C］．四川省電子學會生產技術專委會2010年學術年會會議集，2010:140-143．

［2］孫毅剛，鄧勇，李強．基于AS3992的UHF RFID閱讀器設計和研究［J］．制造業自動化，2013，35（10）:138-142．

［3］高天寶，王敬超，張春，等．便攜式RFID讀寫器的設計與實現［J］．電子技術應用，2008（5）:56-58．

［4］王耀，范文兵，葛崢．超高頻RFID讀寫器射頻前端設計與仿真［J］．微計算機信息，2009，25（4）:248-250．

［5］王利恒，王祥力，陳蕩，等．無線射頻識別裝置的設計［J］．武漢工程大學學報，2013，35（1）:65-70．

［6］何滔．一種超高頻RFID讀寫器的軟件設計與實現［J］．電子設計工程，2013，21（22）:141-147．

［7］姚宏昕，劉寧．用于定位的低功耗有源RFID標簽設計［J］．電子世界，2013，24:136-137．

［8］黃俊，鄒傳云，劉利勝．一種有源RFID標簽的簡單功率控制算法［J］．通信技術，2013，46（9）:103-106．

A design of wireless RF transceiver device based on elevator monitoring system

HUANG Qin-lu1，HUANG Feng-jiang2，CUI Jing1，ZHAO Shuang1
（1.School of Electrical Engineering，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China）2.Chengdu Ixilink Technology Co.，Ltd，Chengdu 610041，China）

The traditional elevator running data are collected and monitored using the cable，high cost，difficult to maintain and install，in order to realize reliable wireless data transmission between the car and the data server in the monitoring system of elevator，the paper provides a design scheme of wireless RF transceiver system．The hardware circuit of the system is based on NRF24L01+，it is composed of power amplifier and the low noise amplifier integrated circuit，filter，antenna，anti-jamming circuit，and has a transmission mode and a monitor mode．The design of system architecture design and software program is divided into application layer，OS layer and hardware layer，and program design．The product is tested and small batch application shows that the design scheme is strong anti-interference ability，low power consumption，long distance wireless transmission，stable and reliable performance，with good manufacturing．

ultra high frequency；radio frequency；radio frequency identification；2．4 GHz；NRF24L01+

TN919．3

A

1674－6236（2016）02-0190-04

2015-05-07稿件編號：201505058

四川省科技支撐計劃項目（2014GZ0147）

黃勤陸（1971—），男，重慶梁平人，碩士，教授。研究方向：電氣自動化，電子工程技術。