基于IEEE802.15.4低功耗有源电子标签的设计

陶为戈

(江苏技术师范学院电气信息工程学院，中国 常州 213001)

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触式自动识别技术[1]，通过空间耦合等技术手段，实现对各类物品或人员等目标对象在不同状态环境下的自动识别和管理．RFID系统主要由电子标签和读写器两部分构成，按照电子标签供电方式的不同，可以把电子标签分为无源电子标签、有源电子标签和半有源电子标签．有源电子标签一般由电池进行供电，电能充足，工作可靠，读写距离远，可广泛应用于物流、交通、医疗、身份识别、防伪、资产管理、定位等众多应用领域．

有源电子标签设计的关键技术在于低功耗和防碰撞算法的实现[2]．文献[2～8]等对有源电子标签的硬件设计主要以微处理器为控制器、单片集成无线收发模块为射频前端，而防碰撞算法较多采用纯ALOHA算法或改进的ALOHA算法．这种微控制器加射频模块的设计方案实现了有源电子标签远程识别功能，但功耗偏高，体积偏大，一般为只读标签，且成本较高．另外，ALOHA算法在标签较多时冲突加剧[9]．本文介绍了一种基于MG245X片上系统和IEEE802.15.4标准的有源标签系统，通过对硬件结构、软件工作模式、休眠时间选择等方面进行优化设计，实现了有源电子标签低功耗和远距离读写．

1 硬件设计

1.1 MG245X芯片

综合考虑标签功耗、成本及实用性等因素，有源电子标签微控制器选用韩国RadioPulse公司的MG245X芯片[10-11]．MG245X提供一种完整的无线片上系统解决方案，适用于IEEE802.15.4标准和ZigBee规范，特别适合智能家居控制、无线传感器网络产品及电子标签应用．MG245X包含一个带有基带调制解调器的射频RF收发器、一个硬件媒体访问控制MAC、以及一个内置可编程96 K程序存储空间、8 K数据存储空间的8051微控制器，另外还包含24个GPIO口及外围器件，如定时器、双UART口、ADC、内嵌语音编解码器、硬件加密等．芯片工作电源电压1.9～3.6 V，内核工作电压1.5 V，深度休眠时电流小于0.3 μA．这种解决方案能够提高产品性能并满足以IEEE802.15.4为基础2.4 GHz的ISM频段应用，以及对低成本、低功耗的要求．MG245X系列芯片主要包括MG2450、MG2455、MG2450A和MG2455A四种芯片类型．基于MG2450芯片的AT-MR500模块是由AAC公司开发的系列表面贴形式邮票孔接口模块产品之一，该系列模块集成了所有的射频组件和无线微控制器MG2450，体积仅为17.9×14.9×2.6 mm，贴片陶瓷天线，满足有源电子标签低功耗、低成本、体积小巧的需求．

1.2 低功耗有源电子标签设计

图1 低功耗有源电子标签电路原理图

低功耗有源电子标签由AT-MR500模块和外围电路组成，原理图如图1所示．AT-MR500模块发送功率-50 dBm至+8 dBm可调，接收灵敏度-98 dBm，支持PM1、PM2、PM3三种工作模式，其中PM2模式带内存休眠，唤醒重启速度快，休眠电流小于1.7 μA，该模式为标签首选模式．外围电路设计包括复位、供电、电压监测、震动检测、固件下载、状态指示等电路，以满足不同应用场景标签工作模式的选择及低功耗节电要求．ISP为编程控制端，正常工作时ISP接低电平，AT-MR500上电自动复位或按键复位，ISP与复位按键REST配合使用，经P1_0、P1_1实现固件下载．

1.3 读写器设计

标签读写器的功能是读取标签ID等数据信息或发签时对标签进行参数配置．标签读写器主要由AT-MR500模块、UART接口与USB接口转换芯片CP2102及其他外围电路组成．标签读写器可直接或通过USB延长线插入PC机USB接口，采用USB供电模式，实现PC机与读写器数据交换，该USB接口在PC端虚拟为串口．

2 软件设计

软件设计主要包括两个部分：标签软件和读写器软件．软件开发环境为Keil C51，在该平台下对标签和读写器进行必要的软、硬件参数配置．标签与读写器都包含MG245X芯片，带IEEE802.15.4标准硬件MAC，采用CSMA/CA机制有效地避免数据冲突[12]．CSMA/CA是指载波侦听、多路访问、冲突避免[13-14]．根据是否采用信标，IEEE802.15.4网络分为非信标网络和信标网络两种．本系统采用非信标模式，标签与读写器使用CSMA/CA机制竞争信道，执行空闲信道评估(CCA)，若信道空闲则传送数据，若信道忙则随机退避一段时间重新执行CCA．

标签与读写器通信可选择2.4 GHz ISM频段上11～26共16个无线信道之一，数据速率250 kbit/s，标签ID等数据可AES硬件加密．密钥、网络ID、无线发送功率、休眠时间、标签工作模式、标签ID等参数在发签时配置并写入标签的FLASH存储器中．

2.1 标签软件设计

标签程序流程图如图2所示．标签上电后首先执行初始化工作，包括设置系统基准时钟、用户硬件配置，接下来启动IEEE802.15.4协议栈，对ID及用户数据加密，检测电源电压，若低于2 V，告警指示灯闪烁3 s后进入休眠状态；若大于2 V，由S1开关选择标签工作模式．在发签模式下，当收到来自读写器的配置指令信息，解密后将其保存在FLASH存储空间，其中0x1000～0x103F地址区间存储了包括64 bit MAC地址、信道ID、PANID等硬件信息，0x1040～0x11FF区间存储例如基本数据信息、休眠时间、用户ID、密钥等用户数据信息；在非发签模式下，进入休眠状态后直至定时唤醒时间到或检测到震动退出休眠状态(定时/震动唤醒方式根据标签应用场景配置)，主动给读写器发送ID信息密文．

2.2 读写器软件设计

读写器程序流程图如图3所示．读写器上电后首先执行包括设置系统基准时钟、用户硬件配置等初始化工作，然后启动IEEE802.15.4协议栈，进行工作模式判别，模式由上位机指令决定．在发签模式下，当收到来自上位机的标签配置指令信息，AES加密后将其无线转发给标签；在非发签模式下，若收到标签ID信息密文，则解密后转发给上位机．

图2 标签程序流程图

图3 读写器程序流程图

3 标签休眠时间选择

设标签单次休眠状态时间为TS，休眠时电流为IS，单次激活状态时间为TA，激活时(包括无线数据收发)平均电流为IA，则标签一次休眠唤醒周期平均电流为

根据标签测试结果，PM2模式下IS=1.7 μA，数据速率250 kbit/s时TA=1.2 ms，发射功率+8 dBm时IA=45.1 mA，有效识别半径大于60 m．分别采用容量3 V 210 mAh纽扣电池CR2032、3 V 550 mAh纽扣电池CR2450、两节AA1.5 V 2 200 mAh碱性电池，在定时唤醒模式和不考虑电池漏电流的情况下，电池寿命与单次休眠时间TS之间的关系如图4所示．

从图4可以看出，随单次休眠时间TS增加，电池使用寿命延长．例如2 200 mAh电池TS=400 ms时，电池使用寿命不到2年，而TS=2 000 ms时，可以使用8年以上．

对于运动标签或读写器，设其运动速率为V，标签单次休眠时间为TS，识读半径为R，单次激活状态时间为TA，为了保证对标签有效识读，则贯穿识读范围必须满足2R/V≤TS+TA．取TA=1.2 ms，R=60 m，标签或读写器允许最大移动速度与单次休眠时间TS之间的关系如图5所示．从图5可以看出，随单次休眠时间TS增加，允许最大移动速度降低．例如TS=2 000 ms时，最大移动速度为60 m/s，而TS=4 000 ms时，最大移动速度小于30 m/s．

图4 电池使用寿命与休眠时间关系图

图5 最大移动速度与休眠时间关系图

鉴于上述原因，功耗与标签单次休眠时间有着非常直接的关系，在静态或低速移动情况下，可选择较长的单次休眠时间降低平均功耗；在高速移动情况下，适当减少单次休眠时间，保证标签有效识读．

4 结束语

本文给出了基于IEEE802.15.4标准和MG245X片上系统的2.4 GHz低功耗有源标签实现方法，进行了软硬件优化设计，CSMA/CA机制解决了标签碰撞性问题，硬件AES加密保障标签信息安全，标签参数无线配置，最后讨论了标签休眠时间对标签性能的影响．该标签具有低功耗、成低本、读写距离远、数据容量大、可靠性高、体积小、使用灵活方便等优点，可广泛用于需要远距离识别且对功耗要求较敏感的应用场合．

参考文献：

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[11] RadioPulse Inc.MG245X Hardware Reference Guide[EB/OL].http://www.radiopulse.co.kr/eng/index.html, 2012-03- 25.

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[14] 蒋子峰,陆建德.IEEE802.15.4动态自适应CSMA/CA算法设计与仿真[J].计算机技术与发展, 2010,20(9):69-73.