利用nRF905進行射頻識別（RFID）及其在系統健康管理方面應用探討

胡阿麗　劉鵬　劉國輝

1概述

RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別具備多目標識別、運動目標識別、遠距離目標識別特點，操作快捷方便。

為了評估天線系統的運行健康狀況、使用環境，越來越多的大型天線傾向于安裝健康管理系統，用來采集檢測點的溫濕度數據、振動的情況、聲音（噪音）的強度、電壓電流的大小、繼電器工作狀態等等，另外有些系統采集的數據還包括GPS信號。為了獲得這些信息，我們往往需要在主機和采集設備之間布設電纜。射頻識別的引入，不需要布設此類電纜，降低系統的成本，減少滑環數量（部分需要滑環的系統），增強系統的可靠性，增強系統美觀性等等。

2系統設計

2.1系統組成

基于天線系統健康管理監測系統是一個星狀結構的網絡，中央節點是連接終端設備的接收模塊及終端，結構簡單，便于管理，控制簡單，便于建網，易于擴展;網絡延遲時間小，傳輸誤差低。下圖為監測設備示意圖。圖中，包括溫度監測、濕度監測、GPS信號獲取、電壓監測、電流檢測、振動監測、開關狀態監測、噪音監測等等。在軟件設計中需要考慮在發射端接收采集設備采集的有效的數字信息后對收到的數字信息加入該設備的ID號，在接收端，判斷ID號，選擇相對應的信號處理方式，解出對應的有效信息。

2.2單通道發射接收組成

本文1對1接收發射、接收以溫度采集為例，由單片機（微處理器），單片射頻收發器nRF905、溫度傳感器模塊、顯示屏（終端）等組成一個微型系統。系統組成如圖1所示。

nRF905是挪威Nordic?VLSI公司推出的單片射頻收發器，片內集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，GFSK濾波（高斯低通濾波）、曼徹斯特編碼/解碼由片內硬件完成，無需用戶對數據進行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。工作在433/868/915MHz國際通用的ISM頻段，傳送速率可達100kbit/s，最大發射功率+10dBm。

具備四種工作模式。ShockBurstTM工作模式，自動處理字頭和CRC（循環冗余碼校驗），使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。

由于以往的溫度傳感器輸出的是模擬量，我們還要增加額外的?A/D和?D/A?芯片進行轉換，DS18B20數字溫度傳感器具備獨特的單線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條線即可實現雙向通信;支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現多點測溫;工作電壓3.0～5.5V/DC;使用中不需要任何外圍器件;測量結果以9～12位數字量方式串行傳送。

MCU采用常見的STC89C52單片機，指令代碼完全兼容8051單片機。

終端采用普通的計算機或顯示屏。測試用數碼管測試。

天線選用市面上常見的高頻橡膠天線，全向天線，增益3～3.5dB。

2.3傳輸鏈路分析

在發射端微處理器通過接口（串口、并口、SPI口等）接收采集設備采集的有效的數字信息，對收到的信號進行處理，生成有效載荷，以SPI接口送給單片射頻收發器nRF905，nRF905將收到的有效載荷進行GFSK調制、曼徹斯特編碼、混頻（內置頻綜）、功率放大后，經由天線發送出去。

在接收端，天線將接收的信號放大后送給nRF905，nRF905將收的信號經低噪聲放大、混頻、中頻濾波、解調、曼徹斯特譯碼以及校驗后，將有效載荷送給微處理器，微處理器根據約定對有效載荷進行處理，送給終端，實現諸多功能，例如繼電器動作、電流電壓顯示、溫濕度顯示、聲音提醒、指示燈警報、I/O切換等等。

此通信系統的通信頻率可設，nRF905可工作433MHz、868MHz、915MHz這三個頻段，具備512個通信頻道，傳送速率50kHz，發射功率10dBm、6dBm、-2dBm和-10dBm可設;天線參數如表1所示，在工作在對此通信系統的傳輸質量與傳輸距離進行分析。

無線網絡系統的傳輸距離或覆蓋范圍受多種因素的影響，除了信號源的發射功率、天線的增益、接收設備的靈敏度、頻率、自由空間衰減、噪聲干擾外，還有現場環境的影響，例如建筑物、樹木和墻壁的遮擋，人體、氣候等對電磁波的衰減，純粹自由空間的傳輸環境在實際應用中是不存在的。由于無線網絡系統是一個實際應用的工程，必須在實施前進行設計和預算，必須事前對無線網絡系統的傳輸距離或覆蓋范圍進行估算.

無線傳輸距離為：

Pr（dBm）=?Pt（dBm）-?Ct（dB）+?Gt（dB）-?FL（dB）+?Gr（dB）-?Cr（dB）-

Pr：接受端靈敏度

Pt：發送端功率

Cr：接收端接頭和電纜損耗

Ct：發送端接頭和電纜損耗

Gr：接受端天線增益

Gt：發送端天線增益

FL：自由空間損耗

FL（dB）=20?lg?d（km）+20?lg?f（GHz）+?92.44

d是兩點之間的距離

f是頻率=0.433?GHz?/0.868?GHz?/0.915?GHz）

假定大氣、遮擋物、多徑等造成的損耗為25，發送、接收接頭和電纜損耗0.5dB，按照接收端誤碼率?0.1%時接收機靈敏度?-100dBm進行計算，當nRF905與天線阻抗匹配良好時，接收距離最長不超過下表，實際工作中，由于環境、天線性能等條件的影響，接收距離會縮短，遠遠滿足天線系統使用要求.

2.4接口設計

MCU與溫度傳感器DS18B20：單線制串行接口;

MCU與nRF905接口：SPI接口;

MCU與數碼管：并口連接;

nRF905與天線：SMA接口。

3電磁兼容分析

國家標準GB/T4365-1995《電磁兼容術語》對電磁兼容所下的定義為“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。”?以nRF905為中心作為信號的發射、接收的信道設備的小型通信系統，是一種非接觸式短距離無線通信系統，將其應用到天線系統的健康管理監測中，有必要分析其抗干擾的能力和對外騷擾的程度。

對外作為干擾源，它屬于無線電發射器，為輻射干擾，可能造成的干擾是對諧波對電機的影響和對信號傳輸電路的影響。對天線信號傳輸電路的影響，該系統工作頻率為433/868/915MHz，當天線不同時工作在這三個頻段時，信號的帶寬僅為100kHz，自帶濾波器，經測試沒有二次諧波;一般情況下，該系統安裝在天線的反面而不是正面，其基波信號不會產生功能性干擾;也不會有諧波及亂真發射構成非功能性的無用信號干擾。nRF905的發射自帶濾波，而我們的天線系統經常工作在L波段以上的頻段，不影響天線系統使用。

作為接收設備，當天線不同時工作在這三個頻段時，nRF905采用抗干擾能力強的高斯頻移鍵控（GFSK）調制方式，且自帶濾波功能，抗干擾能力強，能很好地減少噪聲環境對系統的干擾。

4實驗及結論

在2.4米S頻段靜中通天線系統中做過兩個實驗，通過采集天線座的溫度，傳遞給10米外的接收設備中，天線系統及溫度采集、傳輸、識別均工作正常;通過識別天線上的某一輸入（手動按鍵輸入），傳輸給10米外的方艙中，觸動聲音報警裝置，功能正常。我們計劃在下個2.4米車載使用GPS的天線系統中，識別GPS時間及位置信號，無線傳輸給上位機使用。

故在天線系統健康管理系統中，由于nRF905具備多目標識別能力;作為射頻識別發射及接收端，系統組成簡單，工作流程簡單，可靠性高，使用非常方便;監測的這些發射端設備距離接收端設備的傳輸距離最大十幾米，nRF905的傳輸距離遠遠滿足傳輸要求;而且組網易實現。在降低系統的成本，減少滑環數量（部分需要滑環的系統），增強系統的可靠性，增強系統美觀性方面，我們完全可以考慮利用nRF905射頻識別在天線系統健康管理方面來發揮它的作用。

參考文獻

[1] 曹學友，《可視距無線傳輸距離的影響因素分析》，電子世界