RFID阅读器与WSN节点的低功耗集成设计

张 熠，刘峰宁，曹 林

(1．南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京 210003；2．南京邮电大学通达学院，江苏扬州 225127)



RFID阅读器与WSN节点的低功耗集成设计

张 熠1,2，刘峰宁1，曹 林2

(1．南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京 210003；2．南京邮电大学通达学院，江苏扬州 225127)

WSN(无线传感器网络)与RFID(射频识别)技术具有很多共同应用领域，二者的融合有利于提高系统的功能与性能。WSN节点与RFID阅读器集成是WSN与RFID系统融合的一种重要方式。文中设计了一种可读写ISO/IEC 14443A标准RFID标签的WSN节点，分析了系统功耗的构成，从硬件电路和系统运行方面说明了低功耗实现策略，并进行了测试，结果表明该系统达到低功耗应用要求。

WSN节点；RFID阅读器；集成；低功耗策略；ISO/IEC 14443A标准

0 引言

WSN和RFID技术具有很多共同的应用领域和场合，如制造业的设备监控、物流业中货物存放与运输管理、医疗行业的药品器材管理与新生儿防盗、军事领域的枪械管理。具体应用中通常采用独立的WSN节点和RFID阅读设备，在系统的配置、软件设计以及能耗方面带来不必要的开销，不利于系统数据融合与提高管理效能，如将二者集成，可避免上述不足，使系统实施更为便利，减少现有系统软件更改和升级工作，并节省能耗[1]。

1 系统结构

本系统主要包括主控模块、传感器模块、无线网络射频通信模块、RFID读写模块和电源管理模块等部分，如图1所示。WSN节点方案常见2种[2]，一种是基于集智能内核与射频模块于一体的SOC单片机，如CC2430或CC2530等；另一种是采用低功耗单片机+独立射频收发器的方式，如MSP430单片机+CC2520，本系统采用后者。原因是CC2430/CC2530N集成的8051内核的性能远低于16位的MSP430，而功耗远高于MSP430。传感器模块包括单线数字接口温湿度传感器SHT11、红外感应传感器等，A/D通道配置模拟传感器信号调理电路。其中红外传感器可以用于用户持RFID靠近时实时唤醒系统；RFID模块采用ISO/IEC14443A标准RFID阅读器芯片MFRC522；RTC模块用于网络节点的时钟同步、标记数据采集及RFID读写时间、协同休眠、数据融合、时分多址接入等方面；电源模块主要由电池和电源管理芯片构成，可监控电池电量，保持系统电压稳定，延长电池寿命。显示模块为可选配置，采用段式LCD模块。

图1 传感器节点硬件框图

2 低功耗设计策略

2．1 系统功耗构成与低功耗设计分析

目前数字集成电路都采用CMOS制造工艺，电路功耗主要由动态功耗、静态功耗和短路功耗组成[3]，静态功耗是电路中无翻转时，电流从电源经过阻性通路至地线而引起的功耗，主要由亚阈值电流和反偏结的漏电流引起，这部分功耗很小，可忽略不计；短路功耗是在翻转过程中，PMOS和NMOS同时导通产生的从电源到地的短路电流引起的功耗，大多数数字电路短路功耗约占总功耗的5%～10%；动态功耗是当电路中有翻转时，对负载电容充放电而引起的功耗，整个系统功耗的主要组成部分，约占整体功耗的90%以上[3]。

常用式(1)来表示电路的动态功耗：

(1)

式中：CL为等效负载电容；VDD为工作电压；α为翻转概率，表示每个时钟周期中电容充放电的平均次数；fCLK为时钟频率。

从式(1)可以看到如降低动态功耗，可以通过减小负载电容、降低电源电压、降低翻转概率和降低时钟频率来实现。

从集成电路低功耗优化的角度，通常将优化分4个层次，自底向上分别为电路版图级、逻辑门级、寄存器级、系统级，各层次优化行为对整体功耗影响的程度是逐渐增大的。如图2所示。

图2 功耗优化层次与效率示意图

文献[4]给出了一般传感器节点各部分能量消耗的情况，如图3所示。可见传感器节点的大部分能量消耗在无线通信上。RFID阅读器与标签之间的无线通信同样消耗大量能量，因此尽可能减少通信是实现系统低功耗的必然措施。

图3 传感器节点功耗分布示意图

基于以上几点分析，本系统的低功耗设计采用以下几方面策略：(1)首先进行合理的器件选型，尽可能采用功耗低的器件、具有休眠或掉电功能的集成器件；(2)系统工作电压尽肯能降低或可调，工作频率可调，以实现更低的动态功耗；(3)减少无线通信的数据量，缩短通信时间；(4)依据系统功能和QoS要求，深入优化系统运行管理，减少系统正常工作时间，增加休眠时间。几方面策略的重点在于系统的休眠唤醒机制与运行管理模式。

2．2 系统硬件电路的低功耗设计

基于前述策略，首先选择主要器件时应满足低功耗要求。本系统中处理器采用新一代超低功耗单片机MSP430F5969，该系列堪称业界功耗最低，关断电流仅为0．02 μA。其主要特点有：(1)程序及数据采用非易失铁电存储器FRAM，支持超低功耗高速写入，可在4 ms 内可写入64 kB数据，比Flash/EEPROM写入速度快1 000倍以上，而写入功耗不到其1%；(2)采用超低漏电(ULL)技术，具有7种软件可选低功耗模式，运行功耗为100 μA/MHz，内置实时时钟(RTC)待机功耗为450 nA；(3)采用EnergyTrace+ +技术，可进行实时能耗调试。EnergyTrace ++是全球第一个可为为每个外设实时分析功耗(电流分辨率低至5 nA)的调试技术，可控制功耗预算并优化程序，以实现能耗最低的系统。MSP430F5969仍具有1．8～3．6 V宽工作电压范围，工作频率高达16 MHz，可切换到32 kHz低频时钟以降低功耗；具有32位硬件乘法器、12位ADC等丰富外设，可视需要屏蔽外设以降低功耗。芯片的多个USCI接口可配置为SPI与MFRC522及CC2520相连[5]。

RFID阅读器芯片采用MFRC522，2．5～3．6 V 电压供电，支持ISO14443A标准，有效通讯距离达50 mm，芯片工作电流小于100 mA。其低功耗模式包含硬件掉电、软件掉电和发送器掉电3种，硬件掉电时电流消耗5 μA，软件掉电时消耗10 μA。发送器运行时典型电流60 mA，在RFID读写较为频繁时，可使用发送器掉电以节省这部分功耗。

支持IEEE 802．15．4标准的无线收发芯片有多种，从性能、功耗、通信距离、通信频段等方面综合考虑，系统采用2．4 G射频收发器CC2520，该芯片具有250 kbit/s数据速率DSSS基带Modem，接收灵敏度-98 dBm，可编程输出功率达+5 dBm；支持1．8～3．8 V电压供电。具有数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、空闲通道评估、链接质量指示等资源，降低了主控制器的负载。其视线通信距离可达400 m，接收状态电流18．5 mA(-50 dBm)、发送状态25 mA(0 dBm)，休眠电流不到1 μA。

SHT11低功耗温湿度一体传感器采用两线串行数字接口，可输出全标定的温湿度数据。测量时电流0．55 mA，在测量和通讯完成后，SHT11可自动转入休眠模式，休眠电流仅有0．3 μA。C172型PIR热释电红外传感器外加透镜TR230，具有体积小、功耗低、检测距离远等特点。

系统中PIR红外传感器调理电路具有输出2路信号，接入MSP430FR5969 I/O口：一是数字输出，单片机该引脚设为外部中断口；另一路是模拟输出，接单片机A/D通道，单片机可观察模拟电平幅度。当模拟输出电压超过双限比较器的门槛电压后，数字输出产生下降沿信号，唤醒单片机；单片机通过片内A/D转换器读取红外传感器模拟输出电压，根据电压大小及上次读写RFID的时间选择是否执行读写RFID等操作，或采取合适的低功耗操作：如使MFRC522进入发送器掉电、软掉电或硬掉电，在RFID读写频繁时间段，以发送器掉电和软掉电为主，操作较少或基本无操作时段，以硬掉电为主；处理器任务完成进入休眠状态，直到下次红外传感器信号唤醒，或由RTC根据定时休眠时间唤醒。

2．3 系统供电管理

系统采用CR2450锂锰电池供电，电压3 V，容量550 mA·h(1 mA·h=3.6 C)；采用升压型DC-DC变换器MAX859进行电源管理，使用电源管理芯片可控制系统电源，便于调整功耗，延长系统寿命。MAX859输入电压范围0．8～6 V，输出电压在2．7～6．0 V之间可调，转换效率大于85%，因此电池电量相对不足时仍能驱动该芯片。静态工作电流为25 μA，关断模式电流1 μA。

2．4 休眠与唤醒策略

系统运行层次的低功耗策略对整体功耗影响最为显著，采用动态功耗管理(DPM)技术，在无任务相关事件发生时，使系统尽可能处于低能耗的休眠状态。休眠状态大量使用可能造成节点实时性及整个网络的QoS降低，系统运行管理是在二者之间寻求平衡点。应依据系统功能与性能要求，在保证QoS的前提下，拟定合理的协同休眠与唤醒策略，通过系统软件进行可靠实施。

本系统休眠与唤醒策略采用RTC唤醒与PIR红外传感器唤醒结合的方式，RTC唤醒时执行任务并记录任务发生频率，进行休眠唤醒周期动态调整；红外唤醒用于有RFID读写操作的时候。运行状态转换如图4所示。

图4 休眠唤醒示意图

系统运行具有4种状态：任务执行、空闲状态、浅度休眠以及深度休眠。休眠状态分为深浅两种模式，是依据MSP430FR5969、MFRC522、CC2520及传感器等器件具有多种低功耗模式，激活的资源多少及功耗有不同。在本系统中将MSP430FR5969的LPM3、LPM4及MFRC522的软掉电、CC2520的LPM1等的组合构成浅休眠模式，将MSP430FR5969的LPM3．5及MFRC522的硬掉电、CC2520的LPM2组合为深度休眠模式。在空闲状态系统任务队列为空，监测到任务需求(过程①)转入任务执行状态，带负荷运行，如采集监测数据及RFID信息并传送至其它节点；任务完成后(过程②)回到空闲状态；在任务较频繁的时段，每次执行完任务后在空闲状态短暂停留转入浅休眠状态(过程③)，发生RTC唤醒返回空闲态(过程④)；在任务频度较低阶段，休眠唤醒周期较长，空闲状态短暂运行进入深度休眠(过程⑥)，长时间处于深度休眠状态，以尽量减少空闲监听造成的能量消耗，发生RTC唤醒事件返回空闲状态(过程⑤)；在浅度、深度休眠状态，如发生红外传感器唤醒，则转入任务执行状态(过程⑦、⑨)，读取RFID信息后保存至FRAM,然后返回原休眠状态(过程⑧、⑩)，系统只在RTC唤醒时才将数据传送至其他节点。

2．5 节点时钟同步策略

RTC中断唤醒方式的基础是网络内时间严格同步，使整个网络中的节点协调完成任务。为此，各节点RTC维护一个绝对时间，通过3个方面实现同步：初始同步、周期性时钟校准、时钟漂移容错。这种以绝对时间为基准的时间同步策略具有低复杂度、低开销以及适应动态拓扑的优点[6]。

(1)初始同步。先由远程监控端向簇首节点发送同步数据包，内含绝对时间，各簇首节点收到后将绝对时间写入本地RTC，完成各簇首节点同步；然后簇首节点广播同步消息，簇内节点接收消息，实现簇内节点时间同步。

(2)周期性时钟自校准。每隔一定的工作周期(如24 h)，由远程监控端发布更新时间及偏差阈值，先对簇首RTC校准，再由簇首校准簇内传感节点的RTC。主要用于消除时钟漂移、时差累积造成的不同步，避免节点时隙交叠。

(3)时钟漂移容错。信道采用TDMA分配方式，为了防止不同节点在时间偏差时产生信号冲突，在节点周期发送数据时段和不同节点的工作时隙之间加保护时间，如图5所示。在工作周期内具有同步时间时隙TSYN及各节点工作时隙T1，T2，…，Tn,节点工作时隙内包含数据采集时隙TACQUIRE、数据发送时隙TSEND及保护时间TPROTECT，保护时间用于提高系统对时钟漂移的容错能力。这种法使系统对时钟漂移具备一定的容错能力，减少了数据碰撞，从而减少了通信能耗。

图5 信道时隙分配示意图

3 系统软件设计

系统软件除了通过子程序实现数据采集、无线网络通信、RFID读写等功能，可靠实施低功耗策略是关键。利用MSP430FR5969的片内高速非易失FRAM，维护休眠唤醒参数表，并动态调整系统分时段休眠与工作周期；依据任务频度实行同步浅度、深度休眠。节点主程序流程如图6所示。在上电后首先初始化射频模块，然后初始化RFID阅读器模块、数据采集模块及其他模块。传感节点在初始化完成以后开始接入WSN，接入成功后对RTC进行初始同步，由远程监控端发送休眠时间参数，保存至节点RFAM中，依据当前所处时段进入浅度或深度休眠。

图6 系统主程序流程图

唤醒后工作流程图如图7所示，依据唤醒源是热释电传感器C172或RTC，执行不同的处理流程：C172唤醒主要用于查询及读取RFID信息，保存至FRAM，加入待处理队列后返回休眠，因此只激活MFRC522；在RTC唤醒流程执行常规任务，激活全部或大部分外设，由任务队列取出任务逐一执行，包括RTC绝对时间更新或自校准、传感器数据采集、监测数据及RFID信息传送等。全部任务执行完、队列清空后返回休眠。从浅度休眠、深度休眠中唤醒后的处理主要区别在于激活外设、恢复现场以及重进入休眠的设置不同，执行用户与任务需求基本相同。

图7 休眠唤醒程序流程图

4 功耗测试

节点采用3．3 V电压供电，MSP430FR5969采用8 MHz主时钟，在关闭其他外设的情况下，对系统的各种操作如数据发送、接收、RFID读写等单独进行了功耗测量：射频通信频率为2 447 MHz，发送数据输出功率为1 dBm，测得平均电流为28．7 mA，接收状态为23．4 mA；RFID读写操作平均电流为59．2 mA；温湿度测量平均电流为2．3 mA；浅休眠状态MCU采用LPM3模式，CC2520采用LPM1模式，RFID软掉电，平均电流为0．19 mA；深度休眠状态MCU采用LPM3．5模式，CC2520采用LPM2模式，RFID硬掉电，平均电流为0．052 mA。通过与芯片数据表给出的参数及有关文献[7-8]的功耗测试数据比较可见，系统达到了低功耗的预期目标。

节点投入实际运行的功耗及节点寿命将主要由业务量决定，差别可能极大。由于RFID读写操作电流远大于其操作电流，只在PIR传感器中断唤醒系统时执行RFID操作，可以避免RFID空闲检测的大量能耗。

5 结束语

融合WSN与RFID技术可实现兼具目标识别和环境感知的高性能系统，RFID阅读器与WSN节点的集成是两种技术融合的方式之一。针对目前广泛应用的ISO/IEC 14443 A标准的RFID技术，给出了RFID阅读器与WSN节点的一体化设计，并从硬件设计和系统运行方面阐述了实现低功耗的策略，具有较强的实用性。

[1] ZHANG Y，YANG L T,CHEN J．RFID与传感器网络：架构、协议、安全与集成．谢志军，译．北京：机械工业出版社，2012．

[2] 魏春娟，杨俊杰，吕剑．一种低功耗无线传感器网络节点的设计．仪表技术与传感器．2013(6):128-130．

[3] ROY K，PRASAD S C．Low-power CMOS VLSI circuit design．New York:Wiley Interscience Publication,2000．

[4] ESTRIN D．Wireless Sensor networks tutorial part IV:sensor network Protocols．Mobicom 2002,Atlanta,2002．

[5] Texas Instruments．MSP430FR59xx Mixed-Signal Microcontrollers [EB/OL]．(2014-08)[2014-09] http://www．ti．com/product/ msp430fr5957?qgpn=msp430fr5957．

[6] 严斌宇，刘戈，夏小凤，等．无线传感器网络时钟同步技术．计算机测量与控制，2009,17(6):1235-1238．

[7] 于凯，谢志军，金光，等．低功耗无线传感器网络节点设计与实现．微电子学与计算机，2012,29(9):157-163．

[8] 张永梅，杨冲，马礼，等．一种低功耗的无线传感器网络节点设计方法．计算机工程，2012，38(3):71-74．

Low-power Integration Design of RFID Reader and WSN Node

ZHANG Yi1,2,LIU Feng-ning1,CAO Lin2

(1．College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China; 2．Tongda College，Nanjing University of Posts and Telecommunications,Yangzhou 225127,China)

Wireless sensor networks (WSN) and RFID have many common application areas;merging these two technologies will expand their overall functionality and capacity．Integrating WSN nodes with RFID readers is an important mean to merge WSN and RFID technologies．A WSN node which can read/write RFID tags of ISO/IEC 14443A was designed．The composition of the node’s power consumption was analyzed and low-power strategies were discussed from the aspects of hardware design and system operation．The power consumption test shows that the system can meet the requirement of low power．

WSN node；RFID reader；integration；low-power strategies；ISO/IEC 14443A

南京邮电大学实验室项目基金(2014XSG01，2013XSG03)；国家大学生创新训练计划(201410293006Z)

2014-09-25 收修改稿日期:2015-02-18

TP212．9

A

1002-1841(2015)07-0041-04

张熠(1970—)，讲师，硕士，研究方向为测控技术与嵌入式系统应用。E-mail：yzhangnj@126．com