引言

傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測以人工采集為多。隨著信息化與數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于ZigBee無線技術(shù)與GPRS通信技術(shù)的水質(zhì)檢測方案已逐漸被應(yīng)用和實踐；然而這些方案工作量大，節(jié)點電池需要定期更換，收發(fā)信息有時還需要收費，導致成本提高。本文將射頻識別（RFID）技術(shù)和低頻喚醒技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一款操作方便的低電耗、低成本的半主動式水質(zhì)傳感電子標簽，實現(xiàn)對水溫、溶解氧、電導率、濁度、PH值等水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、存儲與通信。與主動式電子標簽相比，功耗更低；與被動式電子標簽相比，通信距離更遠。

1 硬件設(shè)計方案

1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

半主動式電子標簽的硬件系統(tǒng)主要分為控制模塊、低頻喚醒模塊、無線發(fā)射模塊、傳感器模塊和電源模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由MSP430F149單片機作為主控芯片，系統(tǒng)平時處于休眠狀態(tài)，當在一定范圍內(nèi)通過AS3933低頻喚醒模塊被低頻信號喚醒時，則處于工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器組和信號調(diào)理電路組成，實現(xiàn)對水溫、溶解氧、電導率、濁度、PH值等數(shù)據(jù)的采集和處理。采集到的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊CC1150實現(xiàn)與閱讀器的通信。

1.2 MSP430F149主控芯片

電子標簽的主控芯片選擇TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡指令集的MSP430F149單片機。此系列單片機電源電壓為1.8~3.6 V，內(nèi)部集成一個8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩通道串行通信接口，多達60 KB Flash ROM和2 KB RAM。圖3無線發(fā)射電路共有1種活動模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低在165 μA左右；在實時時鐘模式下，可達2.5 μA；在RAM保持模式下，最低可達0.1 μA。

1.3 低頻喚醒模塊

低頻喚醒模塊以奧地利微電子公司生產(chǎn)的超低功耗低頻接收芯片AS3933為核心。AS3933在休眠模式下，最大工作電流為0.2 μA；接收模式下，最大工作電流為6.7 μA；工作電壓為3 V。內(nèi)部集成3個天線可以自由調(diào)節(jié)的接收信號通道，接收頻率范圍廣泛，為15~150 kHz。支持可編程16位或32位曼徹斯特喚醒碼，支持可編程數(shù)據(jù)速率和帶時鐘恢復的曼徹斯特解碼。低頻喚醒電路如圖2所示，MSP430F149通過SPI接口配置AS3933的工作方式，喚醒引腳WAKE與MSP430F149的P0口相連，解碼時鐘引腳CL_DAT和數(shù)據(jù)引腳DAT與MSP430F149的P1口相連。

1.4 無線發(fā)射模塊

無線發(fā)射模塊以TI公司生產(chǎn)的低功耗單片UHF無線發(fā)射器CC1150為核心。CC1150工作電壓為1.8~3.6 V，發(fā)射功率10 dB下最大電流消耗為26 mA，支持300~348 MHz、400~464 MHz和800~928 MHz三個頻段的UHF信號發(fā)送，支持曼徹斯特編碼和ASK、OOK等多種調(diào)制方式。無線發(fā)射電路如圖3所示，MSP430F149通過SPI接口將采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)寫入CC1150的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，采用3 V電壓經(jīng)過濾波電路后為芯片供電，信號通過平衡不平衡轉(zhuǎn)換電路和π型網(wǎng)絡(luò)由天線發(fā)射出去。

1.5 信號采集模塊

信號采集模塊由傳感器組和信號調(diào)理電路組成。傳感器組采用美國Global Water公司生產(chǎn)的WQ101型溫度傳感器、WQ201型PH值傳感器、WQ301型電導率傳感器、WQ401型溶解氧傳感器和WQ700型濁度傳感器。WQ系列傳感器具有精度高，準確性、可靠性強及成本低等特點。信號調(diào)理電路用于實現(xiàn)由各種傳感器輸出的非標準信號向標準信號的轉(zhuǎn)變，以便于單片機進行數(shù)據(jù)的運算處理。如圖4所示，采用LM358型運算放大器構(gòu)成前級同相放大電路和后級差分放大電路，并通過調(diào)節(jié)電路中的相關(guān)電位器達到信號調(diào)理的目的。

1.6 電源模塊

電子標簽選擇干電池供電。由于各模塊所需的電源電壓不同，故設(shè)計了電源轉(zhuǎn)換模塊。主要包括實現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3 V電壓的MCP1612同步降壓穩(wěn)壓變換電路，以及實現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V電壓的TLV11173.3低壓差線性穩(wěn)壓電路，如圖5所示。

2 軟件設(shè)計方案

2.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要由初始化程序、休眠設(shè)置程序、低頻喚醒程序和無線發(fā)射程序組成。主程序流程如圖6所示，初始化MSP430F149單片機及其外部設(shè)備后，首先進入休眠狀態(tài)并打開中斷。當接收到低頻喚醒中斷時，MSP430F149單片機解析并匹配低頻數(shù)據(jù)，匹配完成后通過傳感器探頭進行水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換盒存儲，再通過無線發(fā)射模塊向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成一次完整的水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集。

2.2 無線收發(fā)模塊設(shè)置

CC1150無線發(fā)射模塊通過TI公司推出的SmartRF studio軟件進行最優(yōu)寄存器評定和性能測評。設(shè)置界面如圖7所示，調(diào)制模式選擇ASK/OOK，晶振頻率選擇27 MHz，基準頻率選擇315 MHz。鍵入后，軟件會自動把基準頻率修定為314.999 725 MHz，右側(cè)的Register View會給出相關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)。

2.3 低頻喚醒程序

AS3933低頻喚醒程序流程如圖8所示。當電子標簽工作時，由閱讀器發(fā)送低頻信號，AS3933接收到由曼徹斯特編碼構(gòu)成的喚醒接收數(shù)據(jù)后，喚醒引腳WAKE產(chǎn)生高電平，通過P0口喚醒MSP430F149。MSP430F149通過捕捉時鐘管CL_DAT的上升沿中斷和讀取數(shù)據(jù)引腳DAT的電平狀態(tài)，完成12字節(jié)低頻數(shù)據(jù)的接收，整個低頻喚醒過程約為0.2 s。

3 實驗結(jié)果及分析

筆者對調(diào)試好的標簽進行了室外的實際測試，于2013年12月28日14:00對南京林業(yè)大學紫湖溪進行了水質(zhì)監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)如表1所列。經(jīng)測試，電子標簽的低頻喚醒距離在3.5 m左右，在休眠狀態(tài)下電流僅為45 μA，低頻喚醒后的工作電流為250 μA，達到了低功耗的要求。

鑒于溶解氧和PH值在短時間內(nèi)不會有大幅度的改變，為了驗證電子標簽工作的穩(wěn)定性，對一個檢測點的溶解氧和PH值進行了間隔為60 s的10次采集，并將數(shù)據(jù)錄入Origin軟件進行線性擬合，結(jié)果如圖9所示。分別為溶解氧在6.0 mg/L和PH在6.8上下略微浮動的近似直線，最大偏差分別在0.2mg/L和0.1以內(nèi)，滿足穩(wěn)定性要求。

結(jié)語

筆者從硬件和軟件兩方面詳細介紹了半主動式水質(zhì)傳感電子標簽的設(shè)計方案。以低功耗要求為前提，以射頻識別技術(shù)和低頻喚醒技術(shù)為理論基礎(chǔ)，將低功耗芯片MSP430F149與低頻喚醒芯片AS3933和CC1150無線發(fā)射模塊相結(jié)合，完成了低功耗水質(zhì)傳感標簽的設(shè)計、調(diào)試和實驗，取得了準確、穩(wěn)定的采集結(jié)果和良好的通信效果。
編輯：lyn