基于有源RFID的极低功耗温湿度传感标签的设计

    2.2.5 电量检测：电量检测采用MCU内部的高低电压检测HLVD(High/Low-Voltage Detect)功能，通过编程可以设定产生该中断的电压值，这样既解决了使用A/D检测电压没有内部参考源的问题，又在一定程度上降低了功耗。

    3 软件设计

    3.1 发送数据包的格式

    发送数据包的格式如图6所示。前导码用来进行同步，仅在发送模式下使用；标志位用来进行包识别，9 bit中仅仅用到其中的2 bit，剩余的7 bit保留；数据是要传送/接收的1 B~32 B宽度的物品识别信息，对于本设计，指的是要检测的温湿度以及电池的剩余电量信息；CRC校验选择生成多项式为X16+X12+X5+X1的16 bit CRC校验。

    3.2 标签工作流程

    为达到超低功耗的目的，标签有两种工作流程：(1)正常的工作流程，检测出所需的物理量并打包发送，时间间隔是10 s(在程序中可自行设定)一次，每发送完一次即进入深度睡眠模式，达到10 s后通过定时器唤醒，唤醒后程序从复位向量处重新执行；(2)进入深度休眠状态，通过外部中断0(即INT0，外接nRF24L01的中断请求IRQ)进行唤醒，唤醒后重新从复位向量处执行。标签主程序流程图如图7所示。

    4 系统测试

    4.1 功耗测试与估算

    首先要通过PIC单片机的集成开发环境MPLAB IDE V8.46的软件仿真器测定单片机在初始化、温湿度检测等工作过程分别所需要的时间；其次，用示波器测试nRF24L01在各个工作过程所持续的时间和所消耗的电流；然后将以上测定的数据，输入Microchip公司的极低功耗电池寿命估算软件(Microchip XLP Battery Life Estimator)中，如图8所示。

    标签寿命的计算是基于平均电流的，即标签的理论寿命等于电池的容量(mAh)除以标签消耗的平均电流(mA)。平均电流的定义如下：

    需要注意的是，实际寿命的计算要考虑标签所用电池的自放电率(本设计的软件给出的估算时间已经考虑了所选电池本身的自放电率)。估算中采用225 mAh的LiMnO2电池，计算得到的电池寿命是2年263天19小时，实际采用的电池是750 mAh的锰锂电池，通过换算得到使用750 mAh的锰锂电池的标签寿命约是9.08年。如果考虑到电池的实际自放电率(比本软件中给出的稍大些)，实际电池寿命会短一些。本计算得到的寿命是让标签处在日夜不停的连续工作状态(即每隔10 s检测出温湿度和电池电压然后进行发送)的寿命，即考虑的是最坏的可能。实际的标签可能只在一天的某个时间段内工作，不工作时即进入深度休眠状态，处理器消耗的功率只在nA级。

    4.2 整机测试

　调试时使用MCU的串口通信方式将收到的标签ID、温湿度及电池电量信息实时显示在上位机软件中，当发送端每10 s发送一次ID和相关数据时，接收标签能够按照既定的时间间隔正确地接收数据并实时显示在上位机软件中。经与标准仪器对比，所测温湿度数据的精度可满足要求。

    当软件中设定发射功率为0 dBm时，在开阔的试验场地测试测得通信距离为80 m左右；在封闭楼道内测试的通信距离在30 m~40 m。

　有源电子标签对低功耗性能指标要求极高，因为即使是1 ?滋A的静态电流在很长时间内也会消耗较多的电量，所以在硬件选型上应该特别注意这一点。如果需要设计一个低功耗性能突出的系统，在软硬件方面都需要认真考虑，硬件的低功耗性能至关重要，软件的低功耗措施也必不可少，尤其是需要长时间工作的系统，利用器件的休眠或待机状态能极大地降低系统的功耗。该有源温湿度传感标签已经用在某公司生产车间的温湿度监测系统中，并取得了很好的低功耗效果。