基于有源RFID的极低功耗温湿度传感标签的设计

    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[1]，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]。

图一 有源RFID系统原理

    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。

图2 有源温湿度传感标签的结构框图

    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[3]。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[3]，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。

图3 主控模块

    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[4]。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×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。

图4 RF模块

    2.2.3 温湿度检测模块：SHT21S[5]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。

图5 温湿度检测模块

    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。