本文介绍了有源标签的设计模式出发，针对煤矿井下一般小范围空间RFID定位的需求，根据低功耗、高效率的方法进行RFID标签的设计。系统在软件上采取了MSP430F2012单片机和nRF24L01射频芯片的低功耗组合；软件上则结合了RFID定位的特征，介绍了有别于通常以识别为主要目的的标签的设计方式，并预测了其硬件设计步骤并且简单的防冲突能力。通过良好匹配的天线，本设计有效读取距离可达几十米，足以应付一般空间内定位的需求。
1.引言
射频识别（RFID）技术是运用无线射频的方法推动双向数据交换并识别身份，RFID定位正是利用了这一识别特征，利用阅读器和标签之间的通讯信号密度等参数进行空间的定位。
RFID标签按供电模式分为有源和无源2种[1]，无源标签通过捕捉阅读器发射的电磁波获取能量，具有成本低、尺寸小的优势；有源标签通常采取电池电力，具有通讯距离远、读取速率快、可靠性好等特点[2]，但为了满足煤矿井下定位，需要考量低功耗设计以提高电池的续航能力。本文从有源标签的设计模式出发，针对小范围空间RFID定位的需求，根据低功耗、高效率的方法进行RFID标签的设计有源标签，并列举了其硬件组成、软件流程跟防冲突能力。
2.系统硬件设计
2.1系统结构
有源标签在设计中不仅必须考量低成本、小型化之外，最重要的是应采用低功耗设计。
RFID标签从整体结构上看，通常包含2个部分：控制端和射频端，因此在选用控制芯片和射频芯片时必须优先考量其低功耗性能。本文在此基础上选取了MSP430F2012控制芯片和nRF24L01射频芯片；天线则采用了强盛科技的PCB单端天线；标签采用3V-500mAh纽扣电池供电。系统工作在2.4GHz频段。系统构架框图如图1所示。
图1 系统结构框图
2.2芯片选择及低功耗设计
TI推出的MSP430系列单片机是16位Flash型RISC指令集单片机[3]，以超低功耗闻名业界。
MSP430F2012芯片工作电压仅为1.8~3.6V，掉电工作方式下消耗功率为0.1μA，等待工作方式下消耗电流仅为0.5μA.本设计中，MSP430F2012被长时间置于等待工作方式，通过中止唤醒的方法让其短暂开启工作状况，以削减电能。MSP430F2012具有3组独立的时钟源：片内VLO、片外晶振、DCO.其中，片外时钟基于外部晶振；DCO由片内产生，且速率可调。显然，主系统时钟频率的高低决定着平台的性能，尤其是选择了高速片外晶振的状况下，因此，MSP430F2012提供了在不同时钟源间进行切换的功能。在实际设计中，通过即时重新配置基础时钟控制寄存器以推动主平台时钟和辅助系统时钟间的切换，既不失性能，又节省了能耗。
MSP430F2012具有LPM0~LPM4五种低功耗模式，合理的借助这五种预设的方式是增加MCU功耗的关键，本设计中，MSP430F2012在上电配置完毕后将直接处于LPM3模式，同时进入中断，等待外部中断信号。此外，由于MSP430F2012是一款多功能通用单片机，片内集成了较多功能组件，在上电配置时即停止所有不使用的用途模块也可起到增加平台功耗的目的。
nRF24L01是强盛科技研发的2.4GHz超低功耗单片无线收发芯片，芯片有125个频点，可推动点对点和点对多点的无线通信，最大传输速度可达2Mbps，工作电压为1.9~3.6V[4].为了体现其低功耗性能，芯片预置了两种待机方式跟一种掉电路径。更值得一提的是nRF24L01的ShockBurstTM模式及增强型ShockBurstTM模式[4]，真正实现了低速进高速出，即MCU将数据低速送入nRF24L01片内FIFO，却以1Mbps或2Mbps高速发射出来。本设计正是利用了增强型ShockBurstTM模式，使得MSP430F2012即便在32768Hz低速晶振下也可借助射频端高速的将数据发射出来，既减少了性能，又加强了强度，增强了系统抗冲突跟应付移动目标能力。
2.3电路设计
本平台主要采用于RFID定位方面，除了简单的识别外，重点在于阅读器对标签信号密度的检测，因此阅读器与标签间不会有大数据量频繁的读写操作，在电路设计时能省略片外EEPROM.同时还可以省去稳压电路以节约静态功率损耗。硬件原理图如图2所示。
图2 硬件原理图
3.系统软件设计
3.1软件流程
本平台属于双向通信系统，标签在发送数据前进入监听状态，nRF24L01的接收功能被开启，同时MSP430F2012处于LPM3模式，直至接收至阅读器广播的“开始”指令，并借助中断将MSP430F2012唤醒。MSP430F2012被中止唤醒后起初推断指令是否恰当，如果正确则处于正常发送周期，否则返回LPM3模式。
考虑到实时定位的还要，系统不能像通常的RFID标签那样只是进行有限次验证，本平台运用等间隔大幅发送的方式，便于阅读器实时检测目标位置，系统设置的正常发送周期为500ms，由MSP430F2012的Timer_A定时，500ms定时开始后，标签ID通过SPI发送至FIFO，nRF24L01采用了增强型ShockBurstTM模式，发送失败则会再次重发，标签ID发送完毕后，MSP430F2012判断定时器是否超时，一旦超时则处于下个发送周期，否则进入等待状态直到超时。当阅读器停止广播“开始”指令，MSP430F2012重新开启LPM3模式以减少功耗。
系统完整流程如图3所示。
图3 软件流程图
3.2防冲突设计
nRF24L01自带载波检测功能有源标签，在发送数据前先进入接收方式进行监听，确认应存储的速率通道已被占用才发送数据，利用此用途能推动简单的硬件防冲突。
考虑到本平台运用了500ms的统一发送间隔，在被定位目标众多的场合有也许发生识别冲突，因此必须在程序中合理的降低防冲突算法。ALOHA算法主要用于有源标签，其机理就是，一旦信源发生数据包碰撞，就让信源随机延时后再度发送数据。考虑到程序的复杂性势必引起处理时间的降低，也会带给额外的能耗，本平台运用了较为简单的纯ALOHA算法，即在每位500ms计时周期内随机发送标签ID，这就必须在程序中插入一个随机延时，延时时长的选取通过一个随机值变量来实现，随机延时范围为0~300ms.这种简洁的防冲突算法既简化了指令，又可持续增加冲突概率。
另外，n R F 2 4 L 0 1传输速度为1 M b p s或2Mbps，单次发送一个数据包，单个数据包最大32bytes，假设标签ID为32bytes，以2Mbps速率发送一次ID的讯号长度（传输时间）约为100~150μs，相对于500ms的整个定时周期而言微乎其微，但却有也许出现发送饱和的状况，这时可以适度的减短计时周期以提高信道容量。较快的存储速度有助于移动目标的识别和定位，而较短的数据宽度也可显着增加标签基于随机延时的防冲突能力，因此尽可能将标签ID的宽度限制在32bytes以内。
4.测试结果
对于RFID系统而言，最重要的参数就是读取距离[5]和有效读取率。本次实验检测仪器为标签3枚，阅读器一台，PC一台，阅读器基于MSP430F149和nRF24L01芯片设计，并借助RS232串口与PC进行通信。测试中，分别将3枚标签放在距离阅读器15m、30m、45m处，便签ID分别为AABBCCDDFFFFFF01、AABBCCDDFFFFFF02、AABBCCDDFFFFFF03，每枚标签进行一小时（约7200次）连续读取测试。
关键字：MSP430F2012nRF24L01有源RFID标签编辑：什么鱼 引用地址：
