CN101853565B

CN101853565B - 一种基于rfid的超低功耗无线测温节点

Info

Publication number: CN101853565B
Application number: CN2010101760579A
Authority: CN
Inventors: 龙兵; 满翔; 田书林; 刘震
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: CN101853565A

Abstract

本发明公开了一种基于RFID的超低功耗无线测温节点，根据具体情况的需要，可以控制无线测温节点中的温度传感器模块、射频控制模块按照用户定义的温度采集频率和采集时间进行接通和断开，在非工作时间段内完全关断这两个模块的电源，以此来进一步地降低无线测温节点的能量消耗，有效降低整个系统的功耗，从而延长了电池的使用周期，使无线测温节点的使用寿命更长，能量使用更为高效。采用无线传输方式进行数据传输，测温系统中无需布线，节省安装费用，不会破坏监测区域的环境结构，根据需要可随意移动，使用寿命长；此外，本发明为模块化设计，装置简单，节点整体尺寸小，安装方便。

Description

一种基于RFID的超低功耗无线测温节点

技术领域

本发明属于无线温度数据采集技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于RFID的超低功耗无线测温节点。

背景技术

温度是工业控制和仓库物品储备等领域中主要的被控参数。随着当今科技的不断进步，各个领域对温度测量精确度要求的提高，简单、便捷、成本低的测温系统越来越受到关注。现有的无线测温技术已近突破了传统的由测温传感器，分线器、测温分机和控制主机等部件，并由有线电缆、电线进行数据传送的结构局限。

传统的RFID(Radio Frequency Identification)系统只是具备定位被识别的目标，同时获取被识别对象相关数据的功能。当电子标签具有感知能力后，它就不再是传统意义上的标签了，而是RFID技术和无线传感网络技术相结合的产物。虽然这些节点不具备无线传感网络自动组网进行无线通信的功能，但是可以使RFID标签具有无线传感的功能。近年来随着RFID技术的迅猛发展，通过射频识别技术将无线传输与传感技术相结合的方式来实现无线测温已经实现。

当前无线测温系统基本都选用单片机作为主控芯片，另外与射频收发芯片和传感器共同构成无线测温节点。由于一般无线测温节点都分布放置在仓库内，或是随着物品移动，所以都采用主动式标签作为载体。因此在这种无线测温系统中，节点都采用电池供电方式，以此来减少电源线路的布置，以及更好的消除电信号干扰。

现有技术中，无线测温节点在实际运行过程中，能耗主要来源于无线传输，传感和数据处理这三部分，所以大多数无线测温节点的低功耗设计都是采用选取硬件低功耗方式，如低功耗芯片和芯片低功耗的工作模式等来的降低无线测温节点整体的功率消耗。现有大多数射频芯片都有休眠模式、掉电模式等低功耗的工作方式，应用中可以设置这些工作方式以此来降低功耗，但是传感器的功耗却是相对固定的。以已有的无线测温节点为例，采集温度数据最常选用的传感器是美国DALLAS公司生产的低功耗单总线数字温度传感器DS18B20，但是其功耗相对于射频收发系统级芯片nRF9E5，传感器的静态功耗占了整个系统功耗的70％以上，所以研究进一步降低无线测温节点功耗，延长电池的使用寿命，减少更换电池频率，是一个高效的低功耗无线测温系统首要考虑的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服目前无线测温节点中低功耗设计的问题和不足，提供一种更为高效的基于RFID的超低功耗无线测温节点。

为实现上述发明目的，本发明的基于RFID的超低功耗无线测温节点，包括：

电池；

一温度传感器模块，由超低功耗数字式温度传感器芯片以及其外围电路构成，用于采集环境温度数据；

一射频控制模块，包括嵌入式微处理器和RFID射频收发器，嵌入式微处理器控制和读取温度传感器模块采集的环境温度数据，同时进行打包数据处理，RFID射频收发器将打包数据以射频信号形式主动发送给无线测温系统的阅读器；

其特征在于，还包括：

一电源管理控制模块，其电源供电与电池连接，用于根据用户定义的温度采集频率和采集时间，控制温度传感器模块以及射频控制模块的电源端按照用户定义的温度采集频率和采集时间与电池接通和断开。

本发明的发明目的是这样实现的：

从本发明的技术方案可以看出，本发明提供的基于RFID的超低功耗无线测温节点，充分利用了RFID技术在短距离通信方面的优势，设备构成简单，在具有射频识别功能的基础上还具有温度测量的功能。本发明的基于RFID的超低温无线温度测量节点尤其适用于部署在仓库等室内场合，可以作为RFID标签的形式放置在需监测的区域的各监测点或需监测的物体表面，由温度传感器芯片采集到的环境温度数据或物体表面温度信息能以数据包的形式通过无线射频传输方式立即传送给阅读器。阅读器中包含与无线测温节点相同的射频接收器，以便更好地接收各个节点的数据包，数据在阅读器中经过简单处理后通过串口上传到上位计算机中。上位机根据各节点不同的ID确定相应位置的温度信息，存储数据并判断该节点处温度是否异常，同时可供后续数据分析处理及相应操作。

相对于已有的技术，本发明的基于RFID的超低功耗无线测温节点具有以下特点：

采用低功耗电源管理控制设计，根据具体情况的需要，无线测温节点中的温度传感器模块、射频控制模块的电源供电按照用户定义的温度采集频率和采集时间进行接通和断开，即控制温度传感器模块、射频控制模块工作频率及工作时间，在非工作时间段内完全关断这两个模块的电源，以此来进一步地降低无线测温节点的能量消耗，有效降低整个系统的功耗，从而延长了电池的使用周期，使无线测温节点的使用寿命更长，能量使用更为高效。

同时，本发明采用超低功耗数字传感器芯片，从硬件方面着手，在元器件本身有效控制单次采集数据的能量消耗。采用无线传输方式进行数据传输，测温系统中无需布线，节省安装费用，不会监测区域的环境结构，根据需要可随意移动，使用寿命长；

此外，本发明为模块化设计，装置简单，节点整体尺寸小，安装方便。

附图说明

图1是本发明基于RFID的超低功耗无线测温节点的一种具体实施方式原理框图；

图2是图1所示的温度传感器模块与射频控制模块一种具体实施方式电路原理图；

图3是图1所示的电源管理控制模块的电路原理图；

图4是图1所示的无线测温节点在无线测温系统中的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于RFID的超低功耗无线测温节点的一种具体实施方式原理框图

在本实施例中，如图1所示，基于RFID的超低功耗无线测温节点，包括温度传感器模块1、射频控制模块2、电源管理控制模块3以及电池4。

温度传感器模块1由超低功耗数字式温度传感器芯片以及其外围电路构成，用于采集环境温度数据；射频控制模块2包括嵌入式微处理器201和RFID射频收发器202，嵌入式微处理器201控制和读取温度传感器模块采集的环境温度数据，同时进行打包数据处理，然后，RFID射频收发器202将打包数据以射频信号形式主动发送给无线测温系统的阅读器。

电源管理控制模块3的电源VCC与电池4连接，用于根据用户定义的温度采集频率和采集时间，控制温度传感器模块1以及射频控制模块2的电源V+按照用户定义的温度采集频率和采集时间与电池接通和断开，即控制温度传感器模块1、射频控制模块2工作频率及工作时间，在非工作时间段内完全关断这两个模块的电源，以此来进一步地降低无线测温节点的能量消耗，有效降低整个系统的功耗，从而延长了电池4的使用周期，使无线测温节点的使用寿命更长，能量使用更为高效。

图2是图1所示的温度传感器模块与射频控制模块一种具体实施方式电路原理图

在本实施例中，如图2所示，温度传感器模块1采用的超低功耗数字式温度传感器芯片为TMP102，其封装体积小，是TI公司推出的业界最小的低功耗数字温度传感器。TMP102具备SMBus/双线串行接口，同时封装采用了SOT563(1.7×1.7mm)的形式，其包含引线的高度仅有0.6毫米，比目前市场上带引线的其它器件小30％，并且该传感器还具备SMB报警功能。TMP102采用“单触发”模式，即传感器在上电时间刚好完成测量，接着随即回复断电模式，其在关断模式下的最大电流仅为1uA，工作模式下的最大静态电流也仅为10uA，电源电压范围为1.4V～3.6V。TMP102有一个地址引脚ADD0，它与SDA、SCL、V+和接地引脚配合使用可生成四个不同的总线地址，这样就在一条SMBus上最多可以同时支持四个TMP102温度传感芯片。在本实施例中，地址引脚ADD0，即4脚接地，其总线地址为1001000。TMP102温度传感芯片TMP102的SCL、SDA，即1、6脚，并通过上拉电阻与温度传感器模块的供电V+相连；电源端，即5脚通过一小于5KΩ电阻与温度传感器模块的供电V+，通过一大于10nF电容与地GND连接，这种连接构成RC滤波，减小电源噪声干扰；地端，即2脚与地GND连接；ALERT端即3脚，报警功能不使用。

在本实施例中，本发明的基于RFID的超低功耗无线测温节点的射频通信工作于433MHz频段，射频控制模块2采用nRF9E5射频芯片。nRF9E5是挪威Nordic VLSI公司的射频片上系统级芯片，其内置nRF905433/868/915MHz收发器、8051兼容微控制器和4输入10位80ksps A/D转换器，是真正的系统级芯片。内置nRF905收发器可以工作于ShockBurst(自动处理前缀、地址和CRC)方式；内置电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为系统提供1.9～3.6V的工作电压；QFN5×5mm封装，具有载波检测，只需要极少的外部元件。另外，其输出功率、频道和其它射频参数可通过对射频配置寄存器编程进行控制。发射模式下射频电流消耗为11mA，接收模式下为12.5mA，也可通过程序控制收发器的开/关，以达到低功耗的目的。nRF9E5符合美国通信委员会和欧洲电信标准学会的相关标准的要求，其功耗低、工作可靠，因此很适用于低功耗要求的短距离无线通信。

由于射频芯片nRF9E5上没有专门的SMBus/双线串行接口，所以将温度传感器芯片TMP102的串行接口，即时钟线SCK和数据线SDA引脚分别连接射频芯片nRF9E5的两个I/O引脚，即P0.3、P0.4上，用软件编程来模拟SMBus/双线串行接口通信协议。由射频芯片nRF9E5内部的微处理器通过时钟线SCK和数据线SDA提供温度传感器芯片TMP102的温度测量控制信号和数据读取信号。

图3是图1所示的电源管理控制模块的电路原理图

在本实施例中，电源管理控制模块3包括：

一时钟芯片301，其时钟线SCK引脚和数据线SDA引脚分别连接到射频控制模块2的两个I/O引脚，即P0.5、P0.6上，用软件编程来模拟I2C总线的串行接口通信协议；在本实施例中，由于射频控制模块2采用nRF9E5射频芯片，而nRF9E5射频芯片上没有专门的I2C总线串行接口，因此，将nRF9E5射频芯片的两个I/O引脚，即P0.5、P0.6用软件编程来模拟I2C总线串行接口通信协议；时钟芯片301的电源供电与电池4连接，即电源供电引脚VCC与电池4正极连接，电池负极与地连接；

一低功耗的P沟道场效应管302，其G极与时钟芯片301的中断输出引脚INT相连，S极与电池4正极相连，D极与所述射频控制模块2、温度传感器模块1的电源端V+相连；

一触点开关K，其一端连接到中断输出引脚/INT，另一端连接到地；

无线测温节点首次启动时，按动触点开关K，此时P沟道增强型场效应管302G极得到一个低电平，S极与D极导通，D极输出正电压给射频控制模块2和温度传感器模块1，射频控制模块2和温度传感器模块1上电启动；

射频控制模块2和温度传感器模块1上电启动后，射频控制模块2中的嵌入式微处理器将程序数据通过与时钟芯片301的时钟线SCK引脚和数据线SDA加载到时钟芯片301上，完成对时钟芯片301的初始化配置，并将定时时间以倒计数数值的形式存入倒计数数值寄存器中，中断标志位TF置为0。

触点开关K断开后，定时器启动，倒计数数值寄存器开始倒计数，P沟道增强型场效应管302G极变为高电平，S极与D极断开，射频控制模块2和温度传感器模块1同时掉电停止；

当倒计数结束时，中断标志位TF置1，产生低电平中断信号输出，该低电平输出到P沟道增强型场效应管302的G极，同时S极与D极导通，D极输出正电压给射频控制模块2和温度传感器模块1，射频控制模块2和温度传感器模块1上电开始工作；

当射频控制模块2将数据包成功发送给阅读器并且收到阅读器成功接收返回信号，即无线测温节点与阅读器成功完成一次通信后，射频控制模块2中的嵌入式微处理器给时钟芯片的倒计数数值寄存器重新装载倒计数数值，将时钟芯片301的中断标志位TF置零，时钟芯片的中断输出引脚/INT电平被拉高，P沟道增强型场效应管302S极与D极断开，射频控制模块2和温度传感器模块1停止工作，时钟芯片301开始进入下一个工作周期。

根据实际需要自定义无线测温节点节点工作频率，即中断时间间隔，由存入倒计数数值寄存器的倒计数数值决定，因此，在本实施例中，中断时间间隔也就是定时时间。无线测温节点中断时间间隔内不工作，完全处于关断状态，更大程度上的降低节点功耗。

如图3所示，在本实施例中，选用低功耗由P沟道增强型场效应管BSH205构成模拟开关，其开启电压只有-0.68V，其漏电流也只有不到1A，功耗不到1W，采用STO23贴片小封装。场效应管功耗低、动态范围大、安全工作区域宽、热稳定性好、没有二次击穿现象，这些特点尤其适用于做本实施例中的开关器件。

本实施例中，时钟芯片为飞利浦公司PCF8563，P沟道增强型场效应管采用BSH205。时钟芯片PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递，典型工作电流值为0.25μA，工作电压范围1.0～5.5V，低休眠电流典型值为0.25μA。最大I²C总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563内嵌掉点检测器可用来实现电池电压检测功能，当节点电池电压慢速降低，达到系统工作电压最低值V_Low时，秒寄存器中的标志位VL被置1，同时产生中断，标志位VL只可以用软件清除。

本实施中，所述场效应管的G极与时钟芯片PCF8563的中断输出引脚相连，S极与电源电池正极相连，D极与所述射频控制模块2、温度传感器模块1的V+相连。场效应管的D极做输出，S极电位固定，控制信号加在G极上，只要G极与S极之间的电压差满足要求了，就能固定D极的输出电压，与负载无关。当G极得到由时钟芯片PCF8563中断输出的一个低电平信号时，S极始终为高，这跟控制信号即G极信号的绝对电位无关，只要控制信号与S极的电源电压之间的差值大于MOS管的门限电压值，S极与D极导通，D极输出正电压给负载供电。

在本实施例中，电源管理控制模块3的工作过程如下：无线测温节点首次启动时，按动触点开关K，此时P沟道增强型场效应管G极得到一个低电平，S极与D极导通，D极输出正电压给射频控制模块2和温度传感器模块1；射频控制模块2和温度传感器模块1上电开始工作；

射频控制模块2和温度传感器模块1开始工作后，射频控制模块2中的嵌入式微处理器将程序数据通过与时钟芯片PCF8563时钟线SCK引脚和数据线SDA加载到时钟芯片PCF8563上，对时钟芯片PCF8563中控制/状态寄存器1、控制/状态寄存器2、定时器控制寄存器以及定时器倒计数数值寄存器的配置，完成对芯片PCF8563的初始化设置。初始化时将0x00写入控制/状态寄存器1，即时钟芯片PCF8563工作在普通模式，并且时钟芯片时钟运行，电源复位功能失效。向控制/状态寄存器2写入0x01，即芯片TF和/INT同时有效，关闭报警功能，并且定时器中断有效，中断标志位TF为0，当定时器标志位TF为1时便产生一个中断。定时器倒计数数值寄存器由定时器控制寄存器控制，定时器控制寄存器用于设定定时器有效或无效，以及设定定时器的频率，在本实施例中，因为定时时间较长所以选用1/60Hz频率，写入值为0x83。在定时器倒计数数值寄存器中写入中断间隔时间，即产生两次中断输出的间隔时间，每次定时器倒计数结束时标志位TF被置逻辑1，定时器标志位TF只可以用软件清除，标志位TF用于产生一个中断信号。

每次无线测温节点工作时，嵌入式微处理器都读取秒寄存器中标志位VL，一旦电池电压降低到无线测温节点工作电压最低值V_Low时，时钟芯片PCF8563的秒寄存器中的标志位VL被置1，标志位VL只能用软件清除，同时也产生一个中断输出信号。每次采集温度数据时，嵌入式微处理器读取标志位VL，当其为1时，则将该值写入数据包中，随采集到的温度数据一起发送给阅读器，以通知后方控制人员更换电池，避免应电量不足产生错误数据。若读取到的标志位VL为0时，电池电压正常，则无线测温节点可以正常进行工作。

图4是图1所示的无线测温节点在无线测温系统中的应用示意图

在本实施中，如图4所示，本发明的基于RFID的超低功耗无线测温节点具体应用在无线温度测量系统时，在各测量区域内需要测量的测点或被测物体上放置无线测温节点，每个节点都有自己的ID，同时每个阅读器也有自己的ID。无线测温系统设置还包括阅读器和上位计算机，这里所述的节点即超低功耗无线测温节点，实现对其周围环境温度的自动测量、温度数据的无线传输和节点电池电量检测，测量时间间隔可以预先设置。无线测温节点将得到的温度数据进行简单处理后打包，以主动工作方式传输给指定的阅读器，阅读器将接收到的数据进一步处理后再上传给上位计算机。

测量区域内的各阅读器是连接无线测温节点和上位计算机之间的桥梁，一方面阅读器的射频发射器和无线测温节点的射频发射器之间构成无线射频通讯连接。另一方面阅读器利用串行接口通讯协议通过串口，将测温节点测量到的温度数据传输给上位计算机做进一步的处理。上位计算机上运用相应的后台处理软件，将上传的温度数据数据进行处理，利用数据分析系统判断温度变化趋势，经过分析运算得出是否需要调整温控系统的预警。一旦判断出需要调整温控系统，后台软件还可以通过上传数据中的无线测温节点ID信息给出需要调整的区域定位。

本发明实施例中的结构设置可以使系统技术指标达到室内无线通讯距离最远达到80米，并且能够有效的降低系统功耗，同时在更大程度上减小了电路板的尺寸，使得测温节点在不损失其功能效果的基础上体积更加小巧。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种基于RFID的超低功耗无线测温节点，包括：

电池；

其特征在于，还包括：

一电源管理控制模块，其电源供电与电池连接，用于根据用户定义的温度采集频率和采集时间，控制温度传感器模块以及射频控制模块的电源端按照用户定义的温度采集频率和采集时间与电池接通和断开；

所述的电源管理控制模块包括：

一时钟芯片，其时钟线SCK引脚和数据线SDA引脚分别连接到射频控制模块的两个I/O引脚，用软件编程来模拟射频控制模块的两个I/O引脚的I²C总线的串行接口通信协议；时钟芯片的电源供电与电池连接；

一低功耗的P沟道场效应管，其G极与时钟芯片的中断输出引脚相连，S极与电池正极相连，D极与所述射频控制模块、温度传感器模块的电源端相连；

一触点开关，其一端连接到中断输出引脚，另一端连接到地；

无线测温节点首次启动时，按动触点开关，此时P沟道增强型场效应管G极得到一个低电平，S极与D极导通，D极输出正电压给射频控制模块和温度传感器模块，射频控制模块和温度传感器模块开始工作；

射频控制模块和温度传感器模块开始工作后，射频控制模块中的嵌入式微处理器将程序数据通过与时钟芯片时钟线SCK引脚和数据线SDA加载到时钟芯片上，完成对时钟芯片的初始化配置，并将定时时间以倒计数数值的形式存入倒计数数值寄存器中，中断标志位TF置为0；

触点开关断开后，定时器启动，倒计数数值寄存器开始倒计数，P沟道增强型场效应管G极变为高电平，S极与D极断开，射频控制模块和温度传感器模块同时掉电停止；

当倒计数结束时，中断标志位TF置1，产生低电平中断信号输出，该低电平输出到P沟道增强型场效应管的G极，同时S极与D极导通，D极输出正电压给射频控制模块和温度传感器模块，射频控制模块和温度传感器模块上电开始工作；

当射频控制模块将数据包成功发送给阅读器并且收到阅读器成功接收返回信号，射频控制模块中的嵌入式微处理器给时钟芯片的倒计数数值寄存器重新装载倒计数数值，将时钟芯片的中断标志位置零，时钟芯片的中断输出引脚电平被拉高，P沟道增强型场效应管S极与D极断开，射频控制模块和温度传感器模块停止工作，时钟芯片开始进入下一个工作周期。

2.根据权利要求1所述的基于RFID的超低功耗无线测温节点，其特征在于，时钟芯片内嵌有掉电检测器，用来实现电池电压检测功能，当电池电压慢速降低，达到系统工作电压最低值时，时钟芯片的秒寄存器中的标志位VL被置1，同时产生中断；

每次采集温度数据时，嵌入式微处理器读取标志位VL，当其为1时，则将该值写入数据包中，随采集到的温度数据一起发送给阅读器，以通知后方控制人员更换电池，避免因电量不足产生错误数据。