在2.45 G無線通信中，目前可以采用的成熟且有統一協議標準的應用領域有ZigBee、藍牙等。但也有采用封閉協議通信的2.45 G無線技術，如無線鼠標、2.45 G有源RFID讀寫器等。它們大多使用Nordic Semiconductor公司的nRF24L01芯片，各個廠家可以根據自己的需求制定自己的通信協議[1-2]。雖然藍牙、ZigBee都是標準協議,但它們協議復雜、開發難度大，而非標準無線射頻協議具有低功耗、低成本、易開發等優點。

    基于nRF24L01的有源電子標簽在物體識別、數據采集等領域中有著廣泛的應用前景。但有些場合要求電子標簽不能隨意拆卸，一旦拆卸必須通知管理人員。在這種場合，標簽發送的正常數據包與異常數據包在傳輸過程中要有不同的競爭級別；合法人員和非法人員對標簽操作時的報警機制要有所不同。
    本文基于上述問題，對只讀型有源電子標簽的低功耗、防拆卸和防碰撞等功能進行了討論。
1 防拆卸標簽整體設計
    文中電子標簽由電源、主控模塊、射頻模塊和防拆開關4部分組成。電源模塊給整個電子標簽供電。由于電子標簽要求體積小和攜帶方便，因此可以采用紐扣電池供電。主控模塊和射頻模塊一起實現標簽與讀卡器的通信。防拆卸有源電子標簽結構示意圖如圖1所示。

    圖1中，當電子標簽固定于監測物體時，防拆開關處于閉合狀態。此時主控模塊控制射頻模塊向讀卡器發送正確信息。一旦標簽與物體非法分離，就改變了標簽與物體的狀態，使射頻模塊將這個異常信息發給讀卡器。
2 主控芯片與射頻芯片的選則
    本文采用nRF24L01作為射頻芯片，該芯片內置頻率發生器、功率放大器、調制器和解調器等功能模塊，可使電路設計簡單。同時，nRF24L01具有極低的電流消耗，芯片工作在接收模式時的電流僅為12.3 mA，0 dBm功率發射為11.3 mA，掉電模式僅為900 nA[3]。
    nRF24L01芯片與主控芯片采用SPI串行接口進行通信。主控制芯片可以使用GPIO模擬SPI接口工作時序或者SPI控制器兩種方式來控制射頻芯片。GPIO模擬SPI接口的方式會導致比較多的時間耗費在模擬SPI接口的時序上, 訪問效率比較低。但本文電子標簽功能單一，發送信息間隔比較長，這種工作方式可以滿足實際的應用。因此，選擇價格相對低且不帶SPI控制器的MSP430F2121單片機作為主控芯片。該芯片內帶Flash存儲功能，工作電壓在1.8 V～3.6 V之間。實時運行模式下，若工作頻率為1 MHz，電壓為2.2 V，則芯片的工作電流為250 μA；而在待機模式的電流只有0.7 μA。
3 拆卸檢測電路設計
    如圖2所示，拆卸檢測電路在硬件中是通過防拆開關SW1來實現的。當開關與物體固定時，開關處于按下狀態，此時開關接地，從而MSP430F2121的P2.2管腳輸入為低電平；當開關與物體分離時，開關彈起，P2.2輸入為高電平。因此，在開關彈開時刻，P2.2管腳會有一個由低電平到高電平的上升沿。當MSP430F2121檢測到這個變化時，則進行中斷處理。MSP430F2121的其他引腳主要用于與JTAG下載器進行調試。

4 射頻模塊電路設計
    本文射頻模塊電路主要由nRF24L01、天線、晶振電路組成，如圖3所示。MSP430F212采用GPI0模擬SPI接口的方式與nRF24L01通信。其中，標簽的天線基于1/4波長單端PCB印制天線理論設計，也可以利用AppCAD軟件所提供的微帶線模型進行計算[4]。射頻模塊PCB的設計對標簽的整體性能有很大的影響，在PCB設計時，必須考慮到各種電磁干擾問題，注意調整電阻、電容和電感的位置，直流電源及電源濾波電容要盡量靠近nRF24L01的VCC引腳。

5 電子標簽軟件設計
    除了上述的硬件電路，標簽的軟件設計對整體的性能也有很大的影響。本文的電子標簽軟件的主要功能為：系統低功耗控制、防拆開關狀態檢測和電子標簽防碰撞算法，具體如圖4所示。

5.1 軟件低功耗控制
    系統初始化后，MSP430F2121進入低功耗模式，定時器中斷或開關觸發的外部中斷將它喚醒。為了降低能耗，nRF24L01工作模式在掉電模式、待機模式I和發射模式之間進行變換。在寄存器設置時，使其進入待機模式I，此時芯片內部振蕩器停振，射頻收發單元停止工作。發送信息時，芯片工作在發送模式，而在其他空閑時間則使芯片進入低功耗模式(待機模式I)。當nRF24L01進入掉電模式時，芯片內部的各功能模塊關閉，保持最小電流消耗。nRF24L01初始化后，把配置寄存器中的電源模式位(PWR_UP)置為1，接收模式位(PRIM_RX)設置為0，最后通過設置信號線CE為高電平且保持在10 μs以上即可使nRF24L01進入發送模式。在完成一次數據的發送過程中，處于發射模式的時間不會超過4 ms[3]。因此，在標簽發送數據的過程中，只有在非常短的時間內電流的數量級會達到毫安級別，而其他時間則處于低功耗狀態，電流為微安級別。
5.2 防碰撞算法實現
    nRF24L01有125個頻點，能夠實現點對點、點對多點的無線通信。在接收模式下有6個數據通道可供選擇(如圖5所示)，而每個數據通道作為RF信道中一個邏輯通道，都有自己的地址。因此，可以將電子標簽發送數據包的地址設置為讀卡器6個數據通道中的某個未被使用的通道地址，從而實現一個讀卡器可以接收6個電子標簽的數據。但實際應用中，標簽個數遠大于6，因此要采用防碰撞算法來解決數據沖突。

    nRF24L01自身有一定的防碰撞能力。當nRF24L01設置為接收模式時，其內部基帶協議引擎會不停地搜索6個通道中合法的數據包。但每次只有一個數據通道的數據包被接收處理。
    此外，一旦防拆開關彈起，要盡快地將這個異常發送給讀卡器。因此可以為攜帶異常狀態的數據包預留一個或兩個數據通道。而如果沒有發生異常，則把數據包發往事先規定的通道。這樣就避免了攜帶異常狀態的數據包與正常狀態的數據互相競爭數據通道，從而使讀卡器能夠快速地處理異常數據包。
    如果每個標簽采用固定的時間間隔發送數據，發生碰撞的可能性仍然很大。因此可以利用隨機數生成函數產生一個在(N1，N2)之間的隨機數，把這個隨機數給定時計數器賦值，使得定時器的定時間隔在(T1，T2)之間[5-6]。若增大T2-T1，則發生碰撞的概率減小。
5.3 防拆開關狀態檢測
    nRF24L01發送數據包的數據域長度為0～32 B，可以根據實際需要對其進行設置。本文將數據包的長度設置為5 B，其中4 B用于存放標簽的唯一ID號，1 B用于放置標簽的狀態。正常情況下，將代表標簽與物體未分離的狀態寫入數據域。一旦標簽與物體分離，則把異常狀態寫入數據域，并且將數據包立即發送出去。當中斷函數結束后，在每次發送過程中，主函數通過檢測P2.2管腳的高低電平來修改標簽與物體的狀態。為了準確判斷防拆開關是否彈起，可以在兩次檢測之間加入適當的延時以消除抖動帶來的誤判。讀卡器收到標簽發送的信息后，提取其中的標志域，即可實時了解標簽與物體的狀態。
    另外，考慮一種特殊情況：如果某些非法人員將標簽與物體強行拆開后，把標簽的開關又重新閉合。這樣讀卡器在讀到幾個非法狀態后，又會馬上誤以為標簽與物體仍然正常。由于非法狀態的時間比較短，監測人員可能沒有覺察到，但是標簽所跟蹤的物體已經被盜了。
    對于上面的問題，可以通過設計讀卡器對標簽狀態的檢測機制來解決。一旦讀卡器識別到標簽的非法狀態，就對這個標簽的ID號進行記錄。此后，讀卡器在讀到這個標簽的N次范圍內，不管這個標簽數據包中的狀態域代表哪種情況，讀卡器都認為是非法狀態。當合法人員對標簽進行操作時可以將N設置為0，而在正常跟蹤監測時，將N設置為一個比較大的數，一旦有非法狀態，有足夠的報警時間。
6 電子標簽防拆卸功能測試
    測試時讀卡器采用1.5 dBi棒狀天線與電子標簽通信，識別距離可以達到100 m。采用增益更大的天線，使得讀取距離更遠，可以滿足實時監控或查詢管理戶外物品的應用。同時規定，數據包狀態標志為1表示標簽固定在所監測的物體上，狀態標志為82表示標簽與物體分離。改變標簽中的開關狀態，讀卡器接收到的標簽發送數據包中ID號和狀態標志位如圖6所示。其中圖6(b)是標簽與物體分離時讀卡器數據接收界面的實驗截圖，圖中可以發現此時狀態位已經改變。

    本文設計的基于nRF24L01射頻芯片的防拆卸只讀型有源電子標簽體積小、功耗低，可以廣泛用于戶外物體監測。同時，該電子標簽可擴展性強，若將電子標簽外接一些數據采集的傳感器，將采集到的數據通過射頻模塊發送給讀卡器，即可實現電子標簽的無線數據采集與傳輸。
參考文獻
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[2] 曹青梅，徐立友，曹艷玲，等.基于nRF24L01的移動數據通訊網絡設計[J].微型機與應用，2011，30(24)：43-45.
[3] Nordic Semiconductor.nRF24L01 single chip 2.4 GHz transceiver product specification[EB/OL].(2007-xx-xx)[2013-05-03].http：//www.nordicsemi.com/eng/Products/2.4GHz-RF/nRF24L01.
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