2.3電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要運(yùn)用于RFID定位方面，除了簡(jiǎn)單的識(shí)別外，重點(diǎn)在于閱讀器對(duì)標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，因此閱讀器與標(biāo)簽間不會(huì)有大數(shù)據(jù)量頻繁的讀寫操作，在電路設(shè)計(jì)時(shí)可省略片外EEPROM.同時(shí)還可以省去穩(wěn)壓電路以節(jié)省靜態(tài)電流消耗。硬件原理圖如圖2所示。

　　圖2 硬件原理圖

　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1軟件流程

　　本系統(tǒng)屬于雙向通信系統(tǒng)，標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)前處于監(jiān)聽狀態(tài)，nRF24L01的接收功能被打開，同時(shí)MSP430F2012處于LPM3模式，直至接收到閱讀器廣播的“開始”指令，并通過(guò)中斷將MSP430F2012喚醒。MSP430F2012被中斷喚醒后開始判斷指令是否正確，如果正確則進(jìn)入正常發(fā)送周期，否則返回LPM3模式。

　　考慮到實(shí)時(shí)定位的需要，系統(tǒng)不能像一般的RFID標(biāo)簽?zāi)菢觾H僅進(jìn)行有限次驗(yàn)證，本系統(tǒng)采用等間隔持續(xù)發(fā)送的模式，便于閱讀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置，系統(tǒng)設(shè)定的正常發(fā)送周期為500ms，由MSP430F2012的Timer_A定時(shí)，500ms定時(shí)開始后，標(biāo)簽ID通過(guò)SPI發(fā)送到FIFO，nRF24L01 采用了增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，發(fā)送失敗則會(huì)繼續(xù)重發(fā)，標(biāo)簽ID發(fā)送完畢后，MSP430F2012判斷定時(shí)器是否超時(shí)，一旦超時(shí)則進(jìn)入下個(gè)發(fā)送周期，否則處于等待狀態(tài)直至超時(shí)。當(dāng)閱讀器停止廣播“開始”指令，MSP430F2012重新進(jìn)入LPM3模式以降低功耗。

　　系統(tǒng)完整流程如圖3所示。

　　圖3 軟件流程圖

　　3.2防沖突設(shè)計(jì)

　　nRF24L01自帶載波檢測(cè)功能，在發(fā)送數(shù)據(jù)前先轉(zhuǎn)入接收模式進(jìn)行監(jiān)聽，確認(rèn)要傳輸?shù)念l率通道未被占用才發(fā)送數(shù)據(jù)，利用此功能可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的硬件防沖突。

　　考慮到本系統(tǒng)采用了500ms的統(tǒng)一發(fā)送間隔，在被定位目標(biāo)眾多的場(chǎng)合有可能發(fā)生識(shí)別沖突，因此需要在程序中合理的增加防沖突算法。ALOHA算法主要用于有源標(biāo)簽，其原理就是，一旦信源發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞，就讓信源隨機(jī)延時(shí)后再次發(fā)送數(shù)據(jù)。考慮到程序的復(fù)雜性勢(shì)必引起處理時(shí)間的增加，也會(huì)帶來(lái)額外的能耗，本系統(tǒng)采用了較為簡(jiǎn)單的純ALOHA算法，即在每個(gè)500ms計(jì)時(shí)周期內(nèi)隨機(jī)發(fā)送標(biāo)簽ID，這就需要在程序中插入一個(gè)隨機(jī)延時(shí)，延時(shí)時(shí)長(zhǎng)的選擇通過(guò)一個(gè)隨機(jī)值函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨機(jī)延時(shí)范圍為0~300ms.這種簡(jiǎn)單的防沖突算法既簡(jiǎn)化了指令，又能大幅降低沖突概率。

　　另外，n R F 2 4 L 0 1傳輸速率為1 M b p s或2Mbps，單次發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，單個(gè)數(shù)據(jù)包最大32bytes，假設(shè)標(biāo)簽ID為32bytes，以2Mbps速率發(fā)送一次ID的信號(hào)寬度（傳輸時(shí)間）約為100~150μs，相對(duì)于500ms的整個(gè)定時(shí)周期而言微乎其微，但仍有可能出現(xiàn)發(fā)送飽和的狀態(tài)，這時(shí)可以適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)計(jì)時(shí)周期以增加信道容量。較快的傳輸速率有助于移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別和定位，而較短的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也能顯著提高標(biāo)簽基于隨機(jī)延時(shí)的防沖突能力，因此盡可能將標(biāo)簽ID的長(zhǎng)度限制在 32bytes以內(nèi)。

　　4.測(cè)試結(jié)果

　　對(duì)于RFID系統(tǒng)而言，最重要的參數(shù)就是讀取距離［5］和有效讀取率。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備為標(biāo)簽3枚，閱讀器一臺(tái)，PC一臺(tái)，閱讀器基于 MSP430F149和nRF24L01芯片設(shè)計(jì)，并通過(guò)RS232串口與PC進(jìn)行通信。測(cè)試中，分別將3枚標(biāo)簽置于距離閱讀器15m、30m、45m 處，便簽ID分別為AABBCCDDFFFFFF01、AABBCCDDFFFFFF02、AABBCCDDFFFFFF03，每枚標(biāo)簽進(jìn)行一小時(shí)（約 7200次）連續(xù)讀取測(cè)試。

　　從表1測(cè)試結(jié)果看，30m以內(nèi)為標(biāo)簽正常讀取距離，可滿足一般的室內(nèi)應(yīng)用，距離為45m時(shí)讀取率則顯著下降。由于天線的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能有較大影響［6］，通過(guò)改進(jìn)標(biāo)簽的天線以獲取較大輸出功率，改進(jìn)閱讀器端天線接收靈敏度也能顯著提高系統(tǒng)性能。

　　5.結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)基于MSP430F2012和nRF24L01的有源RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。對(duì)2款芯片的低功耗性能進(jìn)行了分析并提出了自己的低功耗設(shè)計(jì)方案；結(jié)合了RFID定位的特點(diǎn)，介紹了有別于一般以識(shí)別為主要目的的標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方法，分析了其軟件設(shè)計(jì)流程；針對(duì)一般空間內(nèi)被識(shí)別目標(biāo)眾多且常處于移動(dòng)狀態(tài)的特點(diǎn)，介紹了系統(tǒng)的防沖突能力。整個(gè)系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，尺寸小，功耗低，通過(guò)良好匹配的天線通信距離可達(dá)幾十米，可以滿足煤礦行業(yè)井下一般小范圍空間內(nèi)的定位需求。