基于集成温度传感器的有源电子标签设计策略

基于集成温度传感器的有源电子标签设计策略

射频识别RFID(Radio Frequency Identification)技术是近年来开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术。该技术以非接触式、存储容量大、识别速度快、距离远、可多卡识别等优点而得到了越来越广泛的应用[1]。随着RFID技术成熟与RFID标签成本的下降，逐步呈现一些具有实际应用价值的发展趋势，其中之一是RFID与温度传感器相结合[2]。目前在矿井生产安全监测监控系统中，普遍是用电缆线传输采集到的温度值，而电缆线很容易被拉脱、拉断、擦破，从而引起电火花触发瓦斯而引发矿难。把温度传感器与RFID技术结合起来，不仅可以进行自动识别，而且可以形成一种串行数据采集无线传输的方式，使得整个检测装置体积很小，并且省去了大量的布线工作。该装置可以安装在矿工的头盔上，利于实时监测，减少了实际测温中的干扰，使其可靠性及精度有了很大的提高[3]。
    本文从硬件结构和软件结构两方面阐述了集成温度传感器有源电子标签的研发设计，该有源电子标签通过调试，能够稳定可靠地检测到温度值，并且进行无线通信。
1 系统的硬件结构及工作过程
    在硬件结构上，集成温度传感器的有源电子标签主要由无线射频模块、天线、微控制器(MCU)、传感器、电源模块组成。其硬件结构图如图1所示。

    当电子标签上电后，首先对无线射频模块及传感器进行初始化，完成射频芯片中的射频收发器的收发地址、收发频率、发射功率、无线传输速率、无线收发模式以及CRC校验的长度和有效数据长度等信息的设置，然后微控制器把传感器定时采集到的数据通过通信接口发送给射频芯片，射频芯片再通过发射模式发送出去[4]。
1.1 片上芯片CC2430
    CC2430包含了1个高性能2.4 GHz的直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心和1个工业级小巧高效的8051控制器，在单个芯片上整合了射频(RF)前端、内存和微控制器。它具有以下特点：(1)使用1个8位MCU(8051)，具有32/64/128 KB可编程Flash和8 KB的RAM；(2)极高的接收灵敏度和抗干扰性能；(3)具备在各种供电方式下的数据保持能力；(4)只需极少的外接元件；(5)电流消耗小(当微控制器内核运行在32 MHz时，Rx为27 mA，Tx为25 mA)，特别适合要求电池寿命非常长的应用[5]场合。
1.2 温度传感器DS18B20简介
    DS18B20是DALLAS公司生产的单线式数字温度传感器，它具有3引脚TO－92小封装体积，其不锈钢外壳封装形式可以防水防潮，适合恶劣的现场温度检测，其温度测量范围为-55℃～+125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.062 5℃[6]。其内部结构图如图2所示。

1.3 DS18B20与CC2430接口的设计
    温度传感器DS18B20与芯片CC2430的硬件连接非常简单，如图3所示。由于它将地址线、数据线和控制线合为一根双向串行传输的信号线，可以单独控制，因此只需占用CC2430的1根I/O线。

2 系统的软件结构
2.1 系统流程图
    系统的软件主要由主程序、初始化子程序、数据采集子程序、无线通信子程序、串口通信子程序5部分组成。其中的无线通信子程序分为发送模式和接收模式，系统工作流程图如图4所示。

2.2 DS18B20的工作时序及软件流程
    DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此，系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。其采集程序流程图如图5所示。

2.3 测温结果
    测温结果由两部分组成：(1)标签的ID号，ID号由64位十六进制组成，可以通过软件SmartRF04Prog进行改写；(2)实时采集到的温度信息。这两部分通过串口发送到上位机进行实时显示。
    本系统软件编程采用单片机C51语言，在IAR Embedded Workbench IDE编译环境下进行在线实时调试。
    经过调试，本设计达到了预期的结果，发送端每隔10 min发送1次标签的ID号和温度采集数据，接收端能够正确接收到数据并且通过串口通信发送到上位机进行实时显示。把温度传感器与RFID芯片结合起来只占很小的空间，满足了小型化、无线传输、实时监测的要求，其可靠性和精度也有了很大的提高，可应用于矿井生产安全监测监控系统中，也可以为易腐坏食品、药品和物流中任何其他对温度敏感的物品采集温度信息，为许多医药诊断试验和程序提供及时的数据。