一种带低压报警功能的低功耗有源RFID系统设计

贾岩岩 许胜祥 刘煜

摘 要：内置电池的供电时间决定了有源RFID的寿命长短，降低有源RFID标签的功耗、及时欠压告警并更换电池是延长其使用寿命的常用方法。文中设计一种带低压报警功能的低功耗有源RFID系统。该系统基于无线收发芯片nRF24LE1进行RFID无线数据传输系统的总体设计，通过控制芯片进入休眠状态的方式降低RFID标签的功耗。讨论系统的硬件电路、低压报警、低功耗休眠的设计方法以及防碰撞通信协议，并进行实际测试。结果表明，该系统配置合理，通信协议简单，具有成本低、抗干扰能力强、通信距离远等优势，可应用于RFID远距离无线通信系统中。

关键词：非接触式;RFID系统;防碰撞通信协议;低压报警;低功耗休眠;远距离无线传输

中圖分类号：TP277.1;TN91文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

随着大规模集成电路技术的发展与成熟，一种非接触式的自动识别技术—射频识别[1-2]（Radio Frequency Identification，RFID）逐渐兴起并被应用到社会的各行各业，它通过无限射频信号的传输获取数据以达到自动识别[3]的目的。RFID系统主要由电子标签[4]和阅读器两部分组成，电子标签作为射频信号的数据载体，根据供电方式的不同分为有源电子标签、无源电子标签和半无源电子标签[5]。本设计系统采用的有源电子标签，又称为主动式电子标签，主要由无线收发模块、天线及电池构成。为了达到延长使用寿命以及降低功耗[6]的目的，本系统所设计的标签和阅读器采用无线收发芯片nRF24LE1，通过内置51内核和开启休眠状态来满足这一要求。

1 无线收发芯片nRF24LE1介绍

nRF24LE1是北欧集成电路公司（Nodic）推出的一款带增强型8051内核的无线收发模块[7]，具有2.4 GHz无线收发器，16 KB FLASH存储器，100 KSPS的9路模数转换器，UART接口，SPI接口，PWM输出，内置RC振荡器、看门狗和唤醒定时器以及专门的稳压电路，工作在2.4～2.5 GHz的ISM频段，具有多达125个频点，能够通过改频或跳频等方式来避免干扰，最大传输速率为2 Mb/s，灵敏度可达

-94 dBm，最大发射功率是0 dBm，工作电压为1.9～3.6 V，工作温度范围为-40～85 ℃。当处于较为理想的环境下，室内传输可达30～40 m，室外传输距离可达100～200 m。其中，超紧型nRF24LE1芯片采用4 mm×4 mm、24引脚QFN封装，包括电源、复位、晶振、天线等特殊端口，主要用于对大小有严格要求的应用场合，如图1所示。

nRF24LE1芯片内部存在一个低功耗的RC振荡器，且不能被禁止，所以芯片可以在VDD大于等于1.8 V的供电条件下长期连续工作。另外，内部RTC唤醒定时器是一个16位的可编程定时器，RC低功率振荡器LP_OSC提供工作时钟，其定时时间可编程为300 μs～80 ms，默认值为

10 ms。唤醒定时器的启停可由用户程序进行控制。nRF24LE1芯片的诸多优点为设计带来了极大的方便，因此成为了有源RFID系统的最佳选择。

2 系统硬件设计

有源RFID系统根据其有源电子标签是否具有接收信息的功能可以分为只读有源RFID系统和可读写有源RFID系统，本系统设计的有源电子标签为只读型电子标签。只读有源RFID系统如图2所示，电子标签自备电池，无需阅读器供电，始终处于间歇性激活状态，当进入阅读器的信号搜索范围后，电子标签会将自身存储的身份识别码（UID）以电磁波的形式主动发送给阅读器，阅读器再将接收到的数据通过RS 232串口发送至PC进行进一步存储和处理。

在电源模块的设计中，为了方便集成和降低标签的厚度，系统标签设计采用市场上广泛应用的ETC标签电池为芯片nRF24LE1提供电压。低电压报警功能主要用于提示标签的电池工作状态，当电池提供的电压低于预设的阈值电压时，发送光报警信号，提示用户及时更换电池，从而有效避免由于电池临时断电造成的故障。

如图3所示，LED指示灯与芯片的P0.1管脚相连。配合nRF24LE1芯片本身所带的电源监控特殊功能寄存器POFCON的设置，可以在硬件（LED闪烁）和软件（电压状态数据帧最高位置1）上实现对标签电源欠压时双重报警的任务。

3 软件设计

3.1 工作模式选择

nRF24LE1芯片可以通过对CONFIG寄存器进行配置转换为发射、接收、待机及掉电四种工作模式，见表1所列。

待机模式1主要是用于降低电流损耗，该模式下晶体振荡器仍处于工作状态;待机模式2是当RFCE=1且FIFO寄存器为空时处于此模式，所有配置字仍保留。掉电模式时nRF24LE1不工作，所有配置寄存器的值仍会保留，电流损耗最小。nRF24LE1收发模式分为ShockBurstTM收发模式及Enhanced ShockBurstTM收发模式，由器件的配置字所决定，在本无线数据传输系统中采用Enhanced ShockBurstTM收发模式，这种模式能够尽量节能，降低系统的费用（低速微处理器也可进行高速射频发射），数据在空中停留时间短，具有很高的抗干扰性，且收发模式中能够分别自动产生和去除前导字符CRC效验码，程序更加简单，稳定性也更高。

3.2 防碰撞程序实现

nRF24LE1采用CRC校验保证了标签和阅读器之间数据传输的可靠性，但无法从根本上解决多个标签同时向阅读器发送数据时产生的碰撞问题。而nRF24LE1芯片特有的载波检测功能和内含随机数发生器的特性，采用载波检测加随机延时的方式能够有效地避免数据包碰撞问题。标签在发送数据之前，先检测信道是否被占用，如果是则表示有碰撞发生，产生一段随机延时后重新检测，否则表示信道空闲，立即将数据包发送出去。

3.3 标签低压检测程序实现

nRF24LE1芯片内部的电源失效比较器（POF）能够为MCU提供电源欠压的早期预警，设置POFCON寄存器的enable位可以使能或者禁止POF比较器[8]。POF使能时上电，系统在有效或待机模式下工作。当电源电压低于可编程的阈值电压时，warn位会被置1，并且同时产生一个中断（POFIRQ）。通过对prog位进行设置来配置所需的阈值电压VPOF，由于芯片的最低工作电压是1.9 V，本系统中设定的预警电压为2.1 V。程序流程如图4所示。一旦电压低于阈值电压2.1 V时，程序通过检测warn位的高电平将电压状态数据帧的第7位（最高位）置1。

3.4 标签主程序

标签主程序开始后先进行初始化设置。初始化内容包括给相应的字符名称赋值，硬件地址，发射模式，设置ID号（每个标签唯一），打开并配置RTC2唤醒时间，接着将生成的数据包通过射频天线发送出去，复位返回，准备进行新一轮的发送。标签主程序流程如图5（a）所示。标签数据帧格式见表2所列。

3.5 阅读器主程序

阅读器程序开始后首先进行初始化设置。初始化设置的内容包括为相应的字符名称赋值，硬件地址，接收模式，设置串口通信参数和接收模式，打开串口中断、RF中断接收。当阅读器接收完标签上传的数据后，将数据通过RS 232传至PC。阅读器主程序流程如图5（b）所示。

4 测试与验证

为了检验RFID系统无线通信的实际结果，标签和阅读器在室外距离60 m，上电后，检查阅读器接收指示灯LED是否闪烁，如果闪烁，表面阅读器读写功能正常。通过串口调试软件在阅读器串口接收端检测到正常数据，如图6所示，即判断出接收到的一号标签（ID：00 00 00 01）、二号标签（ID：00 00 00 02）数据包接收正确。另外，将一号标签的电源电压降到2 V，看到标签欠压指示灯闪烁，阅读器串口端标签状态及类型数据帧最高位为1，将电压升至2.2～3.3 V后，系统恢复到正常模式，由此验证50 m以上RFID无线数据传输的正确性，达到预期的远距离无线数据传输的目的。

5 结 语

本文研究了基于射频收发芯片nRF24LE1的无线数据传输系统[3]，该系统实现了室外测试50 m以上的远距离无线数据传输，能够广泛地应用于RFID系统，简单易于操作且效率高，具有很好的应用前景。

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