針對有源標簽設(shè)計的低功耗問題解決方案

射頻識別技術(shù)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(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的磁卡和IC卡，RFID技術(shù)解決了無源和免接觸兩大問題，同時它可實現(xiàn)運動目標和多目標識別，能夠廣泛應(yīng)用于各類場合。其突出優(yōu)點是環(huán)境適應(yīng)性強、能夠穿透非金屬材質(zhì)、數(shù)據(jù)存儲量大、抗干擾能力強。根據(jù)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［1］，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(tǒng)、倉儲物資管理、疫苗生產(chǎn)物流、衛(wèi)生防疫系統(tǒng)、科研機構(gòu)等方面有著十分廣泛的應(yīng)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(shè)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(shè)計的低功耗問題。

1 有源RFID系統(tǒng)組成及工作原理

有源RFID系統(tǒng)由有源標簽、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)，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(guān)信息存儲在自己的存儲設(shè)備中，存儲在閱讀器中的數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)口、RS-232、USB等通信接口傳送給應(yīng)用系統(tǒng)，以便對數(shù)據(jù)進行進一步處理［2］。

2 有源溫濕度傳感標簽的結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的有源溫濕度傳感標簽的結(jié)構(gòu)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(shè)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(jù)電池電量和電壓的對照關(guān)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(shù)，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［3］。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(shù)器、3個外部中斷［3］，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(diào)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(diào)制/解調(diào)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［4］。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(yīng)答和自動重發(fā)功能。

（5）較高的數(shù)據(jù)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［5］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(yīng)時間為5 s~30 s（τ63%）；濕度測量精度為±2.0% RH，濕度響應(yīng)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(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。溫濕度檢測模塊如圖5所示。