基于MSP430F2012和nRF24L01低功耗RFID定位設計方案

　　射頻識別（RFID）技術(shù)是采用無(wú)線(xiàn)射頻的方式實(shí)現雙向數據交換并識別身份，RFID定位正是利用了這一識別特性，利用閱讀器和標簽之間的通信信號強度等參數進(jìn)行空間的定位。

　　RFID標簽按供電方式分為有源和無(wú)源2種［1］，無(wú)源標簽通過(guò)捕獲閱讀器發(fā)射的電磁波獲取能量，具有成本低、尺寸小的優(yōu)勢；有源標簽通常采用電池供電，具有通信距離遠、讀取速度快、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)［2］，但為了滿(mǎn)足煤礦井下定位，需要考慮低功耗設計以增強電池的續航能力。本文從有源標簽的設計理念出發(fā)，針對小范圍空間RFID定位的需求，根據低功耗、高效率的原則進(jìn)行RFID標簽的設計，并闡述了其硬件組成、軟件流程和防沖突能力。

　　2.系統硬件設計

　　2.1 系統結構

　　有源標簽在設計中除了需要考慮低成本、小型化之外，最重要的是要采取低功耗設計。

　　RFID標簽從整體結構上看，通常包括2個(gè)部分：控制端和射頻端，因此在選擇控制芯片和射頻芯片時(shí)需要優(yōu)先考慮其低功耗性能。本文在此基礎上選擇了 MSP430F2012控制芯片和nRF24L01射頻芯片；天線(xiàn)則選用了Nordic公司的PCB單端天線(xiàn)；標簽采用3V-500mAh紐扣電池供電。系統工作在2.4GHz頻段。系統結構框圖如圖1所示。

　　2.2 芯片選擇及低功耗設計

　　TI推出的MSP430系列單片機是16位Flash型RISC指令集單片機［3］，以超低功耗聞名業(yè)界。

　　MSP430F2012芯片工作電壓僅為1.8~3.6V，掉電工作模式下消耗電流為0.1μA，等待工作模式下消耗電流僅為0.5μA.本設計中，MSP430F2012被長(cháng)時(shí)間置于等待工作模式，通過(guò)中斷喚醒的方式使其短暫進(jìn)入工作狀態(tài)，以節省電能。MSP430F2012具有3組獨立的時(shí)鐘源：片內VLO、片外晶振、DCO.其中，片外時(shí)鐘基于外部晶振；DCO由片內產(chǎn)生，且頻率可調。顯然，主系統時(shí)鐘頻率的高低決定著(zhù)系統的功耗，尤其是選擇了高速片外晶振的情況下，因此，MSP430F2012提供了在不同時(shí)鐘源間進(jìn)行切換的功能。在實(shí)際設計中，通過(guò)實(shí)時(shí)重新配置基礎時(shí)鐘控制寄存器以實(shí)現主系統時(shí)鐘和輔助系統時(shí)鐘間的切換，既不失性能，又節約了能耗。

　　MSP430F2012具有LPM0~LPM4五種低功耗模式，合理的利用這五種預設的模式是降低MCU功耗的關(guān)鍵，本設計中，MSP430F2012 在上電配置完畢后將直接進(jìn)入LPM3模式，同時(shí)開(kāi)啟中斷，等待外部中斷信號。此外，由于MSP430F2012是一款多功能通用單片機，片內集成了較多功能模塊，在上電配置時(shí)即停止所有不使用的功能模塊也能起到降低系統功耗的目的。

　　nRF24L01是Nordic公司開(kāi)發(fā)的2.4GHz超低功耗單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，芯片有125個(gè)頻點(diǎn)，可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信，最大傳輸速率可達2Mbps，工作電壓為1.9~3.6V［4］。為了凸顯其低功耗性能，芯片預置了兩種待機模式和一種掉電模式。更值得一提的是nRF24L01的 ShockBurstTM模式及增強型ShockBurstTM模式［4］，真正實(shí)現了低速進(jìn)高速出，即MCU將數據低速送入nRF24L01片內 FIFO，卻以1Mbps或2Mbps高速發(fā)射出去。本設計正是利用了增強型ShockBurstTM模式，使得MSP430F2012即便在 32768Hz低速晶振下也能通過(guò)射頻端高速的將數據發(fā)射出去，既降低了功耗，又提高了效率，增強了系統防沖突和應付移動(dòng)目標能力。

　　2.3 電路設計

　　本系統主要運用于RFID定位方面，除了簡(jiǎn)單的識別外，重點(diǎn)在于閱讀器對標簽信號強度的測量，因此閱讀器與標簽間不會(huì )有大數據量頻繁的讀寫(xiě)操作，在電路設計時(shí)可省略片外EEPROM.同時(shí)還可以省去穩壓電路以節省靜態(tài)電流消耗。硬件原理圖如圖2所示。

　　3.系統軟件設計

　　3.1 軟件流程

　　本系統屬于雙向通信系統，標簽在發(fā)送數據前處于監聽(tīng)狀態(tài)，nRF24L01的接收功能被打開(kāi)，同時(shí)MSP430F2012處于LPM3模式，直至接收到閱讀器廣播的“開(kāi)始”指令，并通過(guò)中斷將MSP430F2012喚醒。MSP430F2012被中斷喚醒后開(kāi)始判斷指令是否正確，如果正確則進(jìn)入正常發(fā)送周期，否則返回LPM3模式。

　　考慮到實(shí)時(shí)定位的需要，系統不能像一般的RFID標簽那樣僅僅進(jìn)行有限次驗證，本系統采用等間隔持續發(fā)送的模式，便于閱讀器實(shí)時(shí)監測目標位置，系統設定的正常發(fā)送周期為500ms，由MSP430F2012的Timer_A定時(shí)，500ms定時(shí)開(kāi)始后，標簽ID通過(guò)SPI發(fā)送到 FIFO，nRF24L01采用了增強型ShockBurstTM模式，發(fā)送失敗則會(huì )繼續重發(fā)，標簽ID發(fā)送完畢后，MSP430F2012判斷定時(shí)器是否超時(shí)，一旦超時(shí)則進(jìn)入下個(gè)發(fā)送周期，否則處于等待狀態(tài)直至超時(shí)。當閱讀器停止廣播“開(kāi)始”指令，MSP430F2012重新進(jìn)入LPM3模式以降低功耗。

　　系統完整流程如圖3所示。

　　3.2 防沖突設計

　　nRF24L01自帶載波檢測功能，在發(fā)送數據前先轉入接收模式進(jìn)行監聽(tīng)，確認要傳輸的頻率通道未被占用才發(fā)送數據，利用此功能可實(shí)現簡(jiǎn)單的硬件防沖突。

　　考慮到本系統采用了500ms的統一發(fā)送間隔，在被定位目標眾多的場(chǎng)合有可能發(fā)生識別沖突，因此需要在程序中合理的增加防沖突算法。ALOHA算法主要用于有源標簽，其原理就是，一旦信源發(fā)生數據包碰撞，就讓信源隨機延時(shí)后再次發(fā)送數據?？紤]到程序的復雜性勢必引起處理時(shí)間的增加，也會(huì )帶來(lái)額外的能耗，本系統采用了較為簡(jiǎn)單的純ALOHA算法，即在每個(gè)500ms計時(shí)周期內隨機發(fā)送標簽ID，這就需要在程序中插入一個(gè)隨機延時(shí)，延時(shí)時(shí)長(cháng)的選擇通過(guò)一個(gè)隨機值函數來(lái)實(shí)現，隨機延時(shí)范圍為0~300ms.這種簡(jiǎn)單的防沖突算法既簡(jiǎn)化了指令，又能大幅降低沖突概率。

　　另外，n R F 2 4 L 0 1傳輸速率為1 M b p s或2Mbps，單次發(fā)送一個(gè)數據包，單個(gè)數據包最大32bytes，假設標簽ID為32bytes，以2Mbps速率發(fā)送一次ID的信號寬度（傳輸時(shí)間）約為100~150μs，相對于500ms的整個(gè)定時(shí)周期而言微乎其微，但仍有可能出現發(fā)送飽和的狀態(tài)，這時(shí)可以適當的延長(cháng)計時(shí)周期以增加信道容量。較快的傳輸速率有助于移動(dòng)目標的識別和定位，而較短的數據長(cháng)度也能顯著(zhù)提高標簽基于隨機延時(shí)的防沖突能力，因此盡可能將標簽ID的長(cháng)度限制在 32bytes以?xún)取?/p>

　　4.測試結果

　　對于RFID系統而言，最重要的參數就是讀取距離［5］和有效讀取率。本次實(shí)驗測試設備為標簽3枚，閱讀器一臺，PC一臺，閱讀器基于 MSP430F149和nRF24L01芯片設計，并通過(guò)RS232串口與PC進(jìn)行通信。測試中，分別將3枚標簽置于距離閱讀器15m、30m、45m 處，便簽ID分別為AABBCCDDFFFFFF01、AABBCCDDFFFFFF02、AABBCCDDFFFFFF03，每枚標簽進(jìn)行一小時(shí)（約 7200次）連續讀取測試。

　　從表1測試結果看，30m以?xún)葹闃撕炚Ｗx取距離，可滿(mǎn)足一般的室內應用，距離為45m 時(shí)讀取率則顯著(zhù)下降。由于天線(xiàn)的設計對系統性能有較大影響［6］，通過(guò)改進(jìn)標簽的天線(xiàn)以獲取較大輸出功率，改進(jìn)閱讀器端天線(xiàn)接收靈敏度也能顯著(zhù)提高系統性能。

　　5.結束語(yǔ)

　　本文對基于MSP430F2012和nRF24L01的有源RFID標簽的設計進(jìn)行了詳細的介紹。對2款芯片的低功耗性能進(jìn)行了分析并提出了自己的低功耗設計方案；結合了RFID定位的特點(diǎn)，介紹了有別于一般以識別為主要目的的標簽的設計方法，分析了其軟件設計流程；針對一般空間內被識別目標眾多且常處于移動(dòng)狀態(tài)的特點(diǎn)，介紹了系統的防沖突能力。整個(gè)系統電路簡(jiǎn)單，尺寸小，功耗低，通過(guò)良好匹配的天線(xiàn)通信距離可達幾十米，可以滿(mǎn)足煤礦行業(yè)井下一般小范圍空間內的定位需求。