有源RFID系统组成及工作原理

射频识别技术 RFID（Radio Frequency IdentificaTIon）是通过射频信号对某个目标的 ID 进行自动识别得到对象信息，并获取相关数据的技术。不同于传统的磁卡和 IC 卡，RFID 技术解决了无源和免接触两大问题，同时它可实现运动目标和多目标识别，能够广泛应用于各类场合。其突出优点是环境适应性强、能够穿透非金属材质、数据存储量大、抗干扰能力强。根据供电方式的不同，可以将 RFID 分为两类：无源 RFID 和有源 RFID。无源 RFID 工作时，标签通过读写器的电磁场获得能量，标签本身不需要电池。有源 RFID 则恰恰相反，需要提供全部器件工作所需的电源 ，电子标签需要自备电池。与无源标签相比，有源 RFID 温湿度标签有着对阅读器的发射功率要求低、有效阅读距离远的优点，因此在冷链物流、医疗系统、仓储物资管理、疫苗生产物流、卫生防疫系统、科研机构等方面有着十分广泛的应用。但有源 RFID 温湿度传感标签对使用寿命、可靠性、体积等方面有较高的要求。因此，设计一个寿命长、可靠性高、体积小的有源 RFID 温湿度传感标签在国民生活中有着十分重要的意义。本文主要解决了有源标签设计的低功耗问题。

1 有源 RFID 系统组成及工作原理

有源 RFID 系统由有源标签、阅读器和应用系统三部分组成，如图 1 所示。有源标签具有唯一的身份识别码（即 ID），一些有源标签内部还集成了传感器，用于对特定物理量的测量。在阅读器的有效工作范围内，电子标签主动地将自己的 ID 和所测得的物理量以电磁波的形式发送给阅读器，阅读器将相关信息存储在自己的存储设备中，存储在阅读器中的数据可以通过以太网口、RS-232、USB 等通信接口传送给应用系统，以便对数据进行进一步处理 。

2 有源温湿度传感标签的结构
2.1 结构

本文所设计的有源温湿度传感标签的结构框图如图 2 所示。有源标签的核心是一个微控制器（MCU），射频模块通过天线进行射频信号的收 / 发；EEPROM 存储标签的身份识别码以及物品的属性等信息；温度检测和湿度检测分别用来检测标签所处环境的温度和湿度，为简化设计，可以使用集温湿度检测于一体的芯片；电量检测模块通过检测电池的电压，并根据电池电量和电压的对照关系，间接地检测出电池的剩余电量；电池为各个模块的正常工作提供电源。

2.2 总体电路

2.2.1 主控模块

主控模块采用 Microchip 公司型号为 PIC24F16KA102 的 16 bit 超低功耗单片机。该系列的 MCU 采用 nanoWatt XLP（eXtreme Low Power）极低功耗技术，其典型休眠电流可以低至 20 nA，实时时钟电流低至 490 nA，看门狗定时器电流低至 370 nA 。MCU 可连续运行 20 年以上而无需更换电池，成为业界 8 bit 和 16 bit MCU 中低功耗性能最突出的 MCU。该单片机具有 SPI、I2C、UART、9 个模拟输入通道、3 个 16 bit 定时器 / 计数器、3 个外部中断 ，完全可以满足有源标签的需求。MCU 与标签通过 SPI 接口进行串行通信，如图 3 所示。图 3 中的 J1 是 PIC 24F16KA102 单片机用于下载和调试程序所用的 ICSP 接口。

2.2.2 射频收发模块

nRF24L01 是一款工作在 2.4 GHz~2.5 GHz 世界通用 ISM 频段的单片无线收发器芯片。nRF24L01 主要由调制 / 解调器、CRC 编码 / 解码器、GFSK 滤波器、中频带通滤波器、功率放大器、低噪声放大器（LNA）、先进先出缓冲器（FIFO）组成 。通过 SPI 接口与 MCU 进行通信，其电路图如图 4 所示。nRF24LOT 射频收发芯片有以下优点：

（1）具有 125 个可选工作频道，可用于跳频工作方式，能够有效地降低周围环境的干扰。

（2）采用 QFN20 封装面积仅为 4 mm&TImes;4 mm，占用较小的 PCB 面积。

（3）低功耗。当工作在发射模式下发射功率为 -6 dBm 时，电流消耗为 9.0 mA，接收模式时为 12.3 mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

（4）具有自动应答和自动重发功能。

（5）较高的数据传输速率。处于 ShockBurstTM 模式时为 1 Mb/s，处于增强型 ShockBurstTM 模式时为 2 Mb/s。

2.2.3 温湿度检测模块

SHT21S 是瑞士 Sensirion 公司的温湿度传感器，体积小、功耗低、稳定性好。该温湿度传感器在 25℃时的温度测量精度为±0.3℃，温度响应时间为 5 s~30 s（τ63%）；湿度测量精度为±2.0% RH，湿度响应时间为 8 s（τ63%）。该芯片通过 SDM 接口与 MCU 进行通信。温湿度的测量通过 SCL（3 脚）来选择，当 SCL 输入高电平时进行湿度的测量；SCL 为低电平时进行温度的测量。也可以在 SDA 引脚外接一个低通 RC 滤波器将 SDM 信号转换为模拟电压输出。温湿度检测模块如图 5 所示。

2.2.4 EEPROM

PIC24F16KA102 单片机内部有 512 B 的 EEPROM。因此本设计采用单片机内部的 EEPROM，以避免外接 EEPROM，降低外接 EEPROM 带来的功耗（一般在 mA 级），以及节省器件，减少电路板的面积，降低成本。

2.2.5 电量检测

电量检测采用 MCU 内部的高低电压检测 HLVD（High/Low-Voltage Detect）功能，通过编程可以设定产生该中断的电压值，这样既解决了使用 A/D 检测电压没有内部参考源的问题，又在一定程度上降低了功耗。

3 软件设计
3.1 发送数据包的格式

发送数据包的格式如图 6 所示。前导码用来进行同步，仅在发送模式下使用；标志位用来进行包识别，9 bit 中仅仅用到其中的 2 bit，剩余的 7 bit 保留；数据是要传送 / 接收的 1 B~32 B 宽度的物品识别信息，对于本设计，指的是要检测的温湿度以及电池的剩余电量信息；CRC 校验选择生成多项式为 X16+X12+X5+X1 的 16 bit CRC 校验。

3.2 标签工作流程

为达到超低功耗的目的，标签有两种工作流程：（1）正常的工作流程，检测出所需的物理量并打包发送，时间间隔是 10 s（在程序中可自行设定）一次，每发送完一次即进入深度睡眠模式，达到 10 s 后通过定时器唤醒，唤醒后程序从复位向量处重新执行；（2）进入深度休眠状态，通过外部中断 0（即 INT0，外接 nRF24L01 的中断请求 IRQ）进行唤醒，唤醒后重新从复位向量处执行。标签主程序流程图如图 7 所示。

4 系统测试
4.1 功耗测试与估算

首先要通过 PIC 单片机的集成开发环境 MPLAB IDE V8.46 的软件仿真器测定单片机在初始化、温湿度检测等工作过程分别所需要的时间；其次，用示波器测试 nRF24L01 在各个工作过程所持续的时间和所消耗的电流；然后将以上测定的数据，输入 Microchip 公司的极低功耗电池寿命估算软件（Microchip XLP Battery Life EsTImator）中，如图 8 所示。

标签寿命的计算是基于平均电流的，即标签的理论寿命等于电池的容量（mAh）除以标签消耗的平均电流（mA）。平均电流的定义如下：

需要注意的是，实际寿命的计算要考虑标签所用电池的自放电率（本设计的软件给出的估算时间已经考虑了所选电池本身的自放电率）。估算中采用 225 mAh 的 LiMnO2 电池，计算得到的电池寿命是 2 年 263 天 19 小时，实际采用的电池是 750 mAh 的锰锂电池，通过换算得到使用 750 mAh 的锰锂电池的标签寿命约是 9.08 年。如果考虑到电池的实际自放电率（比本软件中给出的稍大些），实际电池寿命会短一些。本计算得到的寿命是让标签处在日夜不停的连续工作状态（即每隔 10 s 检测出温湿度和电池电压然后进行发送）的寿命，即考虑的是最坏的可能。实际的标签可能只在一天的某个时间段内工作，不工作时即进入深度休眠状态，处理器消耗的功率只在 nA 级。

4.2 整机测试

调试时使用 MCU 的串口通信方式将收到的标签 ID、温湿度及电池电量信息实时显示在上位机软件中，当发送端每 10 s 发送一次 ID 和相关数据时，接收标签能够按照既定的时间间隔正确地接收数据并实时显示在上位机软件中。经与标准仪器对比，所测温湿度数据的精度可满足要求。

当软件中设定发射功率为 0 dBm 时，在开阔的试验场地测试测得通信距离为 80 m 左右；在封闭楼道内测试的通信距离在 30 m~40 m。

有源电子标签对低功耗性能指标要求极高，因为即使是 1 ？滋 A 的静态电流在很长时间内也会消耗较多的电量，所以在硬件选型上应该特别注意这一点。如果需要设计一个低功耗性能突出的系统，在软硬件方面都需要认真考虑，硬件的低功耗性能至关重要，软件的低功耗措施也必不可少，尤其是需要长时间工作的系统，利用器件的休眠或待机状态能极大地降低系统的功耗。该有源温湿度传感标签已经用在某公司生产车间的温湿度监测系统中，并取得了很好的低功耗效果。