在2.45 G無線通信中，目前可以采用的成熟且有統(tǒng)一協(xié)議標準的應(yīng)用領(lǐng)域有ZigBee、藍牙等。但也有采用封閉協(xié)議通信的2.45 G無線技術(shù)，如無線鼠標、2.45 G有源RFID讀寫器等。它們大多使用Nordic Semiconductor公司的nRF24L01芯片，各個廠家可以根據(jù)自己的需求制定自己的通信協(xié)議[1-2]。雖然藍牙、ZigBee都是標準協(xié)議,但它們協(xié)議復雜、開發(fā)難度大，而非標準無線射頻協(xié)議具有低功耗、低成本、易開發(fā)等優(yōu)點。

    基于nRF24L01的有源電子標簽在物體識別、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。但有些場合要求電子標簽不能隨意拆卸，一旦拆卸必須通知管理人員。在這種場合，標簽發(fā)送的正常數(shù)據(jù)包與異常數(shù)據(jù)包在傳輸過程中要有不同的競爭級別；合法人員和非法人員對標簽操作時的報警機制要有所不同。
    本文基于上述問題，對只讀型有源電子標簽的低功耗、防拆卸和防碰撞等功能進行了討論。
1 防拆卸標簽整體設(shè)計
    文中電子標簽由電源、主控模塊、射頻模塊和防拆開關(guān)4部分組成。電源模塊給整個電子標簽供電。由于電子標簽要求體積小和攜帶方便，因此可以采用紐扣電池供電。主控模塊和射頻模塊一起實現(xiàn)標簽與讀卡器的通信。防拆卸有源電子標簽結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

    圖1中，當電子標簽固定于監(jiān)測物體時，防拆開關(guān)處于閉合狀態(tài)。此時主控模塊控制射頻模塊向讀卡器發(fā)送正確信息。一旦標簽與物體非法分離，就改變了標簽與物體的狀態(tài)，使射頻模塊將這個異常信息發(fā)給讀卡器。
2 主控芯片與射頻芯片的選則
    本文采用nRF24L01作為射頻芯片，該芯片內(nèi)置頻率發(fā)生器、功率放大器、調(diào)制器和解調(diào)器等功能模塊，可使電路設(shè)計簡單。同時，nRF24L01具有極低的電流消耗，芯片工作在接收模式時的電流僅為12.3 mA，0 dBm功率發(fā)射為11.3 mA，掉電模式僅為900 nA[3]。
    nRF24L01芯片與主控芯片采用SPI串行接口進行通信。主控制芯片可以使用GPIO模擬SPI接口工作時序或者SPI控制器兩種方式來控制射頻芯片。GPIO模擬SPI接口的方式會導致比較多的時間耗費在模擬SPI接口的時序上, 訪問效率比較低。但本文電子標簽功能單一，發(fā)送信息間隔比較長，這種工作方式可以滿足實際的應(yīng)用。因此，選擇價格相對低且不帶SPI控制器的MSP430F2121單片機作為主控芯片。該芯片內(nèi)帶Flash存儲功能，工作電壓在1.8 V～3.6 V之間。實時運行模式下，若工作頻率為1 MHz，電壓為2.2 V，則芯片的工作電流為250 μA；而在待機模式的電流只有0.7 μA。
3 拆卸檢測電路設(shè)計
    如圖2所示，拆卸檢測電路在硬件中是通過防拆開關(guān)SW1來實現(xiàn)的。當開關(guān)與物體固定時，開關(guān)處于按下狀態(tài)，此時開關(guān)接地，從而MSP430F2121的P2.2管腳輸入為低電平；當開關(guān)與物體分離時，開關(guān)彈起，P2.2輸入為高電平。因此，在開關(guān)彈開時刻，P2.2管腳會有一個由低電平到高電平的上升沿。當MSP430F2121檢測到這個變化時，則進行中斷處理。MSP430F2121的其他引腳主要用于與JTAG下載器進行調(diào)試。

4 射頻模塊電路設(shè)計
    本文射頻模塊電路主要由nRF24L01、天線、晶振電路組成，如圖3所示。MSP430F212采用GPI0模擬SPI接口的方式與nRF24L01通信。其中，標簽的天線基于1/4波長單端PCB印制天線理論設(shè)計，也可以利用AppCAD軟件所提供的微帶線模型進行計算[4]。射頻模塊PCB的設(shè)計對標簽的整體性能有很大的影響，在PCB設(shè)計時，必須考慮到各種電磁干擾問題，注意調(diào)整電阻、電容和電感的位置，直流電源及電源濾波電容要盡量靠近nRF24L01的VCC引腳。

5 電子標簽軟件設(shè)計
    除了上述的硬件電路，標簽的軟件設(shè)計對整體的性能也有很大的影響。本文的電子標簽軟件的主要功能為：系統(tǒng)低功耗控制、防拆開關(guān)狀態(tài)檢測和電子標簽防碰撞算法，具體如圖4所示。

5.1 軟件低功耗控制
    系統(tǒng)初始化后，MSP430F2121進入低功耗模式，定時器中斷或開關(guān)觸發(fā)的外部中斷將它喚醒。為了降低能耗，nRF24L01工作模式在掉電模式、待機模式I和發(fā)射模式之間進行變換。在寄存器設(shè)置時，使其進入待機模式I，此時芯片內(nèi)部振蕩器停振，射頻收發(fā)單元停止工作。發(fā)送信息時，芯片工作在發(fā)送模式，而在其他空閑時間則使芯片進入低功耗模式(待機模式I)。當nRF24L01進入掉電模式時，芯片內(nèi)部的各功能模塊關(guān)閉，保持最小電流消耗。nRF24L01初始化后，把配置寄存器中的電源模式位(PWR_UP)置為1，接收模式位(PRIM_RX)設(shè)置為0，最后通過設(shè)置信號線CE為高電平且保持在10 μs以上即可使nRF24L01進入發(fā)送模式。在完成一次數(shù)據(jù)的發(fā)送過程中，處于發(fā)射模式的時間不會超過4 ms[3]。因此，在標簽發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，只有在非常短的時間內(nèi)電流的數(shù)量級會達到毫安級別，而其他時間則處于低功耗狀態(tài)，電流為微安級別。
5.2 防碰撞算法實現(xiàn)
    nRF24L01有125個頻點，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點、點對多點的無線通信。在接收模式下有6個數(shù)據(jù)通道可供選擇(如圖5所示)，而每個數(shù)據(jù)通道作為RF信道中一個邏輯通道，都有自己的地址。因此，可以將電子標簽發(fā)送數(shù)據(jù)包的地址設(shè)置為讀卡器6個數(shù)據(jù)通道中的某個未被使用的通道地址，從而實現(xiàn)一個讀卡器可以接收6個電子標簽的數(shù)據(jù)。但實際應(yīng)用中，標簽個數(shù)遠大于6，因此要采用防碰撞算法來解決數(shù)據(jù)沖突。

    nRF24L01自身有一定的防碰撞能力。當nRF24L01設(shè)置為接收模式時，其內(nèi)部基帶協(xié)議引擎會不停地搜索6個通道中合法的數(shù)據(jù)包。但每次只有一個數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)包被接收處理。
    此外，一旦防拆開關(guān)彈起，要盡快地將這個異常發(fā)送給讀卡器。因此可以為攜帶異常狀態(tài)的數(shù)據(jù)包預(yù)留一個或兩個數(shù)據(jù)通道。而如果沒有發(fā)生異常，則把數(shù)據(jù)包發(fā)往事先規(guī)定的通道。這樣就避免了攜帶異常狀態(tài)的數(shù)據(jù)包與正常狀態(tài)的數(shù)據(jù)互相競爭數(shù)據(jù)通道，從而使讀卡器能夠快速地處理異常數(shù)據(jù)包。
    如果每個標簽采用固定的時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)生碰撞的可能性仍然很大。因此可以利用隨機數(shù)生成函數(shù)產(chǎn)生一個在(N1，N2)之間的隨機數(shù)，把這個隨機數(shù)給定時計數(shù)器賦值，使得定時器的定時間隔在(T1，T2)之間[5-6]。若增大T2-T1，則發(fā)生碰撞的概率減小。
5.3 防拆開關(guān)狀態(tài)檢測
    nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)域長度為0～32 B，可以根據(jù)實際需要對其進行設(shè)置。本文將數(shù)據(jù)包的長度設(shè)置為5 B，其中4 B用于存放標簽的唯一ID號，1 B用于放置標簽的狀態(tài)。正常情況下，將代表標簽與物體未分離的狀態(tài)寫入數(shù)據(jù)域。一旦標簽與物體分離，則把異常狀態(tài)寫入數(shù)據(jù)域，并且將數(shù)據(jù)包立即發(fā)送出去。當中斷函數(shù)結(jié)束后，在每次發(fā)送過程中，主函數(shù)通過檢測P2.2管腳的高低電平來修改標簽與物體的狀態(tài)。為了準確判斷防拆開關(guān)是否彈起，可以在兩次檢測之間加入適當?shù)难訒r以消除抖動帶來的誤判。讀卡器收到標簽發(fā)送的信息后，提取其中的標志域，即可實時了解標簽與物體的狀態(tài)。
    另外，考慮一種特殊情況：如果某些非法人員將標簽與物體強行拆開后，把標簽的開關(guān)又重新閉合。這樣讀卡器在讀到幾個非法狀態(tài)后，又會馬上誤以為標簽與物體仍然正常。由于非法狀態(tài)的時間比較短，監(jiān)測人員可能沒有覺察到，但是標簽所跟蹤的物體已經(jīng)被盜了。
    對于上面的問題，可以通過設(shè)計讀卡器對標簽狀態(tài)的檢測機制來解決。一旦讀卡器識別到標簽的非法狀態(tài)，就對這個標簽的ID號進行記錄。此后，讀卡器在讀到這個標簽的N次范圍內(nèi)，不管這個標簽數(shù)據(jù)包中的狀態(tài)域代表哪種情況，讀卡器都認為是非法狀態(tài)。當合法人員對標簽進行操作時可以將N設(shè)置為0，而在正常跟蹤監(jiān)測時，將N設(shè)置為一個比較大的數(shù)，一旦有非法狀態(tài)，有足夠的報警時間。
6 電子標簽防拆卸功能測試
    測試時讀卡器采用1.5 dBi棒狀天線與電子標簽通信，識別距離可以達到100 m。采用增益更大的天線，使得讀取距離更遠，可以滿足實時監(jiān)控或查詢管理戶外物品的應(yīng)用。同時規(guī)定，數(shù)據(jù)包狀態(tài)標志為1表示標簽固定在所監(jiān)測的物體上，狀態(tài)標志為82表示標簽與物體分離。改變標簽中的開關(guān)狀態(tài)，讀卡器接收到的標簽發(fā)送數(shù)據(jù)包中ID號和狀態(tài)標志位如圖6所示。其中圖6(b)是標簽與物體分離時讀卡器數(shù)據(jù)接收界面的實驗截圖，圖中可以發(fā)現(xiàn)此時狀態(tài)位已經(jīng)改變。

    本文設(shè)計的基于nRF24L01射頻芯片的防拆卸只讀型有源電子標簽體積小、功耗低，可以廣泛用于戶外物體監(jiān)測。同時，該電子標簽可擴展性強，若將電子標簽外接一些數(shù)據(jù)采集的傳感器，將采集到的數(shù)據(jù)通過射頻模塊發(fā)送給讀卡器，即可實現(xiàn)電子標簽的無線數(shù)據(jù)采集與傳輸。
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