用于内河船舶管理的主动式RFID电子标签设计

张巍

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津300222）

随着社会现代化进程的加快，信息技术正在迅速改变着人们的生活。射频识别（RFID）技术的推广和应用作为信息化建设的基础工作之一，已经得到世界各国政府和社会各界的高度重视，且已广泛应用于物流仓储、工业制造、资产管理、动物识别、军事航空等不同领域[1]。

在我国东南沿海地区，河流湖泊众多，水网密集，已建立了多条重要的内河航道。内河航运是一种具有悠久历史的运输方式，是我国水运的重要组成部分，具有运量大、投资少、成本低、能耗小的特点，是连接内陆腹地和沿海地区的纽带。船舶作为内河航运的重要货运载体，具有很大流动性，目前内河船舶的监管，特别是现场的管理，主要依靠人工完成，每年需要花费大量的人员成本和监查艇的燃油费、维修费[2]。特别是在费改税后，急需应用先进的信息化技术，改变现有的内河管理模式，降低人员成本，更好地为船主服务[3]。

笔者采用超低功耗单片机和无线数据传输芯片，设计了一种识读距离远、可靠性高，具有低电量报警、暴力拆除报警等功能的主动式RFID电子标签，以MSP430F2012作为主控制器，nRF24L01作为射频收发器，该电子标签具有体积小，成本低、功耗小等优点。

1 元器件介绍

笔者介绍了由MSP430F2012微控制器和工作于2.4 GHz ISM频段的无线传输芯片nRF24L01组成的主动式电子标签系统，对各部分功能电路进行详细说明，并给出软硬件设计方案。

1.1 MSP430F2012

MSP430F2012单片机是由TI公司生产的一种超低功耗的微控制器，低电压范围为1.8～3.6V，待机状态耗电仅为0.5μA，并具有5种省电模式，允许中断事件切换省电模式，很适合应用于电池供电的长时间工作的场合。它采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率，并可采用数字控制振荡器（DCO最高可达16 MHz），使其从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于1 μs。MSP430F2012的片上资源也是比较丰富的:所有10个GPIO引脚包括可编程上拉/下拉电阻，省略了外接元器件；零功耗掉复位和增强型看门狗计时器增强了芯片的可靠性；集成带有两个捕获/比较寄存器的16位定时器（Timer_A）和10位精度的模数转换器；支持SPI与I2C总线结构的串行接口[4]。在存储容量上，其具有2 kB+256 B的闪存，保证可在其中存储足够的船舶信息。

1.2 nRF24L01

nRF24L01为Nordic公司生产的射频收发芯片，此芯片用于2.4～2.5 GHz ISM波段，内部由频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制解调模块组成。输出功率、信道频率和协议都可以很容易地通过一个SPI口进行编程。电流的消耗非常低，在输出功率为-6 dBm时只有9 mA，在接收模式只有12.3 mA，内建的低功耗与休眠模式可以大大减少功耗。它采用GFSK调制，在ISM频段内可设置126个信道，空中数据速率最高可达2 Mb/s，并且可以选择0、-6、-12、-18 dBm其中之一作为输出功率[5]。

1.3 PA2421及相关器件

基于对标签识别稳定性及距离的考虑，在射频前端增加了功率放大器。PA2421是一款工作于2.4～2.5 GHz频率范围的线性功率放大器，3.3 V供电，输入输出匹配50 Ω，增益可达26 dB。除了功率放大器之外，还需要一些其他器件，74LVC2G04和UPG2214TK。74LVC2G04是双非门缓存器用于控制UPG2214TK单刀双掷开关，选通发送或接收电路。

2 电子标签硬件电路设计

笔者所设计的电子标签主要包括以下几部分功能：射频通信、低电量报警及暴力拆除报警。

2.1 射频部分

RF24L01接口电路设计如图1所示。管脚CE、SCK、MOSI、MISO为射频芯片的SPI接口与单片机相连，进行数据通信；CSN为片选管脚，低电平选通；IRQ是中断信号管脚，通知单片机有数据到达；RF管脚为发送/接收射频信号的管道，与射频开关相连；VDD_PA管脚与74LVC2G04相连，作为切换发送与接收状态的信号。

图1 nRF24L01接口电路Fig.1 Interface circuit of nRF24L01

收发状态控制电路由双非门缓存器74LVC2G04组成，如图2所示。当VDD_PA为高电平时RX_ON为低电平，TX_ON为高电平，此时为发送状态。

图2 收发状态控制电路Fig.2 Sending and receiving control circuit

如果不加功率放大器nRF24L01最大功率输出为0 dBm，经实测后，读取范围只能达到100 m左右。为了扩大标签的识读范围，电路中增加了线性放大器PA2421，电路如图3所示。其中RF端口为射频信号的管道，UPG2214TK由RX_ON与TX_ON两个信号控制，以切换射频芯片的发射与接收状态。

图3 功率放大电路Fig.3 Power amplify circuit

在实际的测量中，增加PA后，本系统所设计的电子标签在500 m的范围内可被稳定地扫描到，并且完全符合国家微功率（短距离）无线电设备的技术要求[6]。

射频输出端的匹配阻抗为50 Ω，可连接2.4 GHz的单极子天线，大大减小了标签的尺寸，也使其易于安装。

2.2 MSP430F2012接口电路

由于笔者设计的电子标签使用电池供电，为了保证标签可以长时间的稳定、可靠地工作，需要一款功耗低且资源丰富的微控制器，因此选用了TI公司的MSP430F2012。MSP430F2012工作电压为3.3 V，具有14个管脚，本设计使用单片机内部的数字控制振荡器（DCO），省去了外接晶振，节约了电路板空间及成本。在供电方面，采用2片3.3 V的纽扣电池并联后，经简单滤波即可与单片机VCC端相连。MSP430F2012的接口电路如图4所示。管脚3、5、6、7、8、9与射频芯片连接，分别完成中断通知、片选、时钟同步、SPI接口通信等工作，前文已叙述。管脚10、11为MSP430F20xx系列产品中所特有的名为“Spy Bi-Wire”的调试接口，替代了JTAG接口。此接口方式采用是2线制，分别为SBWTCK（时钟）、SBWTDO（数据线），这样烧写程序更加快捷简单，而且大大节约电路板的空间。

2.3 报警电路

报警功能是本设计的一大特色，其具有暴力拆卸报警与低电量报警功能。电子标签在用于船舶管理时，涉及到船舶登记、签证、缴费等操作，为了杜绝逃费等违法行为，就需要标签与船舶完全绑定，这样才能保证扫描到的信息有效与可靠。因此，标签中增加了拆卸报警功能，当标签与船体分离后，会向读写器发出拆卸报警信号，使监管部门及时了解情况。而低电量报警可以使监管部门了解电子标签的使用情况，当电池电量不足时可以及时更换，保证了系统运行的稳定。

具体设计如图4所示，其中使用MSP430F2012的管脚12、4来检测标签是否被拆除。本文设计的电子标签使用强力胶来固定，在胶中埋有一根薄而易断的铜箔，此铜箔F1一端与地线相连，另一端则与12号、4号管脚相连。12号管脚一直处于输出状态，且为高电平；4号管脚一直处于输入状态，正常情况下是通过F1接地的，即为低电平。一旦出现拆卸等行为会使铜箔断裂，4号管脚输入电压发生变化，由低电平变为高电平，单片机立即产生报警信号并发送给读写器。

图4 MSP430F2012的接口电路Fig.4 Interface circuit of MSP430F2012

低电量报警功能使用单片机内自带的10位模数转换器完成，将管脚2与电源正极相连，作为AD输入端。MSP430F2012使用内部参考电平，可定时检测VCC电压，软件中设定好报警的阈值电压，当低于设定值时产生报警信号，发送给读写器。

3 软件设计

RFID船舶管理系统的业务流程为：当电子标签与船舶绑定后，为了节约能量，先处于休眠状态，此时耗电量极低。当船舶行驶到读写器覆盖到的水域后，电子标签接收到读写器发来的唤醒信号后，会在极短的时间内恢复工作状态，并向外广播自身的ID号及报警信息。当船舶驶离该水域后，标签重新进入休眠状态，直到再次进入一个有读写器覆盖的水域中。读写器收到标签发来的ID号后会发送回服务器端，管理人员可在数据库中查询到与该ID号绑定的船舶信息，这就避免了管理人员进行登船检查，节约了人力物力。

设计的电子标签中的代码使用C语言编写，开发环境IAR Embedded Workbench v3.41。软件基本框图如图5所示。

图5 软件框图Fig.5 Block diagram of software

由图中可以看出，整个程序由一个主循环与3个中断程序组成。计时器A中断主要是处理标签发射时序的子程序，要确保标签与读写器交互的正确、迅速，兼顾电池寿命，可根据实际情况来设计标签ID广播的时间及空闲时间。PORT1中断程序是处理单片机与射频芯片之间进行通信的子程序，当射频芯片接收到信号，需要通过IRQ管脚对单片机发出中断请求，单片机会处理相关的数据。报警是处理电压过低或标签被非法拆卸的子程序，当发生以上事件时，进入中断子程序，并产生警报信号，通过射频芯片传递给读写器。

4 结束语

笔者所设计的主动式电子标签可安装在船舶驾驶室中，并符合船舶用电气与电子设备的相关规范[6]。经过内河航道中的实际测试，一般船舶行驶、颠簸、浪涌不影响正常工作，在500 m范围内读写器可稳定读取电子标签ID号及报警信息，性能达到要求[7]。以MSP430F2012作为主控制器，nRF24L01作为射频收发器的2.4 GHz主动式电子标签，具有体积小，成本低，功耗小等优点，具备了市场化的条件。

[1]宁焕生，王炳辉.RFID重大工程与国家物联网[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]朱雯瑾，廉清云.RFID技术在内河船舶管理中的应用[J].中国水运:下半月，2010，10（9）：91-92.

ZHU Wen-jin，LIAN Qing-yun.The RFID technology on inland ship management[J].China Water Transport，2010，10（9）:91-92.

[3]黄健，孙伟，陈卓，等.主动式RFID技术在内河船舶监控中的应用[C]//第六次中国物流学术年会，北京：中国物资出版社，2007：455-460.

[4]MSP430x2xx Family User’s Guide[EB/OL].（2004-12）[2011-03-25].http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau144h/slau144h.pdf.

[5]Nordtc semiconductor.nRF24L01 Single Chip 2.4 GHz Transceiver Product Specification[EB/OL].（2007-07）[2011-03-25].http://www.docin.com/p-34613499.html.

[6]佚名.GB/T 10250-1988.船舶电气与电子设备的电磁兼容[S].北京：中国标准出版社，2008.

[7]刘岩.RFID通信测试技术及应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.