極低功耗溫濕度傳感有源RFID的標簽的設計

射頻識別技術RFID(Radio Frequency Identification)是通過射頻信號對某個目標的ID進行自動識別得到對象信息，并獲取相關數(shù)據(jù)的技術。不同于傳統(tǒng)的磁卡和IC卡，RFID技術解決了無源和免接觸兩大問題，同時它可實現(xiàn)運動目標和多目標識別，能夠廣泛應用于各類場合。其突出優(yōu)點是環(huán)境適應性強、能夠穿透非金屬材質、數(shù)據(jù)存儲量大、抗干擾能力強。根據(jù)供電方式的不同，可以將RFID分為兩類：無源RFID和有源RFID。無源RFID工作時，標簽通過讀寫器的電磁場獲得能量，標簽本身不需要電池。有源RFID則恰恰相反，需要提供全部器件工作所需的電源[1]，電子標簽需要自備電池。與無源標簽相比，有源RFID溫濕度標簽有著對閱讀器的發(fā)射功率要求低、有效閱讀距離遠的優(yōu)點，因此在冷鏈物流、醫(yī)療系統(tǒng)、倉儲物資管理、疫苗生產(chǎn)物流、衛(wèi)生防疫系統(tǒng)、科研機構等方面有著十分廣泛的應用。但有源RFID溫濕度傳感標簽對使用壽命、可靠性、體積等方面有較高的要求。因此，設計一個壽命長、可靠性高、體積小的有源RFID溫濕度傳感標簽在國民生活中有著十分重要的意義。本文主要解決了有源標簽設計的低功耗問題。
1 有源RFID系統(tǒng)組成及工作原理
有源RFID系統(tǒng)由有源標簽、閱讀器和應用系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。有源標簽具有唯一的身份識別碼(即ID)，一些有源標簽內部還集成了傳感器，用于對特定物理量的測量。在閱讀器的有效工作范圍內，電子標簽主動地將自己的ID和所測得的物理量以電磁波的形式發(fā)送給閱讀器，閱讀器將相關信息存儲在自己的存儲設備中，存儲在閱讀器中的數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)口、RS-232、USB等通信接口傳送給應用系統(tǒng)，以便對數(shù)據(jù)進行進一步處理[2]。

2 有源溫濕度傳感標簽的結構
2.1 結構
本文所設計的有源溫濕度傳感標簽的結構框圖如圖2所示。有源標簽的核心是一個微控制器（MCU），射頻模塊通過天線進行射頻信號的收/發(fā)；EEPROM 存儲標簽的身份識別碼以及物品的屬性等信息；溫度檢測和濕度檢測分別用來檢測標簽所處環(huán)境的溫度和濕度，為簡化設計，可以使用集溫濕度檢測于一體的芯片；電量檢測模塊通過檢測電池的電壓，并根據(jù)電池電量和電壓的對照關系，間接地檢測出電池的剩余電量；電池為各個模塊的正常工作提供電源。

2.2 總體電路
2.2.1 主控模塊
主控模塊采用Microchip公司型號為PIC24F16KA102的16 bit超低功耗單片機。該系列的MCU采用nanoWatt XLP(eXtreme Low Power)極低功耗技術，其典型休眠電流可以低至20 nA，實時時鐘電流低至490 nA，看門狗定時器電流低至370 nA[3]。MCU可連續(xù)運行20年以上而無需更換電池，成為業(yè)界8 bit和16 bit MCU中低功耗性能最突出的MCU。該單片機具有SPI、I2C、UART、9個模擬輸入通道、3個16 bit定時器/計數(shù)器、3個外部中斷[3]，完全可以滿足有源標簽的需求。MCU與標簽通過SPI接口進行串行通信，如圖3所示。圖3中的J1是PIC 24F16KA102單片機用于下載和調試程序所用的ICSP接口。

2.2.2 射頻收發(fā)模塊
nRF24L01是一款工作在2.4 GHz~2.5 GHz世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。nRF24L01主要由調制/解調器、CRC編碼/解碼器、GFSK濾波器、中頻帶通濾波器、功率放大器、低噪聲放大器 (LNA)、先進先出緩沖器(FIFO)組成[4]。通過SPI接口與MCU進行通信，其電路圖如圖4所示。nRF24LOT射頻收發(fā)芯片有以下優(yōu)點：
(1)具有125個可選工作頻道，可用于跳頻工作方式，能夠有效地降低周圍環(huán)境的干擾。
(2)采用QFN20封裝面積僅為4 mm×4 mm，占用較小的PCB面積。
(3)低功耗。當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時，電流消耗為9.0 mA，接收模式時為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。
(4)具有自動應答和自動重發(fā)功能。
(5)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。處于ShockBurstTM模式時為1 Mb/s，處于增強型ShockBurstTM模式時為2 Mb/s。

2.2.3 溫濕度檢測模塊
SHT21S[5]是瑞士Sensirion公司的溫濕度傳感器，體積小、功耗低、穩(wěn)定性好。該溫濕度傳感器在25℃時的溫度測量精度為±0.3℃，溫度響應時間為5 s~30 s(τ63%)；濕度測量精度為±2.0% RH，濕度響應時間為8 s(τ63%)。該芯片通過SDM接口與MCU進行通信。溫濕度的測量通過SCL(3腳)來選擇，當SCL輸入高電平時進行濕度的測量；SCL為低電平時進行溫度的測量。也可以在SDA引腳外接一個低通RC濾波器將SDM信號轉換為模擬電壓輸出。溫濕度檢測模塊如圖5所示。

2.2.4 EEPROM
PIC24F16KA102單片機內部有512 B的EEPROM。因此本設計采用單片機內部的EEPROM，以避免外接EEPROM，降低外接EEPROM帶來的功耗(一般在mA級)，以及節(jié)省器件，減少電路板的面積，降低成本。

2.2.5 電量檢測
電量檢測采用MCU內部的高低電壓檢測HLVD(High/Low-Voltage Detect)功能，通過編程可以設定產(chǎn)生該中斷的電壓值，這樣既解決了使用A/D檢測電壓沒有內部參考源的問題，又在一定程度上降低了功耗。
3 軟件設計
3.1 發(fā)送數(shù)據(jù)包的格式
發(fā)送數(shù)據(jù)包的格式如圖6所示。前導碼用來進行同步，僅在發(fā)送模式下使用；標志位用來進行包識別，9 bit中僅僅用到其中的2 bit，剩余的7 bit保留；數(shù)據(jù)是要傳送/接收的1 B~32 B寬度的物品識別信息，對于本設計，指的是要檢測的溫濕度以及電池的剩余電量信息；CRC校驗選擇生成多項式為X16+X12+X5+X1的16 bit CRC校驗。

3.2 標簽工作流程
為達到超低功耗的目的，標簽有兩種工作流程：(1)正常的工作流程，檢測出所需的物理量并打包發(fā)送，時間間隔是10 s(在程序中可自行設定)一次，每發(fā)送完一次即進入深度睡眠模式，達到10 s后通過定時器喚醒，喚醒后程序從復位向量處重新執(zhí)行；(2)進入深度休眠狀態(tài)，通過外部中斷0(即INT0，外接nRF24L01的中斷請求IRQ)進行喚醒，喚醒后重新從復位向量處執(zhí)行。標簽主程序流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測試
4.1 功耗測試與估算
首先要通過PIC單片機的集成開發(fā)環(huán)境MPLAB IDE V8.46的軟件仿真器測定單片機在初始化、溫濕度檢測等工作過程分別所需要的時間；其次，用示波器測試nRF24L01在各個工作過程所持續(xù)的時間和所消耗的電流；然后將以上測定的數(shù)據(jù)，輸入Microchip公司的極低功耗電池壽命估算軟件(Microchip XLP Battery Life Estimator)中，如圖8所示。

標簽壽命的計算是基于平均電流的，即標簽的理論壽命等于電池的容量(mAh)除以標簽消耗的平均電流(mA)。平均電流的定義如下：

　需要注意的是，實際壽命的計算要考慮標簽所用電池的自放電率(本設計的軟件給出的估算時間已經(jīng)考慮了所選電池本身的自放電率)。估算中采用225 mAh的LiMnO2電池，計算得到的電池壽命是2年263天19小時，實際采用的電池是750 mAh的錳鋰電池，通過換算得到使用750 mAh的錳鋰電池的標簽壽命約是9.08年。如果考慮到電池的實際自放電率(比本軟件中給出的稍大些)，實際電池壽命會短一些。本計算得到的壽命是讓標簽處在日夜不停的連續(xù)工作狀態(tài)(即每隔10 s檢測出溫濕度和電池電壓然后進行發(fā)送)的壽命，即考慮的是最壞的可能。實際的標簽可能只在一天的某個時間段內工作，不工作時即進入深度休眠狀態(tài)，處理器消耗的功率只在nA級。
4.2 整機測試
調試時使用MCU的串口通信方式將收到的標簽ID、溫濕度及電池電量信息實時顯示在上位機軟件中，當發(fā)送端每10 s發(fā)送一次ID和相關數(shù)據(jù)時，接收標簽能夠按照既定的時間間隔正確地接收數(shù)據(jù)并實時顯示在上位機軟件中。經(jīng)與標準儀器對比，所測溫濕度數(shù)據(jù)的精度可滿足要求。
當軟件中設定發(fā)射功率為0 dBm時，在開闊的試驗場地測試測得通信距離為80 m左右；在封閉樓道內測試的通信距離在30 m~40 m。
有源電子標簽對低功耗性能指標要求極高，因為即使是1 ?滋A的靜態(tài)電流在很長時間內也會消耗較多的電量，所以在硬件選型上應該特別注意這一點。如果需要設計一個低功耗性能突出的系統(tǒng)，在軟硬件方面都需要認真考慮，硬件的低功耗性能至關重要，軟件的低功耗措施也必不可少，尤其是需要長時間工作的系統(tǒng)，利用器件的休眠或待機狀態(tài)能極大地降低系統(tǒng)的功耗。該有源溫濕度傳感標簽已經(jīng)用在某公司生產(chǎn)車間的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中，并取得了很好的低功耗效果。