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怎么才能解决有源RFID标签设计的低功耗问题?

2019年01月09日

  射频识别技术RFID(Radio Frequency IdentificaTIon)是通过射频旌旗灯号对某个目标的ID进行主动识别得到对象信息,并获取相干数据的技术。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题目,同时它可实现活动目标和多目标识别,能够广泛应用于各类场合。其凸起好处是环境适应性强、能够穿透非金属材质、数据存储量大、抗干扰能力强。根据供电体例的不同,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,标签自己不必要电池。有源RFID则恰恰相反,必要提供悉数器件工作所需的电源 ,电子标签必要自备电池。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、有用阅读距离远的好处,因此在冷链物流、医疗体系、仓储物资管理、疫苗生产物流、卫生防疫体系、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紧张的意义。本文重要解决了有源标签设计的低功耗题目。

  1 有源RFID体系组成及工作原理

  有源RFID体系由有源标签、阅读器和应用体系三部分组成,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。在阅读器的有用工作范围内,电子标签自动地将本身的ID和所测得的物理量以电磁波的情势发送给阅读器,阅读器将相干信息存储在本身的存储设备中,存储在阅读器中的数据可以通过以太网口、RS-232、USB等通讯接口传送给应用体系,以便对数据进行进一步处理 。

怎么才能解决有源RFID标签设计的低功耗题目?

  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旌旗灯号的收/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。

怎么才能解决有源RFID标签设计的低功耗题目?

  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,看门狗准时器电流低至370 nA 。MCU可延续运行20年以上而无需替换电池,成为业界8 bit和16 bit MCU中低功耗性能最凸起的MCU。该单片机具有SPI、I2C、UART、9个模仿输入通道、3个16 bit准时器/计数器、3个外部停止 ,完全可以知足有源标签的需求。MCU与标签通过SPI接口进行串行通讯,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。

怎么才能解决有源RFID标签设计的低功耗题目?

  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重要由调制/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)、先辈先出缓冲器(FIFO)组成 。通过SPI接口与MCU进行通讯,其电路图如图4所示。nRF24LOT射频收发芯片有以下好处:

  (1)具有125个可选工作频道,可用于跳频工作体例,能够有用地降低四周环境的干扰。

  (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,电流消费为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费更低。

  (4)具有主动应答和主动重发功能。

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

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