射頻識(shí)別技術(shù)RFID（Radio Frequency Identification）是通過(guò)射頻信號(hào)對(duì)某個(gè)目標(biāo)的ID進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別得到對(duì)象信息，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的磁卡和IC卡，RFID技術(shù)解決了無(wú)源和免接觸兩大問(wèn)題，同時(shí)它可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和多目標(biāo)識(shí)別，能夠廣泛應(yīng)用于各類(lèi)場(chǎng)合。其突出優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能夠穿透非金屬材質(zhì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)供電方式的不同，可以將RFID分為兩類(lèi)：無(wú)源RFID和有源RFID。無(wú)源RFID工作時(shí)，標(biāo)簽通過(guò)讀寫(xiě)器的電磁場(chǎng)獲得能量，標(biāo)簽本身不需要電池。有源RFID則恰恰相反，需要提供全部器件工作所需的電源［1］，電子標(biāo)簽需要自備電池。與無(wú)源標(biāo)簽相比，有源RFID溫濕度標(biāo)簽有著對(duì)閱讀器的發(fā)射功率要求低、有效閱讀距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，因此在冷鏈物流、醫(yī)療系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)物資管理、疫苗生產(chǎn)物流、衛(wèi)生防疫系統(tǒng)、科研機(jī)構(gòu)等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。但有源RFID溫濕度傳感標(biāo)簽對(duì)使用壽命、可靠性、體積等方面有較高的要求。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)壽命長(zhǎng)、可靠性高、體積小的有源RFID溫濕度傳感標(biāo)簽在國(guó)民生活中有著十分重要的意義。本文主要解決了有源標(biāo)簽設(shè)計(jì)的低功耗問(wèn)題。

1 有源RFID系統(tǒng)組成及工作原理

有源RFID系統(tǒng)由有源標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。有源標(biāo)簽具有唯一的身份識(shí)別碼（即ID），一些有源標(biāo)簽內(nèi)部還集成了傳感器，用于對(duì)特定物理量的測(cè)量。在閱讀器的有效工作范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽主動(dòng)地將自己的ID和所測(cè)得的物理量以電磁波的形式發(fā)送給閱讀器，閱讀器將相關(guān)信息存儲(chǔ)在自己的存儲(chǔ)設(shè)備中，存儲(chǔ)在閱讀器中的數(shù)據(jù)可以通過(guò)以太網(wǎng)口、RS-232、USB等通信接口傳送給應(yīng)用系統(tǒng)，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理［2］。

2 有源溫濕度傳感標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的有源溫濕度傳感標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。有源標(biāo)簽的核心是一個(gè)微控制器（MCU），射頻模塊通過(guò)天線(xiàn)進(jìn)行射頻信號(hào)的收/發(fā)；EEPROM 存儲(chǔ)標(biāo)簽的身份識(shí)別碼以及物品的屬性等信息；溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)分別用來(lái)檢測(cè)標(biāo)簽所處環(huán)境的溫度和濕度，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可以使用集溫濕度檢測(cè)于一體的芯片；電量檢測(cè)模塊通過(guò)檢測(cè)電池的電壓，并根據(jù)電池電量和電壓的對(duì)照關(guān)系，間接地檢測(cè)出電池的剩余電量；電池為各個(gè)模塊的正常工作提供電源。

2.2 總體電路

2.2.1 主控模塊

主控模塊采用Microchip公司型號(hào)為PIC24F16KA102的16 bit超低功耗單片機(jī)。該系列的MCU采用nanoWatt XLP（eXtreme Low Power）極低功耗技術(shù)，其典型休眠電流可以低至20 nA，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電流低至490 nA，看門(mén)狗定時(shí)器電流低至370 nA［3］。MCU可連續(xù)運(yùn)行20年以上而無(wú)需更換電池，成為業(yè)界8 bit和16 bit MCU中低功耗性能最突出的MCU。該單片機(jī)具有SPI、I2C、UART、9個(gè)模擬輸入通道、3個(gè)16 bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、3個(gè)外部中斷［3］，完全可以滿(mǎn)足有源標(biāo)簽的需求。MCU與標(biāo)簽通過(guò)SPI接口進(jìn)行串行通信，如圖3所示。圖3中的J1是PIC 24F16KA102單片機(jī)用于下載和調(diào)試程序所用的ICSP接口。

2.2.2 射頻收發(fā)模塊

nRF24L01是一款工作在2.4 GHz~2.5 GHz世界通用ISM 頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。nRF24L01主要由調(diào)制/解調(diào)器、CRC編碼/解碼器、GFSK濾波器、中頻帶通濾波器、功率放大器、低噪聲放大器 （LNA）、先進(jìn)先出緩沖器（FIFO）組成［4］。通過(guò)SPI接口與MCU進(jìn)行通信，其電路圖如圖4所示。nRF24LOT射頻收發(fā)芯片有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有125個(gè)可選工作頻道，可用于跳頻工作方式，能夠有效地降低周?chē)h(huán)境的干擾。

（2）采用QFN20封裝面積僅為4 mm×4 mm，占用較小的PCB面積。

（3）低功耗。當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)，電流消耗為9.0 mA，接收模式時(shí)為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。

（4）具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)功能。

（5）較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。處于ShockBurstTM模式時(shí)為1 Mb/s，處于增強(qiáng)型ShockBurstTM模式時(shí)為2 Mb/s。

2.2.3 溫濕度檢測(cè)模塊

SHT21S［5］是瑞士Sensirion公司的溫濕度傳感器，體積小、功耗低、穩(wěn)定性好。該溫濕度傳感器在25℃時(shí)的溫度測(cè)量精度為±0.3℃，溫度響應(yīng)時(shí)間為5 s~30 s（τ63%）；濕度測(cè)量精度為±2.0% RH，濕度響應(yīng)時(shí)間為8 s（τ63%）。該芯片通過(guò)SDM接口與MCU進(jìn)行通信。溫濕度的測(cè)量通過(guò)SCL（3腳）來(lái)選擇，當(dāng)SCL輸入高電平時(shí)進(jìn)行濕度的測(cè)量；SCL為低電平時(shí)進(jìn)行溫度的測(cè)量。也可以在SDA引腳外接一個(gè)低通RC濾波器將SDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。溫濕度檢測(cè)模塊如圖5所示。