系统软件设计流程 - 用于定位的低功耗有源RFID标签设计方案

　　3.1 软件流程

　　本系统属于双向通信系统，标签在发送数据前处于监听状态，nRF24L01的接收功能被打开，同时MSP430F2012处于LPM3模式，直至接收到阅读器广播的“开始”.

　　指令，并通过中断将MSP430F2012唤醒。

　　MSP430F2012被中断唤醒后开始判断指令是否正确，如果正确则进入正常发送周期，否则返回LPM3模式。

　　考虑到实时定位的需要，系统不能像一般的RFID标签那样仅仅进行有限次验证，本系统采用等间隔持续发送的模式，便于阅读器实时监测目标位置，系统设定的正常发送周期为500ms，由MSP430F2012的Timer_A定时，500ms定时开始后，标签ID通过SPI发送到FIFO，nRF24L01采用了增强型ShockBurstTM模式，发送失败则会继续重发，标签ID发送完毕后，MSP430F2012判断定时器是否超时，一旦超时则进入下个发送周期，否则处于等待状态直至超时。当阅读器停止广播“开始”指令，MSP430F2012重新进入LPM3模式以降低功耗。系统完整流程如图3所示。

　　3.2 防冲突设计

　　nRF24L01自带载波检测功能，在发送数据前先转入接收模式进行监听，确认要传输的频率通道未被占用才发送数据，利用此功能可实现简单的硬件防冲突。

　　考虑到本系统采用了500ms的统一发送间隔，在被定位目标众多的场合有可能发生识别冲突，因此需要在程序中合理的增加防冲突算法。ALOHA算法主要用于有源标签，其原理就是，一旦信源发生数据包碰撞，就让信源随机延时后再次发送数据。考虑到程序的复杂性势必引起处理时间的增加，也会带来额外的能耗，本系统采用了较为简单的纯ALOHA算法，即在每个500ms计时周期内随机发送标签ID，这就需要在程序中插入一个随机延时，延时时长的选择通过一个随机值函数来实现，随机延时范围为0~300ms.这种简单的防冲突算法既简化了指令，又能大幅降低冲突概率。

　　另外，nRF24L01传输速率为1Mbps或2Mbps，单次发送一个数据包，单个数据包最大 32bytes，假设标签ID为32bytes，以2Mbps速率发送一次ID的信号宽度（传输时间）约为100~150μs，相对于500ms的整个定时周期而言微乎其微，但仍有可能出现发送饱和的状态，这时可以适当的延长计时周期以增加信道容量。较快的传输速率有助于移动目标的识别和定位，而较短的数据长度也能显着提高标签基于随机延时的防冲突能力，因此尽可能将标签ID的长度限制在32bytes以内。

3.3 部分程序代码

　　3.3.1 单字节SPI发送/接收函数

　　3.3.2 根据命令字读/写接收（发送）数据包

　　4.测试结果

　　对于R F I D系统而言，最重要的参数就是读取距离［7］和有效读取率。本次实验测试设备为标签3枚，阅读器一台，PC一台，阅读器基于MSP430F149和 nRF24L01芯片设计，并通过RS232串口与PC进行通信。测试中，分别将3枚标签置于距离阅读器1 5 m、3 0 m、4 5 m处，便签I D分别为AABBCCDDFFFFFF01、AABBCCDDFFFFFF02、AABBCCDDFFFFFF03，每枚标签进行一小时（约7200次）连续读取测试。测试界面如图4所示。

　　从表1所示测试结果看，3 0 m以内为标签正常读取距离，可满足一般的室内应用，距离为45m时读取率则显着下降。由于天线的设计对系统性能有较大影响，通过改进标签的天线以获取较大输出功率，改进阅读器端天线接收灵敏度也能显着提高系统性能。

　　5.结束语

　　本文对基于MSP430F2012和nRF24L01的有源RFID标签的设计进行了详细的介绍。对2款芯片的低功耗性能进行了分析并提出了自己的低功耗设计方案；结合了RFID定位的特点，介绍了有别于一般以识别为主要目的的标签的设计方案，分析了其软件设计流程；针对一般空间内被识别目标众多且常处于移动状态的特点，介绍了系统的防冲突能力。整个方案的设计体现出了电路简单，尺寸小，功耗低，通过良好匹配的天线通信距离可达几十米，如需进行远距离RFID测量或定位，可在硬件上增加数字功放电路，通信距离可达500米以上。可以满足多种行业对于一般小范围空间内的定位需求。