- 針對有源標簽設計的低功耗問題解決方案

2.2.4 EEPROM

PIC24F16KA102單片機內部有512 B的EEPROM。因此本設計采用單片機內部的EEPROM，以避免外接EEPROM，降低外接EEPROM帶來的功耗（一般在mA級），以及節(jié)省器件，減少電路板的面積，降低成本。

2.2.5 電量檢測

電量檢測采用MCU內部的高低電壓檢測HLVD（High/Low-Voltage Detect）功能，通過編程可以設定產生該中斷的電壓值，這樣既解決了使用A/D檢測電壓沒有內部參考源的問題，又在一定程度上降低了功耗。

3 軟件設計

3.1 發(fā)送數據包的格式

發(fā)送數據包的格式如圖6所示。前導碼用來進行同步，僅在發(fā)送模式下使用；標志位用來進行包識別，9 bit中僅僅用到其中的2 bit，剩余的7 bit保留；數據是要傳送/接收的1 B~32 B寬度的物品識別信息，對于本設計，指的是要檢測的溫濕度以及電池的剩余電量信息；CRC校驗選擇生成多項式為X16+X12+X5+X1的16 bit CRC校驗。

3.2 標簽工作流程

為達到超低功耗的目的，標簽有兩種工作流程：（1）正常的工作流程，檢測出所需的物理量并打包發(fā)送，時間間隔是10 s（在程序中可自行設定）一次，每發(fā)送完一次即進入深度睡眠模式，達到10 s后通過定時器喚醒，喚醒后程序從復位向量處重新執(zhí)行；（2）進入深度休眠狀態(tài)，通過外部中斷0（即INT0，外接nRF24L01的中斷請求IRQ）進行喚醒，喚醒后重新從復位向量處執(zhí)行。標簽主程序流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測試

4.1 功耗測試與估算

首先要通過PIC單片機的集成開發(fā)環(huán)境MPLAB IDE V8.46的軟件仿真器測定單片機在初始化、溫濕度檢測等工作過程分別所需要的時間；其次，用示波器測試nRF24L01在各個工作過程所持續(xù)的時間和所消耗的電流；然后將以上測定的數據，輸入Microchip公司的極低功耗電池壽命估算軟件（Microchip XLP Battery Life Estimator）中，如圖8所示。

標簽壽命的計算是基于平均電流的，即標簽的理論壽命等于電池的容量（mAh）除以標簽消耗的平均電流（mA）。平均電流的定義如下：

需要注意的是，實際壽命的計算要考慮標簽所用電池的自放電率（本設計的軟件給出的估算時間已經考慮了所選電池本身的自放電率）。估算中采用225 mAh的LiMnO2電池，計算得到的電池壽命是2年263天19小時，實際采用的電池是750 mAh的錳鋰電池，通過換算得到使用750 mAh的錳鋰電池的標簽壽命約是9.08年。如果考慮到電池的實際自放電率（比本軟件中給出的稍大些），實際電池壽命會短一些。本計算得到的壽命是讓標簽處在日夜不停的連續(xù)工作狀態(tài)（即每隔10 s檢測出溫濕度和電池電壓然后進行發(fā)送）的壽命，即考慮的是最壞的可能。實際的標簽可能只在一天的某個時間段內工作，不工作時即進入深度休眠狀態(tài)，處理器消耗的功率只在nA級。

4.2 整機測試

調試時使用MCU的串口通信方式將收到的標簽ID、溫濕度及電池電量信息實時顯示在上位機軟件中，當發(fā)送端每10 s發(fā)送一次ID和相關數據時，接收標簽能夠按照既定的時間間隔正確地接收數據并實時顯示在上位機軟件中。經與標準儀器對比，所測溫濕度數據的精度可滿足要求。當軟件中設定發(fā)射功率為0 dBm時，在開闊的試驗場地測試測得通信距離為80 m左右；在封閉樓道內測試的通信距離在30 m~40 m。

有源電子標簽對低功耗性能指標要求極高，因為即使是1 ？滋A的靜態(tài)電流在很長時間內也會消耗較多的電量，所以在硬件選型上應該特別注意這一點。如果需要設計一個低功耗性能突出的系統(tǒng)，在軟硬件方面都需要認真考慮，硬件的低功耗性能至關重要，軟件的低功耗措施也必不可少，尤其是需要長時間工作的系統(tǒng)，利用器件的休眠或待機狀態(tài)能極大地降低系統(tǒng)的功耗。該有源溫濕度傳感標簽已經用在某公司生產車間的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中，并取得了很好的低功耗效果。