摘 要： 針對(duì)礦井下環(huán)境溫度在線檢測(cè)的要求，設(shè)計(jì)了一種集成了有源RFID射頻識(shí)別芯片與溫度傳感器的在線溫度檢測(cè)裝置，簡(jiǎn)要論述了該有源電子標(biāo)簽的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。該裝置能夠定時(shí)采集并無(wú)線傳輸井下工作面的溫度值。測(cè)試結(jié)果表明，該裝置攜帶方便、工作穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞： RFID；溫度傳感器；DS18B20；無(wú)線傳輸
射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是近年來(lái)開(kāi)始興起并逐漸走向成熟的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)以非接觸式、存儲(chǔ)容量大、識(shí)別速度快、距離遠(yuǎn)、可多卡識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)而得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。隨著RFID技術(shù)成熟與RFID標(biāo)簽成本的下降，逐步呈現(xiàn)一些具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的發(fā)展趨勢(shì)，其中之一是RFID與溫度傳感器相結(jié)合[2]。目前在礦井生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中，普遍是用電纜線傳輸采集到的溫度值，而電纜線很容易被拉脫、拉斷、擦破，從而引起電火花觸發(fā)瓦斯而引發(fā)礦難。把溫度傳感器與RFID技術(shù)結(jié)合起來(lái)，不僅可以進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，而且可以形成一種串行數(shù)據(jù)采集無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，使得整個(gè)檢測(cè)裝置體積很小，并且省去了大量的布線工作。該裝置可以安裝在礦工的頭盔上，利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少了實(shí)際測(cè)溫中的干擾，使其可靠性及精度有了很大的提高[3]。
本文從硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩方面闡述了集成溫度傳感器有源電子標(biāo)簽的研發(fā)設(shè)計(jì)，該有源電子標(biāo)簽通過(guò)調(diào)試，能夠穩(wěn)定可靠地檢測(cè)到溫度值，并且進(jìn)行無(wú)線通信。
1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程
在硬件結(jié)構(gòu)上，集成溫度傳感器的有源電子標(biāo)簽主要由無(wú)線射頻模塊、天線、微控制器(MCU)、傳感器、電源模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
當(dāng)電子標(biāo)簽上電后，首先對(duì)無(wú)線射頻模塊及傳感器進(jìn)行初始化，完成射頻芯片中的射頻收發(fā)器的收發(fā)地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無(wú)線傳輸速率、無(wú)線收發(fā)模式以及CRC校驗(yàn)的長(zhǎng)度和有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息的設(shè)置，然后微控制器把傳感器定時(shí)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口發(fā)送給射頻芯片，射頻芯片再通過(guò)發(fā)射模式發(fā)送出去[4]。
1.1 片上芯片CC2430
CC2430包含了1個(gè)高性能2.4 GHz的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和1個(gè)工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器，在單個(gè)芯片上整合了射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它具有以下特點(diǎn)：(1)使用1個(gè)8位MCU(8051)，具有32/64/128 KB可編程Flash和8 KB的RAM；(2)極高的接收靈敏度和抗干擾性能；(3)具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；(4)只需極少的外接元件；(5)電流消耗小(當(dāng)微控制器內(nèi)核運(yùn)行在32 MHz時(shí)，Rx為27 mA，Tx為25 mA)，特別適合要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用[5]場(chǎng)合。
1.2 溫度傳感器DS18B20簡(jiǎn)介
DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線式數(shù)字溫度傳感器，它具有3引腳TO－92小封裝體積，其不銹鋼外殼封裝形式可以防水防潮，適合惡劣的現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)，其溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.062 5℃[6]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
1.3 DS18B20與CC2430接口的設(shè)計(jì)
溫度傳感器DS18B20與芯片CC2430的硬件連接非常簡(jiǎn)單，如圖3所示。由于它將地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合為一根雙向串行傳輸?shù)男盘?hào)線，可以單獨(dú)控制，因此只需占用CC2430的1根I/O線。
2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)流程圖
系統(tǒng)的軟件主要由主程序、初始化子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、無(wú)線通信子程序、串口通信子程序5部分組成。其中的無(wú)線通信子程序分為發(fā)送模式和接收模式，系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。
2.2 DS18B20的工作時(shí)序及軟件流程
DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此，系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。其采集程序流程圖如圖5所示。
2.3 測(cè)溫結(jié)果
測(cè)溫結(jié)果由兩部分組成：(1)標(biāo)簽的ID號(hào)，ID號(hào)由64位十六進(jìn)制組成，可以通過(guò)軟件SmartRF04Prog進(jìn)行改寫(xiě)；(2)實(shí)時(shí)采集到的溫度信息。這兩部分通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
本系統(tǒng)軟件編程采用單片機(jī)C51語(yǔ)言，在IAR Embedded Workbench IDE編譯環(huán)境下進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)試。
經(jīng)過(guò)調(diào)試，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，發(fā)送端每隔10 min發(fā)送1次標(biāo)簽的ID號(hào)和溫度采集數(shù)據(jù)，接收端能夠正確接收到數(shù)據(jù)并且通過(guò)串口通信發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。把溫度傳感器與RFID芯片結(jié)合起來(lái)只占很小的空間，滿(mǎn)足了小型化、無(wú)線傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，其可靠性和精度也有了很大的提高，可應(yīng)用于礦井生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中，也可以為易腐壞食品、藥品和物流中任何其他對(duì)溫度敏感的物品采集溫度信息，為許多醫(yī)藥診斷試驗(yàn)和程序提供及時(shí)的數(shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn)
[1] GLIDDEN R， BOCKORICK C． Design of ultra-low cost UHF RFID tags for supply chain applications[J]． IEEE J. Communications Magazine， 2004，4(8)：140-151．
[2] 沈紅偉，李力南，陳國(guó)華．集成溫度傳感器的超高頻無(wú)源電子標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)[J]．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2008，25(4)：192-195．
[3] 婁樸根，宋文愛(ài)．礦井下實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)和無(wú)線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2007(3)：44-46．
[4] 付煒，馬建國(guó)．2.4 GHz射頻識(shí)別中標(biāo)簽電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．集成電路應(yīng)用，2007(11)：61-64．
[5] 美國(guó)德州儀器.Smart RF CC2430 Peliminary(rev.1.01)． 2005．
[6] Maxim. Datasheet for DS18B20． [2009-08-27]. http://www.maxim2ic．com．