2.3電路設計

　　本系統主要運用于RFID定位方面，除了簡單的識別外，重點在于閱讀器對標簽信號強度的測量，因此閱讀器與標簽間不會有大數據量頻繁的讀寫操作，在電路設計時可省略片外EEPROM.同時還可以省去穩壓電路以節省靜態電流消耗。硬件原理圖如圖2所示。

　　圖2 硬件原理圖

　　3.系統軟件設計

　　3.1軟件流程

　　本系統屬于雙向通信系統，標簽在發送數據前處于監聽狀態，nRF24L01的接收功能被打開，同時MSP430F2012處于LPM3模式，直至接收到閱讀器廣播的“開始”指令，并通過中斷將MSP430F2012喚醒。MSP430F2012被中斷喚醒后開始判斷指令是否正確，如果正確則進入正常發送周期，否則返回LPM3模式。

　　考慮到實時定位的需要，系統不能像一般的RFID標簽那樣僅僅進行有限次驗證，本系統采用等間隔持續發送的模式，便于閱讀器實時監測目標位置，系統設定的正常發送周期為500ms，由MSP430F2012的Timer_A定時，500ms定時開始后，標簽ID通過SPI發送到FIFO，nRF24L01 采用了增強型ShockBurstTM模式，發送失敗則會繼續重發，標簽ID發送完畢后，MSP430F2012判斷定時器是否超時，一旦超時則進入下個發送周期，否則處于等待狀態直至超時。當閱讀器停止廣播“開始”指令，MSP430F2012重新進入LPM3模式以降低功耗。

　　系統完整流程如圖3所示。

　　圖3 軟件流程圖

　　3.2防沖突設計

　　nRF24L01自帶載波檢測功能，在發送數據前先轉入接收模式進行監聽，確認要傳輸的頻率通道未被占用才發送數據，利用此功能可實現簡單的硬件防沖突。

　　考慮到本系統采用了500ms的統一發送間隔，在被定位目標眾多的場合有可能發生識別沖突，因此需要在程序中合理的增加防沖突算法。ALOHA算法主要用于有源標簽，其原理就是，一旦信源發生數據包碰撞，就讓信源隨機延時后再次發送數據。考慮到程序的復雜性勢必引起處理時間的增加，也會帶來額外的能耗，本系統采用了較為簡單的純ALOHA算法，即在每個500ms計時周期內隨機發送標簽ID，這就需要在程序中插入一個隨機延時，延時時長的選擇通過一個隨機值函數來實現，隨機延時范圍為0~300ms.這種簡單的防沖突算法既簡化了指令，又能大幅降低沖突概率。

　　另外，n R F 2 4 L 0 1傳輸速率為1 M b p s或2Mbps，單次發送一個數據包，單個數據包最大32bytes，假設標簽ID為32bytes，以2Mbps速率發送一次ID的信號寬度（傳輸時間）約為100~150μs，相對于500ms的整個定時周期而言微乎其微，但仍有可能出現發送飽和的狀態，這時可以適當的延長計時周期以增加信道容量。較快的傳輸速率有助于移動目標的識別和定位，而較短的數據長度也能顯著提高標簽基于隨機延時的防沖突能力，因此盡可能將標簽ID的長度限制在 32bytes以內。

　　4.測試結果

　　對于RFID系統而言，最重要的參數就是讀取距離［5］和有效讀取率。本次實驗測試設備為標簽3枚，閱讀器一臺，PC一臺，閱讀器基于 MSP430F149和nRF24L01芯片設計，并通過RS232串口與PC進行通信。測試中，分別將3枚標簽置于距離閱讀器15m、30m、45m 處，便簽ID分別為AABBCCDDFFFFFF01、AABBCCDDFFFFFF02、AABBCCDDFFFFFF03，每枚標簽進行一小時（約 7200次）連續讀取測試。

　　從表1測試結果看，30m以內為標簽正常讀取距離，可滿足一般的室內應用，距離為45m時讀取率則顯著下降。由于天線的設計對系統性能有較大影響［6］，通過改進標簽的天線以獲取較大輸出功率，改進閱讀器端天線接收靈敏度也能顯著提高系統性能。

　　5.結束語

　　本文對基于MSP430F2012和nRF24L01的有源RFID標簽的設計進行了詳細的介紹。對2款芯片的低功耗性能進行了分析并提出了自己的低功耗設計方案；結合了RFID定位的特點，介紹了有別于一般以識別為主要目的的標簽的設計方法，分析了其軟件設計流程；針對一般空間內被識別目標眾多且常處于移動狀態的特點，介紹了系統的防沖突能力。整個系統電路簡單，尺寸小，功耗低，通過良好匹配的天線通信距離可達幾十米，可以滿足煤礦行業井下一般小范圍空間內的定位需求。