有源RFID系统中电子标签的设计

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1、2台空调同时出故障而影响岸桥正常作业的情况。 这也正是为什么要保证有足够容量的备用空调的原 因。3台空调轮换运行, 可以使状态不佳的空调在 运行过程中被及时发现并安排维修。 以下是空调系统的管理和维护要点: ( 1)在电气房中的变频器发热量较大, 空调始 终处于制冷状态时, 应当将屏柜内的空调加热器关 闭。空调在制冷时同时除湿, 在南方等湿度较大的 梅雨季节, 可以有效地控制电气房内的湿度, 防止设 备凝露。 ( 2)空调的温度设定适当即可, 不必低于 25 e 。 ( 3)空调室外机的安装位置需注意, 岸桥上安装 位置尽量考虑防止阳光的直射。岸桥处于海边或江 边, 长期风速较高, 会经常出现

2、因风力较大而导致室 外机风扇堵转或反转。这些都是导致空调故障高发 的原因, 所以安装适当的遮阳板和挡风板是必要的。 ( 4)定时安排保养紧固, 定时清洗冷凝器、 蒸发 器、 过滤网、 换热器, 擦除灰尘, 防止散热器堵塞。因 岸桥工作时振动和摇晃较大, 故必须定期对空调接 线和各类安装螺丝进行检查和紧固。 屈人才: 511462 , 广州市南沙经济开发区万倾沙龙穴岛 收稿日期: 2007- 10- 05 有 源 RFID系 统 中 电 子 标 签 的 设 计 武汉理工大学物流工程学院 郑贤忠 曹小华 郑文立 摘 要:重点介绍基于通用低功耗 MSP430F20XX 系列单片机和 nRF24XX系

3、列低功耗射频芯片的有源电子 标签的硬件设计、 低功耗的实现以及防碰撞算法的解决思路。该有源电子标签适用于港口码头环境下的集装箱远 程自动识别, 也可用于车辆出入信息采集与控制以及不停车收费系统等有远距离识别与控制需求的系统。 关键词:有源 RFID; 防碰撞; 低功耗; nRF24L01 Design of Electronic Tags in Active RFID Systems School of LogisticsEngineering ofWuhanUniversity ofTechnology Zheng Xianzhong Cao Xiaohua Zheng wenli Abst

4、ract :This paper focuses on hardware design for the active tagsbased on the low power consumed single chip of M SP430F20XX series and the radio frequency chip of nRF24XX series, and the realization of low power consumption and the algorithm of anti- collision . These kindsof active tags can be used

5、as auto matic identification re motely for containers in the environment of the ter m inals, aswell as the syste m for re mote identification and control such as in the infor mation co- l lection and control for the vehicle transit and the toll gate in the case of vehicle non- stopping . Keywords :A

6、ctive RFI D;anti- collision ; low power consumption; nRF24L01 1 硬件的设计 射频识别 ( RFID)是一种非接触式的自动识别 技术, 它可以通过射频信号自动识别目标并获取所 需数据。有源 RFID系统根据其有源电子标签是否 有接收有效信息功能可分为只读有源 RF I D系统和 可读写有源 RF I D系统, 本文设计的有源电子标签 为只读型电子标签。只读有源 RFID系统如图 1所 示, 阅读器不需要向电子标签供电, 电子标签自带电 池。有源电子标签又称为主动标签, 当电子标签进 入阅读器的工作范围后, 电子标签主动地将存储的 身

7、份识别码 ( UI D)以电磁波的形式传给阅读器。有 源电子标签始终处于激活状态, 在有效识别区域内 和阅读器发射的射频微波相互作用, 具有较远的识 别距离。 图 1 只读有源 RFID系统 有源电子标签主要由控制电路、 射频电路以及 天线和电池组成。有源电子标签设计的难点在于低 功耗和防碰撞算法的实现。由于有源电子标签需要 内置电池给控制电路和射频电路供电, 为了达到延 27 港口装卸 2008年第 2期 (总第 178期 ) 长使用寿命的目的, 它对低功耗要求非常高, 所以控 制芯片和射频芯片的选型至关重要。 本文设计的有源电子标签硬件结构框图见图 2 , 控制芯片选用 T I公司的 MS

8、P430F2XX系列单片 机。MSP430F2XX系列芯片是 T I公司专门针对电 池供电产品设计的芯片, 其功耗较 MSP430F1XX系 列 更 低, 其 最 小 指 令 周 期 为62 .5ns , 是 MSP430F1XX系列的一半, 其原理与使用方法见文 献 1。基础时钟模块与 MSP430F1XX系列不同, 它除了有 LFXT1CLK、 XT2CLK、 DCOCLK之外, 还有 一个片内超低功耗、 12 k H z的低频振荡器 VLOCLK。 MSP430F2XX具有本低、 功耗低、 体积小等优点, 是 有源电子标签设计的首选。本文中的控制芯片选用 MSP430F2012 。 图

9、2 电子标签的硬件结构 目前工作在全球通行的 IS M 2 . 45 GH z频段可 选用的射频芯片有 NORDI C 公司的 nRF24XX系列 射频芯片和 T I的 CC24XX/CC25XX系列射频芯片 等。虽 然CC24XX /CC25XX 系 列 芯 片 功 能 较 nRF24XX系列芯片强大, 但是其功耗相对较高, 而 本文设计的有源电子标签功能需求简单, 仅需存储 一串符合一定通信协议的经过加密的 U I D提供给 阅读器进行识别, 但对功耗要求甚高, 所以选用 nRF24XX系列射频芯片。 nRF24XX系列芯片包括 nRF2401 、 nRF2402 、 nRF24L01 。

10、 nRF24L01是一款 新型单片射频收发器件, 内置频率合成器、 功率放大 器、 晶体振荡器、 调制器等功能模块, 其中输出功率 和通信频道可通过程序进行配置。 nRF24L01功耗 低, 在以 - 6 dBm 的功率发射时, 工作电流也只有 9 mA; 接收时, 工作电流只有 12 . 3 mA, 比 nRF2401/ nRF2402更低。多种低功耗模式 (掉电模式和空闲 模式 、 空闲模 式 ), 使低功 耗设计更 方便。 nRF24L01除了能够实现更低功耗外, 空中传输速度 达到 2Mbps , 有 6个数据通道, 有载波检测 ( CD)功 能。另外由于融合了 Enhanced Sh

11、ockBurst技术, nRF24L01具有自动应答和自动重发等功能, 相较于 nRF2401/nRF2402更适合有源电子标签的设计。 本文设计的 2 . 45 GH z有源电子标签接口简图 见图 3 , 其中 LED发光二极管主要起指示作用, 实际 产品中可以除去。如果程序设计中仅使用片内时 钟, 32 . 768 k H z晶体也可以除去, 这样可以进一步 降低产品的开发成本。 图 3 2 . 45 GH z有源电子标签接口简图 标签小天线属于结构紧凑、 低功率无线传输天 线。本文中的有源电子标签基于 1/4波长单端 PCB 印制天线理论设计 2。天线直接在 PCB板上印制, 便于同射频

12、电路连接, 调试也比较简单, 可以通过改 变天线的长度来让天线达到谐振点。 PCB 板天线 区别于传统单端天线的地方在于它的金属导体是附 着在以 PCB 板为基底的材料上的。它有特殊性, 金 属导体并非处在均匀空气介质中。所以天线长度不 等于 2 . 45GH z的 1/4波长 30 . 2mm, 可以借鉴微带 线的设计方法来计算单端天线的长度。 PCB的设计对 nRF24L01的整体性能影响很 大, 在 PCB设计时, 必须考虑到各种电磁干扰问题, 注意调整电阻、 电容和电感的位置, 特别要注意电容 的位置。电子标签可以设计成双层板, 底层不放置 元件, 地层、 顶层的空余地方都要敷上铜,

13、这些敷铜 通过过孔与底层的地相连。在 PCB中, 可尽量多打 一些通孔, 使顶层和底层的地能够充分接触。直流 电源及电源滤波电容要尽量靠近 nRF24L01的 VDD 引脚。 设计过程中, 为了达到最优化、 高性能, 天线的 设计可以结合史密斯圆图进行阻抗匹配分析, 电子 标签的高频电路设计可以结合 ADS2005射频电路 仿真软件进行分析。电池选用 3 . 3 V额定容量为 550 mAh的 CR2450钮扣电池。 2 软件的设计 目前没有 2 . 45 GH z有源 RFI D 系统的通信协 议标准, 有源电子标签的通信协议设计可以参考 ISO1800- 4和 ISO1800- 7标准。

14、nRF24L01的工 作原理见文献 3。 nRF24L01可 以通 过 SPI 接 口 与控 制 芯 片 MSP430F2012进行数据交换, MSP430F2012没有标 准的 SPI接口, 但是提供了 USI接口与具有 SPI接 口的芯片通信, nRF24L01芯片的配置是通过 CE、 28 PortOperation 20081No12( SerialNo 1178) CSN、MOSI 、 SCK 来 完 成 的,MSP430F2012 与 nRF24L01接口连接见图 3 。本文介绍的有源电子 标签只具有发射功能, 初始化的过程中关闭自动重 发功能, 只采用 P ipe0通道与阅读设备

15、通信, 2个字 节的 CRC校验, 地址宽度为 4个字节, 发射功率为 0 , 空中传输速率为 1Mbps 。 nRF24L01的初始化程 序如下: P5OUT SPI_RW _Reg(WR I TE_REG + CONF I G, 0 xfe); SPI_RW _Reg(WR I TE_REG + EN _AA, 0 x00); SPI_RW _Reg(WR I TE_REG + EN _RXADDR, 0 x01); SPI_RW _Reg(WR I TE_REG +SETUP_AW, 0 x10); void Init_nRF24L01( void) SPI_RW _Reg(WR I T

16、E_REG +SETUP_RETR, 0 x00); SPI_RW _Reg(WR I TE_REG + RF_CH, 0 x10); SPI_RW _Reg(WR I TE_REG + RF_SETUP, 0 x07); SPI_W rite_Buf(WRITE_REG +TX _ADDR, TX _AD - DRESS, TX_ADR_ W IDTH); SPI_RW _Reg(WR I TE_REG + RX _P W _P0, TX_PLOAD _W IDTH); SPI_ W rite_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0 , TX_AD - DRESS, TX_ADR_ W IDTH); P5OUT |= CE; 其中,SPI_RW _Reg( BYTE reg ,BYTE byte); SPI_W rite _Buf( BYTE reg ,BYTE *pBu, fBYTE bytes)函数分别为写字节和写字符串函数。 3 防碰撞算法的实现 RFI D技术的核心之一是防碰撞技术。RFID技 术中常用的防碰撞算法有 ALOHA算法和