一种低功耗智能传感主动式标签的设计

郑淼淼 ， 赵苍荣

（1.安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南232001；2.淮南市山南开发建设有限公司，安徽 淮南232001）

射频识别技术 （Radio Frequency Identification，RFID）是近年迅速发展起来的一项新技术，它利用射频信号通过空间耦合实现非接触式信息传递，达到自动识别目的[1]。其主要的优点是环境适应性强、不受雨雪、冰雹、灰尘等的影响，可全天候、无接触地完成自动识别、跟踪与管理，且可以穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强[2]。RFID系统由电子标签、读写器和数据交换与管理系统组成。电子标签可分为被动式和主动式两种。被动式标签无需电池，由读写器产生的磁场中获得工作所需的能量，但读取距离较近，且单向通信，局限性较大。RFID主动式电子标签不但具备被动式电子标签的很多特性，而且还具有读取距离更远，性能更可靠，寿命长等优点[3]。文中提出一种应用超低功耗单片机MSP430F147和无线传输收发芯片nRF2401作为核心的低功耗智能传感主动式标签的设计方案，系统含有温度、湿度传感器，可以实时智能感知标签所处环境的温度和湿度信息。

1 系统硬件设计

系统硬件结构如图1所示。系统采用MSP430系列低功耗单片机MSP430F147作为微控制器，主要包括nRF2401以及天线模块、温度传感器、湿度传感器、电池电路、电量检测和声光报警电路。

图1 智能传感标签结构框图Fig.1 Intelligent sensor label block diagram

由于有源电子标签需要内置电池供电，它对低功耗要求非常高，所以硬件设计中应该选择具有低功耗特性的单片机和低功耗型的射频收发芯片[4]。MSP430F147单片机是由TI公司生产的一种超低功耗的微控制器，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，使其从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于 6 μs。其内部带有32 kB+256 B闪速存储器、1KB的RAM、两个内置16位定时器、一个8通道快速12位的位A/D转换器、两个通用串行同步/异步通信接口USART。低电压范围为1.8～3.6 V，待机状态耗电仅为1.6 μA，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[5]。

nRF2401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[6]。

1.1 单片机电路

单片机MSP430F147接口电路设计如图2所示。其外围电路包括晶振电路、复位电路和JTAG电路。MSP430F147的第 12引脚 P1.0，第 13引脚 P1.1，第 14引脚 P1.2，第 15引脚P1.3，第 16引脚 P1.4，第 17引脚 P1.5，第 18引脚 P1.6，第 19引脚P1.7，第20引脚P2.0分别与nRF2401的第8引脚DATA，第 7引脚 CLK1，第 6引脚 DR1，第 5引脚 CS，第 4引脚 DOUT2，第 3引脚 CLK2，第 2引脚 DR2，第 1引脚 CE，第23引脚PWR_UP相连。

图2 MSP430F147接口电路Fig.2 MSP430F147 interface circuit

1.2 nRF2401接口电路

nRF2401接口电路如图3所示。nRF2401的外围电路非常简单，只需少量的外围元件。其第11、12引脚外接16 MHz的晶振为其提供所需的工作时钟，使用外置SMA天线，无线传输距离在100 m左右，满足实际要求。nRF2401的DR2、CLK2、DOUT2、CS、DRl、CLKl、DATA、 PWR_UP 引 脚 和 单 片机MSP430F147的P1口、P2.0引脚相连。其中，nRF2401通过DATA、CLKl、CS 引脚和 MSP430F147 单 片 机 进 行 通信 ，由PWR_UP、CE和CS这3个引脚配置4种工作方式。

1.3 传感器电路设计

温湿度传感器采用瑞士Sensirion公司的SHT21S，SHT21S温湿度传感器将敏感元件、标定存储器和数字接口集成在3×3 mm的衬底上，此外，传感器还提供电子的识别跟踪信息。除敏感元件部分，传感器外表采用包覆成型，可以减少传感器受外界因素如老化，震动，挥发性化学气体的影响，保证其具有良好的稳定性。数据由SDA线输出。温度和湿度的测量可通过拉高或拉低 SCL来切换，当SCL为高电平时进行湿度的测量；SCL为低电平时进行温度的测量。SHT21S全量程标定，两线数字接口，可与单片机直接相连，外围电路极其简单。传感器电路如图4所示。

图3 nRF2401接口电路Fig.3 nRF2401 interface circuit

图4 传感器电路Fig.4 Sensor circuit

1.4 电量检测与报警

由于标签使用纽扣电池供电，为了保证标签的正常工作，有必要定时检测电池电压是否过低，如若电池电压过低，通过声光报警来提醒用户及时更换电池。本设计通过单片机内部自带的12位A/D转换器的A0通道即第59引脚P6.0/A0对电池电压进行定时检测，MSP430F147采用内部参考电平，程序中设定好报警的阀值电压，当电池电压低于阀值电压时便发出报警信号。

2 系统软件设计

系统软件是在MSP430系列单片机配套的开发环境IAR Embedded Workbench平台上开发的C代码程序，采用模块化结构。软件编程的基本思路是：首先完成控制单元的初始化、各种参数配置、nRF2401控制端口初始化及各外围模块配置和初始化等；然后开启接收机，运行任务程序，以实现接收或发送数据。另外主程序模块中还应包括对系统外部电压检测、声光报警等以及系统中断和记录存储等。

传感标签平时处于休眠方式，收到读写器命令后唤醒其内部的微处理器，启动传感器进行测量。下面主要介绍nRF2401操作流程。nRF2401具有4种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式和关断模式，由PWR_UP、CE和CS这3个引脚信号决定，工作模式与引脚信号的对应关系如表所示。本设计采用ShockBurstTM收发模式，在此模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，高速向外发射。对nRF2401的操作主要是配置其工作方式和读写数据，所有配置命令字和数据都是通过CLK和DATA两个引脚完成的。使用nRF2401进行发送数据时，采用以下的步骤：1）置位CE，使能nRF2401；2）向nRF2401写入接收机的地址以及要传送的数据；3）复位CE，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射。而接收端依照以下流程进行数据接收：1）配置本机地址和即将接收的数据包大小；2）CE 置位，进入接收状态；3）等待 202 μs后，nRF2401 进入监视状态，等待数据包的到来；4）当接收到正确的数据包时，nRF2401自动除去字头、地址和CRC；5）nRF2401置位DR1；6）MSP430F147把数据从nRF2401逐位移出；7）所有数据移完，nRF2401把DR1置低，此时如果CE为高，则等待下一个数据包，如果CE为低，程序返回。

表1 nRF2401工作模式与引脚信号的对应关系Tab.1 Relations of the work mode and the pin signal about the nRF2401

3 结束语

本文应用单片机MSP430F147和射频芯片nRF2401设计了一种低功耗智能传感标签，电路设计结构简单、工作稳定可靠、体积小、功耗低。与一般标签相比，本设计标签能够定时智能感知外界的温度、湿度信息并进行无线传输，方便各种环境中的温湿度的数据采集，应用广泛。

[1]王永超，郭瑞，包贵浩，等.低功耗有源RFID标签设计与实现[J].电子测量技术，2010，33（7）:30-33.WANG Yong-chao，GUO Rui，BAO Gui-hao，et al.Design and implementation of Low-power active RFID tag[J].Electronic Measurement Technology，2010，33（7）:30-33.

[2]邱炜，孙志锋，孙晓东，等.基于nRF2401的RFID读写器设计[J].机电工程技术，2008，37（9）:62-65.QIU Wei，SUN Zhi-feng，SUN Xiao-dong，et al.The design of RFID reader based on nRF2401[J].Mechanicai&Electrical Engineering Technology，2008，37（9）:62-65.

[3]袁江，曹金伟，邱自学.基于RFID读写器网络的粮库温湿度分布式监测[J].农业工程学报，2011，27（10）:131-136.YUAN Jiang，CAO Jin-wei，QIU Zi-xue.Temperature and humidity distributed monitoring for grain depot based on RFID reader networks[J].Transactions of the CSAE，2011，27（10）:131－136.

[4]高文俊，袁超纲，房庆海，等.电子标签的设计与低功耗的实现[J].控制工程，2009（16）:151-153.GAO Wen-jun，YUAN Chao-gang，FANG Qing-hai，et al.Design and implementation of low power RFID tag[J].Control Engineering of China，2009（16）:151-153.

[5]Texas Instruments.MSP430x1xxx Family User’s Guide[S].2006.

[6]Nordic Semicondutor.NRF24L01 Single Chip 2.4GHz Transceiver Product Specification[S].2007.