物联网环境下Rn运移机制实验装置的智能射频感知系统设计

蔡思静

（福建工程学院，福州 350118）

0 引言

氡气是一种放射性气体，可以作为示踪剂，在地质勘探等领域有着广泛应用。针对Rn的运移机制研究具有极高的理论价值和广泛的社会意义,在自然条件下的Rn检测研究无法揭示Rn运移的内部机制，因此，进行Rn运移机制的理想状态实验装置设计对Rn自身运移机制研究（Rn-He团簇理论）具有重要意义。传统的Rn运移实验装置采用PVC管通过活性炭的范德华力进行测试，该装置可以克服湿度和压力差的影响，但无法克服温度差的影响。因此，在此基础上，又提出了恒温水循环系统[1]，在两个嵌套的PVC管之间加入水循环系统以减小温度差的影响。该装置可以克服压力差的作用，并减小了温度差的影响，但其温度差及湿度差无法量化，在理论模型研究中的修正系数无法精确控制。

随着物联网技术的广泛应用，其RFID、传感技术在射气应用研究中有着无法比拟的技术优势。RFID是利用射频信号进行空间耦合，实现非接触信息传递的自动识别技术，具有高精度、远传输，可工作于恶劣条件下等诸多优点。同时，其非接触的特性在射气研究领域中有着优越的安全性保障。与此同时，传感技术对环境信息的感知能力为Rn运移机制的环境参数量化提供了技术途径。该课题的开展有效地将射频传感技术引入射气研究，为IOT技术在射气领域的应用提供了技术支持。

1 系统概述

物联网环境下智能环境监测系统由3部分组成，如图1所示。

图1 系统设计框图

射频传感标签：采用活性钢圈内置于内层PVC管壁，距离可调（通常与活性炭位置一致），纽扣电池供电。负责传感器温、湿度信息的获取，并结合时间和地址编码等信息，通过射频方式与阅读控制器进行数据交互。

阅读控制器：负责射频传感标签与上位机之间的数据通信及数据的预处理。

Rn运移实验监控系统（PC机）：通过串口接收阅读控制器的数据信息，提供数据保存、处理等功能。

在已有的恒温水循环系统的基础上，加入智能射频感知模块功能，装置设计如图2所示，di的长度与活性炭放置距离一致（保证参数量化精度）。r

图2 装置设计示意图

2 系统硬件设计

2.1 射频传感标签的硬件设计

射频传感标签由微处理器、温湿度传感模块、射频模块和电源管理模块组成。

微处理器：采用8051内核，协调各个功能模块工作，如温湿度数据的存储，射频收发模式调配等。

温湿度传感模块：采用SHT75及外围电路组成，目前常用的温度传感器普遍使用DS18B20，但其存在传感器地址与安装位置的固定映射关系，不便于维护和调配更换[2,3]。因此，系统采用SHT75模块负责Rn运移装置的温湿度检测。

射频模块：采用nRF24L01+完成射频传感标签与阅读控制器的通信[4～6]。模块通过P0.0（1）脚进行16和32MHz双晶振设计，复用P0.2（3）脚为SPI接口，预留P0.4（5）脚为其他传感器提供系统冗余复用，P0.6复用为串行数据通信端，采用ANT1(2)脚提供射频输出。

电源管理模块：负责电路供电系统能源管理与补给。

2.2 阅读控制器的硬件设计

阅读控制器由MSP430F449,、nRF24L01+和外围电路组成，交流供电。MCU通过SPI串口与nRF24L01+进行通信，MSP430F449经SPI串口对nRF24L01+进行数据读写、寄存器设置等操作，通过nRF24L01+的CE端进行数据收发控制操作。nRF24L01+采用增强型ShockBurst收发模式，阅读控制器通过RS232与上位机进行数据交互。

3 系统软件

3.1 射频标签的软件设计

射频标签负责数据采集及射频数据交互，系统采用模块化软构件设计，其核心模块是射频数据收发。

3.1.1 射频工作流程状态分析

标签的射频收发模块采用nRF24L01+的增强型ShockBurst模式，nRF24L01+提供4种工作模式调配[4]，在复位时序结束后进入Power Down模式，进行Power Down模式时，MCU可以通过SPI和RFCON寄存器对其进行控制。

图3 模块发送流程图

3.1.2 射频模块功能实现

射频模块负责标签数据的收发工作，是软构件模块的核心功能。设计采用软件工程的设计思路，设置为增强型ShockBurst收发模式，提供0-32字节的DPL数据包，MCU使用R_RX_PL_WID指令读取数据包长度，采用CRC错误检测机制，射频发送状态工作流程如图3所示。部分代码如下：

图4 nRF24L01射频模块接收流程图

3.2 阅读控制器的软件设计

阅读控制器的射频收发模式采用了和标签一样的nRF24L01+芯片，系统设计采用模块化软构件设计，通过模块复用可以节省大量的开发资源，模块的接收模式流程如图4所示。与射频传感标签的不同之处在于阅读控制器的多路接收功能，设计中的重点和难点在于多路接收和防碰撞功能实现。在接收模式下，阅读控制器的接收模块采用MultiCeiver功能连接多个并行数据通道。

表1 MultiCeiver接收地址表

1）阅读控制器的MultiCeiver设计

设模块配置为PRX可以在一个RF频率通道下接收6路不同的数据通道，如表1所示，每路数据通道都采用增强型ShockBurst模式，且数据通道地址唯一，可配置完成不同的功能。在物理的RF通道中，每个物理地址由射频模块进行解码。

2）防碰撞设计

模块设计时必须考虑射频传感标签之间，以及与阅读控制器之间的通信冲突问题，其主流算法有ALDHA、随即Q值和二叉树法等。本设计射频传感标签采用多点分布，且分布范围规整统一，设计将根据地址匹配完成通信。本设计的防碰撞算法如图5所示。

图5 防碰撞算法示意图

4 测试

根据实验需要，测试距离为：在室内30m、室外63m内的多点位置。温度检测范围：-40℃～+123℃，分辨率：0.01℃～0.04℃；湿度检测范围：0%RH～100%RH，分辨率：0.03%RH～0.5%RH。经测试：数据收发稳定，实验装置的温度测量误差小于±0.5℃，相对湿度测量误差小于±1.9%RH，达到了预期性能指标。

5 结论

通过本设计得出以下结论：

1）将具有目标身份信息获取的RFID技术与环境信息感知能力的传感技术相结合，是物联网技术的主要研究课题之一，这一技术在射气检测装置设计应用中切实可行，且具有无法比拟的优势。

2）nRF24LE01芯片的稳定传输满足现阶段装置设计需求，通过MultiCeiver和防碰撞算法设计，完成了灵活、高效的方案设计。

3）温湿度一体化传感器SHT75提供了稳定的环境信息参数，并结合系统端口冗余复用设计，系统可以根据射气研究的不同需求进行多传感功能设计，为射气研究提供全面服务。

本课题有很大的研究空间，随着半导体技术的发展，今后的研究方向可以结合PFGA技术进行尺寸更小、稳定性更高、功能更全面的射频传感标签设计，甚至实现Smart Dust在射气领域的应用。

[1] 乐仁昌,何志杰,卢宇,等.氡及其子体水平扩散系数测量研究.核技术[J].2010,33(3)L:219-222.

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[5] 余瑞驰,苗澎,尹晓伟,张继,高轩,陶于阳.一种低功耗有源射频识别系统的设计, 现代雷达[J].2012,34(12):12-15,19.

[6] 李才光,裴正宪,蒋洪波.基于nRF24L01的无线心音遥测系统研究与实现[J].计算机科学.2013,40(8):59-62.