以低功耗有源RFID為基礎的溫濕度傳感標簽的設計過程詳解

射頻識別技術RFID（Radio Frequency Identification）是通過射頻信號對某個目標的ID進行自動識別得到對象信息，并獲取相關數據的技術。不同于傳統的磁卡和IC卡，RFID技術解決了無源和免接觸兩大問題，同時它可實現運動目標和多目標識別，能夠廣泛應用于各類場合。其突出優(yōu)點是環(huán)境適應性強、能夠穿透非金屬材質、數據存儲量大、抗干擾能力強。根據供電方式的不同，可以將RFID分為兩類：無源RFID和有源RFID。無源RFID工作時，標簽通過讀寫器的電磁場獲得能量，標簽本身不需要電池。有源RFID則恰恰相反，需要提供全部器件工作所需的電源 ，電子標簽需要自備電池。與無源標簽相比，有源RFID溫濕度標簽有著對閱讀器的發(fā)射功率要求低、有效閱讀距離遠的優(yōu)點，因此在冷鏈物流、醫(yī)療系統、倉儲物資管理、疫苗生產物流、衛(wèi)生防疫系統、科研機構等方面有著十分廣泛的應用。但有源RFID溫濕度傳感標簽對使用壽命、可靠性、體積等方面有較高的要求。因此，設計一個壽命長、可靠性高、體積小的有源RFID溫濕度傳感標簽在國民生活中有著十分重要的意義。本文主要解決了有源標簽設計的低功耗問題。

1 有源RFID系統組成及工作原理

有源RFID系統由有源標簽、閱讀器和應用系統三部分組成，如圖1所示。有源標簽具有唯一的身份識別碼（即ID），一些有源標簽內部還集成了傳感器，用于對特定物理量的測量。在閱讀器的有效工作范圍內，電子標簽主動地將自己的ID和所測得的物理量以電磁波的形式發(fā)送給閱讀器，閱讀器將相關信息存儲在自己的存儲設備中，存儲在閱讀器中的數據可以通過以太網口、RS-232、USB等通信接口傳送給應用系統，以便對數據進行進一步處理 。

2 有源溫濕度傳感標簽的結構

2.1 結構

本文所設計的有源溫濕度傳感標簽的結構框圖如圖2所示。有源標簽的核心是一個微控制器（MCU），射頻模塊通過天線進行射頻信號的收/發(fā)；EEPROM存儲標簽的身份識別碼以及物品的屬性等信息；溫度檢測和濕度檢測分別用來檢測標簽所處環(huán)境的溫度和濕度，為簡化設計，可以使用集溫濕度檢測于一體的芯片；電量檢測模塊通過檢測電池的電壓，并根據電池電量和電壓的對照關系，間接地檢測出電池的剩余電量；電池為各個模塊的正常工作提供電源。

2.2 總體電路

2.2.1 主控模塊

主控模塊采用Microchip公司型號為PIC24F16KA102的16 bit超低功耗單片機。該系列的MCU采用nanoWatt XLP（eXtreme Low Power）極低功耗技術，其典型休眠電流可以低至20 nA，實時時鐘電流低至490 nA，看門狗定時器電流低至370 nA 。MCU可連續(xù)運行20年以上而無需更換電池，成為業(yè)界8 bit和16 bit MCU中低功耗性能最突出的MCU。該單片機具有SPI、I2C、UART、9個模擬輸入通道、3個16 bit定時器/計數器、3個外部中斷 ，完全可以滿足有源標簽的需求。MCU與標簽通過SPI接口進行串行通信，如圖3所示。圖3中的J1是PIC 24F16KA102單片機用于下載和調試程序所用的ICSP接口。

2.2.2 射頻收發(fā)模塊

nRF24L01是一款工作在2.4 GHz~2.5 GHz世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。nRF24L01主要由調制/解調器、CRC編碼/解碼器、GFSK濾波器、中頻帶通濾波器、功率放大器、低噪聲放大器（LNA）、先進先出緩沖器（FIFO）組成 。通過SPI接口與MCU進行通信，其電路圖如圖4所示。nRF24LOT射頻收發(fā)芯片有以下優(yōu)點：

（1）具有125個可選工作頻道，可用于跳頻工作方式，能夠有效地降低周圍環(huán)境的干擾。

（2）采用QFN20封裝面積僅為4 mm×4 mm，占用較小的PCB面積。

（3）低功耗。當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時，電流消耗為9.0 mA，接收模式時為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。

（4）具有自動應答和自動重發(fā)功能。

（5）較高的數據傳輸速率。處于ShockBurstTM模式時為1 Mb/s，處于增強型ShockBurstTM模式時為2 Mb/s。

2.2.3 溫濕度檢測模塊

SHT21S 是瑞士Sensirion公司的溫濕度傳感器，體積小、功耗低、穩(wěn)定性好。該溫濕度傳感器在25℃時的溫度測量精度為±0.3℃，溫度響應時間為5 s~30 s（τ63%）；濕度測量精度為±2.0% RH，濕度響應時間為8 s（τ63%）。該芯片通過SDM接口與MCU進行通信。溫濕度的測量通過SCL（3腳）來選擇，當SCL輸入高電平時進行濕度的測量；SCL為低電平時進行溫度的測量。也可以在SDA引腳外接一個低通RC濾波器將SDM信號轉換為模擬電壓輸出。溫濕度檢測模塊如圖5所示。

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，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，利用器件的休眠或待機狀態(tài)能極大地降低系統的功耗。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)測系統中，并取得了很好的低功耗效果。