該方案在軟件上采取了MSP430F2012單片機(jī)和nRF24L01射頻芯片的低功耗組合;軟件上則結(jié)合了RFID定位的特征，有別于通常以識別為主要目的的標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方式，并預(yù)測了其硬件設(shè)計(jì)步驟并且簡單的防沖突能力。通過良好匹配的天線，本設(shè)計(jì)方案有效讀取距離可達(dá)幾十米，足以應(yīng)付一般空間內(nèi)定位的需求。
1.引言
射頻識別(RFID)技術(shù)是運(yùn)用無線射頻的方法推動(dòng)雙向數(shù)據(jù)交換并識別身份，RFID定位正是利用了這一識別特征，利用閱讀器和標(biāo)簽之間的通訊信號密度等參數(shù)進(jìn)行空間的定位。RFID標(biāo)簽按供電模式分為有源和無源2種，無源標(biāo)簽通過捕捉閱讀器發(fā)射的電磁波獲取能量，具有成本低、尺寸小的優(yōu)勢;有源標(biāo)簽通常采取電池電力，具有通訊距離遠(yuǎn)、讀取速率快、可靠性好等特點(diǎn)，但必須考量低功耗設(shè)計(jì)以提高電池的續(xù)航能力。本文從有源標(biāo)簽的設(shè)計(jì)模式出發(fā)，針對小范圍空間RFID定位的需求，根據(jù)低功耗、高效率的方法進(jìn)行RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)有源標(biāo)簽，并列舉了其硬件組成、軟件流程跟防沖突能力。
2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
有源標(biāo)簽在設(shè)計(jì)中不僅必須考量低成本、小型化之外，最重要的是應(yīng)采用低功耗設(shè)計(jì)。RFID標(biāo)簽從整體結(jié)構(gòu)上看，通常包含2個(gè)部分：控制端和射頻端，因此在選用控制芯片和射頻芯片時(shí)必須優(yōu)先考量其低功耗性能。本文在此基礎(chǔ)上選取了MSP430($2.0250)F2012控制芯片和nRF24L01射頻芯片;天線則采用了強(qiáng)盛科技的PCB單端天線;標(biāo)簽采用3V-500mAh紐扣電池供電。系統(tǒng)工作在2.4GHz全球ISM頻段。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2.2 芯片選擇及低功耗設(shè)計(jì)
TI推出的MSP430系列單片機(jī)是16位Flash型RISC指令集單片機(jī)，以超低功耗聞名業(yè)界。MSP430F2012芯片工作電壓僅為1.8~3.6V，掉電工作方式下消耗功率為0.1μA，等待工作方式下消耗電流僅為0.5μA[4]。本設(shè)計(jì)中，MSP430F2012被長時(shí)間置于等待工作方式，通過中止喚醒的方法讓其短暫開啟工作狀況，以削減電能。MSP430F2012具有3組獨(dú)立的時(shí)鐘源：
片內(nèi)V LO(超低功耗振蕩器)、片外晶振、DCO(數(shù)字控制振蕩器)。其中，片外時(shí)鐘基于外部晶振;DCO由片內(nèi)產(chǎn)生，且速率可調(diào)。顯然，主系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的高低決定著平臺的性能，尤其是選擇了高速片外晶振的狀況下，因此，MSP430F2012提供了在不同時(shí)鐘源間進(jìn)行切換的功能。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過即時(shí)重新配置基礎(chǔ)時(shí)鐘控制寄存器以推動(dòng)主平臺時(shí)鐘和輔助系統(tǒng)時(shí)鐘間的切換，既不失性能，又節(jié)省了能耗。
MSP430F2012具有LPM0~LPM4五種低功耗模式，合理的借助這五種預(yù)設(shè)的方式是增加MCU功耗的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)中，MSP430F2012在上電配置完畢后將直接處于LPM3模式，同時(shí)進(jìn)入中斷，等待外部中斷信號。此外，由于MSP430F2012是一款多功能通用單片機(jī)，片內(nèi)集成了較多功能組件，在上電配置時(shí)即停止所有不使用的用途模塊也可起到增加平臺功耗的目的。
由于R F I D標(biāo)簽消耗能量的近2 / 3用于無線收發(fā)， 因此選用一款超低功耗的無線收發(fā)芯片就變得至關(guān)重要。
nRF24L01是強(qiáng)盛科技研發(fā)的2.4GHz超低功耗單片無線收發(fā)芯片，芯片有125個(gè)頻點(diǎn)，可推動(dòng)點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信，最大傳輸速度可達(dá)2M b p s，工作電壓為1.9~3.6V.為了體現(xiàn)其低功耗性能，芯片預(yù)置了兩種待機(jī)方式跟一種掉電路徑。更值得一提的是nRF24L01的ShockBurstTM模式及增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，S h o c k B u r s t T M模式真正推動(dòng)了低速進(jìn)高速出，即M CU將數(shù)據(jù)低速送入nRF24L01片內(nèi)FIFO，卻以1Mbps或2Mbps高速發(fā)射出來。本設(shè)計(jì)正是利用了增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，使得MSP430F2012即便在32768Hz低速晶振下也可借助射頻端高速的將數(shù)據(jù)發(fā)射出來，既減少了性能，又加強(qiáng)了強(qiáng)度，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗沖突跟應(yīng)付移動(dòng)目標(biāo)能力。
2.3 電路設(shè)計(jì)
本平臺主要采用于RFID定位方面，除了簡單的識別外，重點(diǎn)在于閱讀器對標(biāo)簽信號密度的檢測，因此閱讀器與標(biāo)簽間不會(huì)有大數(shù)據(jù)量頻繁的讀寫操作，在電路設(shè)計(jì)時(shí)能省略片外EEPROM.同時(shí)還可以省去穩(wěn)壓電路以節(jié)約靜態(tài)功率損耗。硬件原理圖如圖2所示。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了IAR EmbeddedWorkbench V4.11B平臺下的C語言編程環(huán)境，設(shè)計(jì)中綜合考量了M S P 4 3 0 F 2 01 2和nRF24L01芯片的低功耗性能、穩(wěn)定性和程序執(zhí)行強(qiáng)度。
3.1 軟件流程
本平臺屬于雙向通信系統(tǒng)，標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)前進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，nRF24L01的接收功能被開啟，同時(shí)MSP430F2012處于LPM3模式，直至接收至閱讀器廣播的“開始”.
指令，并借助中斷將MSP430F2012喚醒。
MSP430F2012被中止喚醒后起初推斷指令是否恰當(dāng)，如果正確則處于正常發(fā)送周期，否則返回LPM3模式。
考慮到實(shí)時(shí)定位的還要，系統(tǒng)不能像通常的RFID標(biāo)簽?zāi)菢又皇沁M(jìn)行有限次驗(yàn)證，本平臺運(yùn)用等間隔大幅發(fā)送的方式，便于閱讀器實(shí)時(shí)檢測目標(biāo)位置，系統(tǒng)設(shè)置的正常發(fā)送周期為500ms，由MSP430F2012的Timer_A定時(shí)，500ms定時(shí)開始后，標(biāo)簽ID通過SPI發(fā)送至FIFO，nRF24L01采用了增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，發(fā)送失敗則會(huì)再次重發(fā)，標(biāo)簽ID發(fā)送完畢后，MSP430F2012判斷定時(shí)器是否超時(shí)，一旦超時(shí)則處于下個(gè)發(fā)送周期，否則進(jìn)入等待狀態(tài)直到超時(shí)。當(dāng)閱讀器停止廣播“開始”指令，MSP430F2012重新開啟LPM3模式以減少性能。系統(tǒng)完整流程如圖3所示。
3.2 防沖突設(shè)計(jì)
nRF24L01自帶載波檢測功能，在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進(jìn)入接收方式進(jìn)行監(jiān)聽，確認(rèn)應(yīng)存儲的速率通道已被占用才發(fā)送數(shù)據(jù)，利用此用途能推動(dòng)簡單的硬件防沖突。
考慮到本平臺運(yùn)用了500ms的統(tǒng)一發(fā)送間隔，在被定位目標(biāo)眾多的場合有也許發(fā)生識別沖突，因此必須在程序中合理的降低防沖突算法。ALOHA算法主要用于有源標(biāo)簽，其機(jī)理就是，一旦信源發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞，就讓信源隨機(jī)延時(shí)后再度發(fā)送數(shù)據(jù)。考慮到程序的復(fù)雜性勢必引起處理時(shí)間的降低，也會(huì)帶給額外的能耗，本平臺運(yùn)用了較為簡單的純ALOHA算法，即在每位500ms計(jì)時(shí)周期內(nèi)隨機(jī)發(fā)送標(biāo)簽ID，這就必須在程序中插入一個(gè)隨機(jī)延時(shí)，延時(shí)時(shí)長的選取通過一個(gè)隨機(jī)值變量來實(shí)現(xiàn)，隨機(jī)延時(shí)范圍為0~300ms.這種簡潔的防沖突算法既簡化了指令，又可持續(xù)增加沖突概率。
另外，nRF24L01傳輸速度為1Mbps或2Mbps，單次發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，單個(gè)數(shù)據(jù)包最大32bytes，假設(shè)標(biāo)簽ID為32bytes，以2Mbps速率發(fā)送一次ID的訊號長度(傳輸時(shí)間)約為100~150μs，相對于500ms的整個(gè)定時(shí)周期而言微乎其微，但卻有也許出現(xiàn)發(fā)送飽和的狀況，這時(shí)可以適度的減短計(jì)時(shí)周期以提高信道容量。較快的存儲速度有助于移動(dòng)目標(biāo)的識別和定位，而較短的數(shù)據(jù)寬度也可顯著增加標(biāo)簽基于隨機(jī)延時(shí)的防沖突能力，因此盡可能將標(biāo)簽ID的寬度限制在32bytes以內(nèi)。
3.3 部分程序代碼
3.3.1 單字符SPI發(fā)送/接收函數(shù)
3.3.2 根據(jù)命令字讀/寫接收(發(fā)送)數(shù)據(jù)包
4.測試結(jié)果
對于R F ID系統(tǒng)而言，最重要的參數(shù)就是讀取距離[7]和有效讀取率。本次實(shí)驗(yàn)檢測儀器為標(biāo)簽3枚，閱讀器一臺，PC一臺，閱讀器基于MSP430F149($5.2425)和nRF24L01芯片設(shè)計(jì)，并通過RS232($780.5000)串口與PC進(jìn)行通信。測試中，分別將3枚標(biāo)簽放在距離閱讀器1 5 m、3 0 m、4 5m處有源標(biāo)簽，便簽ID分別為AABBCCDDFFFFFF01、AABBCCDDFFFFFF02、AABBCCDDFFFFFF03，每枚標(biāo)簽進(jìn)行一小時(shí)(約7200次)連續(xù)讀取測試。測試界面如圖4所示。
從表1所示測試結(jié)果看，3 0m以內(nèi)為標(biāo)簽正常讀取距離，可滿足通常的室內(nèi)應(yīng)用，距離為45m時(shí)讀取率則顯著增加。由于天線的設(shè)計(jì)對平臺性能有較大影響，通過優(yōu)化標(biāo)簽的天線以獲得較大輸出功率，改進(jìn)閱讀器端天線接收靈敏度也可顯著增加系統(tǒng)性能。
5.結(jié)束語
本文對基于MSP430F2012和nRF24L01的有源RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的介紹。對2款芯片的低功耗性能進(jìn)行了探討并強(qiáng)調(diào)了自己的低功耗設(shè)計(jì)方案;結(jié)合了RFID定位的特征，介紹了有別于通常以識別為主要目的的標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方案，分析了其硬件設(shè)計(jì)步驟;針對一般空間內(nèi)被識別目標(biāo)眾多且常進(jìn)入移動(dòng)狀況的特征，介紹了平臺的防沖突能力。整個(gè)方案的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了電路簡單，尺寸小，功耗低，通過良好匹配的天線通信距離可達(dá)幾十米，如需進(jìn)行遠(yuǎn)距離RFID測量或定位，可在軟件上提高數(shù)字功放電路，通信距離可達(dá)500米以上?？梢詽M足多種行業(yè)對于通常小范圍空間內(nèi)的定位需求。
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