《電子技術(shù)應(yīng)用》
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RFID低功耗電子標(biāo)簽和手持閱讀器設(shè)計開發(fā)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第6期
戴 欣，鄧 湘，劉 浩
北京交通大學(xué) 機(jī)電學(xué)院測控系，北京100044
摘要： 設(shè)計了一種短距離2.4 GHz無線通信方案，基于此方案研制的手持閱讀器和低功耗電子標(biāo)簽成功應(yīng)用于油田設(shè)備上。電子標(biāo)簽和閱讀器分別由ARM和MSP430系列單片機(jī)控制無線收發(fā)芯片NRF24L01實現(xiàn)身份識別與數(shù)據(jù)傳輸，相關(guān)參數(shù)由軟件進(jìn)行設(shè)置。手持閱讀器具有好的人機(jī)接口，電子標(biāo)簽具有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特點?？稍谝欢ň嚯x范圍內(nèi)實現(xiàn)誤碼率低的快速通信。
中圖分類號： TN914.3
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)06-0021-03
Design and development of low power active RFID tag and RFID handheld reader
Dai Xin，Deng Xiang，Liu Hao
School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044，China
Abstract： In the paper, a short-distance of 2.4 GHz wireless communication scheme is proposed. Based on the scheme, the RFID handheld reader and low power RFID tag are successfully developed and also applied in the oilfield equipment. Identification and data transmission between RFID handheld reader and low-power RFID tag are achieved by wireless transceiver chips nRF24L01 which controlled by ARM core-based microcontroller and MSP430 series microcontroller, and the related parameters can be set by the software. Handheld reader has good man-machine interface, and the electronic tag has the characteristics of small volume, lower power consumption, stable performance, and strongly anti-interference capability. Within a certain distance, this scheme can achieve more rapid communication with low bit error rate.
Key words : RFID；electronic tag；low-power；handheld reader；oil field equipment

    射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）是近20年來蓬勃興起的一種自動識別技術(shù)，它的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如油田采油車出入自動識別管理與監(jiān)測系統(tǒng)就是一個很好的例子，它能使管理人員及時掌握油田采油車輛和油井采油動態(tài)[1]，以便更好地進(jìn)行合理調(diào)度與管理等。

    本文設(shè)計開發(fā)的RFID電子標(biāo)簽和閱讀器應(yīng)達(dá)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1和表2所示。

1 硬件設(shè)計
1.1 總體方案
    本文設(shè)計開發(fā)的射頻收發(fā)系統(tǒng)的組成如圖1所示。計算機(jī)通過異步串口向ARM控制器傳送指令；ARM控制器再通過nRF24L01按照一定通信協(xié)議[2]將信號發(fā)送給指定地址的標(biāo)簽；若標(biāo)簽處于閱讀器范圍內(nèi)[3]，經(jīng)外部觸發(fā)后，會發(fā)送標(biāo)簽的一些相關(guān)信息給閱讀器；閱讀器部分的無線收發(fā)模塊通過串口將接收到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示處理。

1.2 電路設(shè)計
1.2.1 低功耗電子標(biāo)簽
    單片機(jī)與nRF24L01連接電路設(shè)計如圖2所示。

    MSP430F149單片機(jī)的P1.6引腳接收來自nRF24L01的中斷，低電平有效；由P1.7引腳控制nRF24L01的CE端，CE端的電平?jīng)Q定nRF24L01工作在接收模式還是發(fā)送模式；由P5.0引腳控制nRF24L01的片選使能CSN，CSN為低后SPI接口等待執(zhí)行指令，每一條指令的執(zhí)行都必須經(jīng)過一次CSN由高到低的變化；MISO和MOSI分別為串行輸入和輸出，分別由P5.1和P5.2引腳控制。
1.2.2 閱讀器
    ARM系列單片機(jī)STR711FR2芯片與nRF24L01連接電路設(shè)計如圖3所示。由單片機(jī)的P0.7引腳來控制CE端；由P0.10引腳接收來自nRF24L01的中斷；由P1.9引腳控制nRF24L01的片選使能CSN；由P0.12引腳控制串行輸出口MOSI；由P0.13引腳控制串行輸入口MISO。STR711FR2采用16 MHz有源晶振，與上位機(jī)采用串口通信。

2 軟件設(shè)計
2.1 通信協(xié)議和串口中斷
    本文所設(shè)計的RFID通信模塊實現(xiàn)的功能包括廣播識別、讀/寫標(biāo)簽編號、讀/寫標(biāo)簽密碼、讀/寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息。該通信協(xié)議如表3所示。
    若在通信協(xié)議中設(shè)置較短的地址和校驗可以提高傳輸?shù)男?，同時為增強(qiáng)程序的運(yùn)行效率，閱讀器采用UART全局接收中斷模式，以保證即時接收到上位機(jī)的指令。閱讀器串口中斷子程序如下：
void UART0_IRQHandler(void)
      { int k;
          for (k=0; k<18; k++)
            UART_ByteReceive(UART0, (u8*) &
bRByte[k], 0xFF);
            uart_flag=1;
      }
2.2 軟件流程圖
2.2.1 閱讀器指令發(fā)送子程序
      閱讀器上電后，檢查閱讀器與上位機(jī)通信是否正常，當(dāng)調(diào)試好串口工作后，按如圖4所示的發(fā)送主程序流程進(jìn)行指令發(fā)送。首先進(jìn)行初始化，將nRF24L01的工作模式、通信地址及通信速率等參數(shù)配置好，然后等待上位機(jī)的數(shù)據(jù)包。閱讀器在對上位機(jī)發(fā)送來的指令校驗無誤后，會向指定標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)包，標(biāo)簽收到數(shù)據(jù)包后會發(fā)送一幀應(yīng)答數(shù)據(jù)包，閱讀器接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包后，在PDA顯示出來，至此完成一次數(shù)據(jù)的傳遞。
    當(dāng)有多個標(biāo)簽時，閱讀器采用分時發(fā)送識別指令方式，可知道哪個標(biāo)簽沒有在閱讀器范圍內(nèi)。但應(yīng)注意的是，閱讀器每次向標(biāo)簽發(fā)送指令后，都應(yīng)隨后再發(fā)送一包指令來清理標(biāo)簽自動應(yīng)答緩沖區(qū)(W_ACK_PAYLOAD)，避免下次發(fā)送不同的指令時出現(xiàn)應(yīng)答錯誤。
2.2.2 標(biāo)簽指令接收子程序
    標(biāo)簽上電后，首先進(jìn)行初始化，使標(biāo)簽完成一些配置寄存器的設(shè)置，然后進(jìn)入待機(jī)模式，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的范圍內(nèi)，經(jīng)閱讀器喚醒后，標(biāo)簽會產(chǎn)生接收中斷跳入監(jiān)聽指令子程序，即從低功耗模式轉(zhuǎn)入工作模式，開始監(jiān)聽空中的數(shù)據(jù)包。當(dāng)自動應(yīng)答有效時，ACK消息將被發(fā)回。標(biāo)簽指令接收子程序流程圖如圖5所示。

2.3 電子標(biāo)簽低功耗模式軟件編程實現(xiàn)
    低功耗標(biāo)簽子程序設(shè)計如下所示：
    while(1)
    { if(flag_r==0)
    CLR_CE;        //使NRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式
    WDTCTL=WDT_MDLY_32;       //定時器
    IE1|=WDTIE;
    BIS_SR(LPM0);      //單片機(jī)進(jìn)入LPM0模式
    while(flag_wr==1||flag_r==1)  //接收中斷標(biāo)志
    { IE1|=0x00;
    flag_wr=0;
    lag_r=0;                   //接收標(biāo)志清零
    BIS_SR(LPM2);}   //使單片機(jī)進(jìn)入LPM2模式
    delay(3000); }
3 標(biāo)簽測試結(jié)果與分析

 


    標(biāo)簽設(shè)計可根據(jù)需要設(shè)計出兩種天線形式，本次測試設(shè)計出板載天線[4]和外置天線兩種電路板。測試時可將毫安表串聯(lián)于電路中，觀察標(biāo)簽的功耗變化，在不同的功耗下分別進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，外置天線和板載天線都能滿足使用者要求。外置標(biāo)簽通信測試結(jié)果如圖6所示。

      從圖中可以看出，功耗在12.3 mA時，隨著閱讀器與電子標(biāo)簽距離的增加，到達(dá)10 m處通信成功率恒定為100%，此時標(biāo)簽一直處于接收模式；設(shè)置并調(diào)整軟件中相關(guān)參數(shù)使得標(biāo)簽功耗為6 mA左右時，隨著距離的增加，在6 m以內(nèi)通信成功率為100%，大于6 m時通信成功率會有一定的下降，但能保證在90%以上；設(shè)置并調(diào)整軟件相關(guān)參數(shù)使得功耗降低到1.2 mA左右時，隨著距離的增加通信成功率會明顯降低，但在10 m以內(nèi)仍能保證較高的通信成功率，此時功耗已降到最低，通過重復(fù)2～3次識別，其成功率完全能滿足使用需求。
      本文設(shè)計了一種由單片機(jī)控制、以nRF24L01為無線射頻收發(fā)芯片的RFID通信方案，其特點是通信快速和功耗較低。電子標(biāo)簽在不工作情況下，功耗可降到1.2 mA左右。該設(shè)計還適用于多個電子標(biāo)簽場合，閱讀器采用分時向標(biāo)簽發(fā)送指令的方式，每次發(fā)送后應(yīng)再發(fā)送一包指令清理標(biāo)簽自動應(yīng)答緩沖區(qū)(W_ACK_PAYLOAD)，以避免下次出現(xiàn)應(yīng)答錯誤。
      該設(shè)計所研制的樣機(jī)具有功耗低、通信快速、誤碼率低、抗干擾性好、能識別多個標(biāo)簽等特點，能滿足對體積和功耗要求較高的油田開發(fā)設(shè)備的實際使用要求。
參考文獻(xiàn)
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[2] Datasheet for single chip 2.4 GHz transceiver nRF2401[EB/OL].(2003-3)[2003-3].http://pdf.dzsc.com/NRF/NRF2401%20IC.pdf.
[3] 付煒，馬建國.一種有源低功耗微波頻段RFID標(biāo)簽設(shè)計[C].四川省電子學(xué)會半導(dǎo)體與集成技術(shù)專委會2006年度學(xué)術(shù)年會論文集，2006.
[4] 陳華君，林凡，郭東輝，等.RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計[J].廈門大學(xué)學(xué)報，2005，44（B06）：312-315.

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