一种双模式通信的低功耗有源RFID模组设计

2021-06-18王鹏程朱长青谷志峰

现代电子技术 2021年11期

王鹏程，朱长青，谷志峰，刘畅

（1.陆军工程大学石家庄校区，河北石家庄 050000；2.石家庄铁道大学，河北石家庄 050000；3.中国人民解放军32214部队，江苏南京 210000）

0 引言

随着我国电网信息化程度不断提高，完善电力相关企业信息化建设、实现电力设备与用户之间的信息互动、充分发挥信息技术在重大决策和现代化管理中的作用愈发显得重要。对电力系统设备进行状态监测、故障诊断及全寿命周期管理，对于提高电力系统设备的运行可靠性与利用率，实现设备的优化管理具有重要的科学意义与实用价值。物联网技术是实现电力系统设备监测与管理智能化、自动化的有效手段，可有效提升电力系统设备的稳定运行性能，提高电力设备资产的监管效率。

但由于受到应用需求多样化、协议支持厂商不同等实际情况的制约，导致现有技术是差异化、非标准化的[1]，存在互兼容性差、功耗大以及运行成本高等缺点。随着能源系统中各环节设备全周期监测、全状态感知和全业务穿透的趋势愈加明显，应用于物联网终端的射频识别（RFID）模块需兼顾低功耗与普适性。

为解决以上物联网技术应用到电力网络中产生的问题，许多人提出了不同的解决办法。例如，针对目前起动电池、小型设备电池及其他零散使用的电池的状态监测困难问题，文献[2]提出基于Wi Fi的无线电池监测系统，将单片机、WiFi无线收发模块和电压传感器封装到蓄电池内部，实现对蓄电池状态的全天候监测以及灵活的无线读取，但是Wi Fi无线收发模块的待机功耗对蓄电池电量造成了很大浪费。文献[3]将低频唤醒技术与ZigBee技术结合起来，解决了ZigBee无线收发模块的待机功耗问题，但ZigBee本身的功能也受到了限制，导致同样功能下电路成本变高。文献[4]设计的RFID标签射频唤醒电路，通过使用无源器件搭建倍压整流电路唤醒无线传感器，但是该设计功能单一，除去产生直流唤醒信号外，不能为被唤醒状态提供其他有效信息。

针对以上问题，本文提出一种将近场通信（NFC）技术与低频唤醒技术相结合的无线唤醒解决方案，设计一种可实现点对点NFC及近程广播唤醒的有源RFID模组，采用AT指令作为用户接口，使模组简单易用，同时兼顾了物联网终端对RFID模块的低功耗与体积要求。

1 有源RFID模组总体结构设计

为解决数量众多、分布范围广、应用环境较复杂的电气设备或节点的监测管理问题，基于RFID技术的物联网节点设备被广泛地应用在电力系统中[5⁃9]。然而，多数电气系统设备上的物联网节点大部分时间无数据通信，导致RFID模块浪费了大量能量，尤其在需要人工巡检的场合，功率浪费问题尤为明显，多数采用的RFID模块定时唤醒策略并没有从根本上解决问题。应用低频唤醒技术唤醒低频接收器，从而间接唤醒RFID模块是个不错的解决办法，像AS3933之类的低频接收器芯片，目前也广泛应用在各种低功耗通信的场合[6]。但其存在唤醒方式单一、未知设备ID情况下不能唤醒指定设备等问题。

为满足电力物联网[10⁃12]对RFID模块的低功耗、灵活性与普适性要求，本文提出一种双模式通信的有源RFID模组设计，其总体结构设计如图1所示。

图1 总体结构设计图

该模组由标签模块和读写器模块两部分组成。

标签模块由微控制器（MCU）、低频唤醒电路、315 MHz发射电路、双界面NFC标签电路及其数据与电源接口组成。读写器模块由MCU、低频天线驱动电路、315 MHz接收电路、NFC读卡器电路及其数据与电源接口组成。

该模组可满足以下业务需求。

1.1 广播通信

1.1.1 组合式无线收发模块

针对物联网终端设备的低功耗、近距离信息读取问题，通常采用无线收发模块+定时唤醒的方式解决，但这种方式没有从根本上解决问题，在标签空闲时仍会出现无效的定时唤醒情况。部分文献提出低频唤醒+无线收发模块的低功耗解决方式，如文献[3]提出的低频唤醒+ZigBee、文献[6]的低频唤醒+CC2500等，这种方式的确避免了ZigBee等无线收发模块的无效接收功耗问题，但是低频唤醒大约10 m的唤醒距离限制了无线收发模块的功能，造成成本升高，同时在未知低频唤醒设备ID的情况下，存在不能唤醒特定设备的问题。

本文采用低频唤醒+单发/单收单元的组合式模块代替传统的无线收发模块，具体见图1红色虚线部分。标签模块上采用低频唤醒接收器+315 MHz发射电路的组合，待机时只有2μA的电流消耗，当低频唤醒接收器收到读写器模块发来的低频唤醒信号后，唤醒标签模块MCU，标签模块MCU将唤醒信号传给外部MCU处理，并将待发送信息通过315 MHz发射电路传送到读写器模块的315 MHz接收电路，从而完成完整的发收过程而没有无效的接收功耗，而且采用315 MHz单发/单收单元的成本要比诸如ZigBee、nRF24L01等无线收发模块低。

1.1.2 广播通信实现

当把标签模块的低频唤醒接收器唤醒码设置为相同时，可实现广播唤醒，即一个读写器模块唤醒多个标签模块，从而实现广播通信。这样可以一次批量读取多个电力设备信息，提高巡检效率。

1.2 点对点NFC信息读取

为解决低频唤醒技术不能唤醒特定设备的问题，本模组设有可实现低功耗点对点通信的NFC电路。NFC技术是一种近距离非接触无线通信技术，近几年随着物联网的发展得到了广泛的应用。但其绝大多数应用场合局限于单界面智能卡与读卡机的非接触通信，要将其应用到电力物联网场合，需要对其进行拓展。

标签模块采用双界面NFC标签芯片与读写器模块进行交互。双界面NFC标签芯片除了能以非接触方式和NFC读卡器通信之外，还具有能和外部MCU交互的接触式接口。此功能为现有的MCU系统提供一个接触的通信信道，MCU可通过此信道与读卡机之间进行即时或非即时的数据交换。同时，NFC标签芯片具备场检测功能，内置可配置输出电压的低压差线性稳压器，通过此功能，NFC标签芯片可与外部MCU通信而不需耗费自身能量，从而实现低功耗的点对点NFC通信。

1.3 AT指令模块操作

本文所设计的有源RFID模组可应用到任意物联网终端上，配合终端MCU使用。因此，为屏蔽底层驱动程序差异，提高模块易用性，本文设计了一套用于此模块的AT指令集。任意物联网终端可通过串口（USART）与该模组通信，使用AT指令对模块进行设置、读取/写入数据等，大大减小了开发的难度。

2 标签模块

2.1 标签模块MCU部分设计

接收机微控制器选择意法半导体公司的基于Cortex⁃M4内核的单片机STM32L412KB，该单片机内部集成了128 KB的FLASH存储器和40 KB的SRAM；动态运行模式时电流低至79μA/MHz，低于老牌的低功耗MSP430系列单片机；支持7种低功耗模式和快速唤醒，具体电路如图2所示。

图2 标签微控制器部分电路

本设计中采用尽量精简的最小系统外围电路，以节约电路成本及电流消耗。外围硬件仅保留复位按键，以便在程序跑飞时提供必要的复位功能。A1引脚用于该模组接收AT指令时唤醒模组的MCU，该模组正常工作时，MCU处于低功耗模式（停止模式2，任意外部中断可将其唤醒），物联网终端为A1引脚提供上升沿信号唤醒模组的MCU。预留有UART通信接口（RX、TX），为终端MCU提供简单灵活的通信方式。

2.2 接收机NFC部分设计

NFC的工作频段是13.56 MHz，传输速率为106 Kb/s，212 Kb/s或424 Kb/s，理论上可以达到1 Mb/s或者更高；有效的通信距离一般在100 mm左右，取决于天线的设计。

接收机的NFC芯片采用FM11NT081DI，该芯片是复旦微电子公司开发的符合ISO/IEC14443⁃A协议和NFC Forum Type2 Tag标准，并带有I2C接口的双界面NFC标签芯片。该芯片提供场检测功能，开漏输出的FD引脚信号可作为中断源，用于唤醒终端MCU。

本文的标签模块同时使用FM11NT081DI标签芯片的两种通信方式，接触式通信采用I2C方式和标签模块MCU通信，用于间接获取外部MCU发来的命令以及数据。非接触式通信遵守ISO/ISC14443⁃A协议，负责接收读写器模块的命令并将从外部MCU获取的数据发送给读写器。具体电路如图3所示。

图3 标签NFC部分电路

2.3 标签模块低频唤醒部分设计

标签模块的低频唤醒部分采用上海磐启微电子的PAN3501低频唤醒接收器，该芯片工作在15~150 kHz频率范围，且具备天线自调谐功能。外围电路简单，只需要3个调谐电容及1个低频接收天线，本设计中天线采用Sumida的CAS13D31汽车级三轴天线[10]。该电路工作时需3.3 V供电，最大电流为2.2μA，成本和功耗与常用的AS3933相比都有优势。接收低频唤醒信号距离一般为10 m，取决于读写器低频天线的功率。具体电路如图4所示。

低频唤醒模块3个调谐电容均选用180 p F，搭配芯片内部电容器组实现125 kHz的精细天线调谐。该模块上电后，会以三通道扫描模式监听空气中的125 kHz低频载波。当任一通道检测到载波存在时，所有三个通道立即被激活，并现场评估哪个通道具有最强的接收信号强度（RSSI），具有最高RSSI的通道将被传送到解调器。解调后的数据在PAN3501芯片内部与设定好的唤醒码格式进行比较，唤醒码格式见表1。如果前导码和模式匹配码均匹配，则唤醒中断WAKE引脚变高，标签模块MCU被唤醒进行数据接收，否则，继续回到监听模式。

图4 标签低频唤醒部分电路

表1 唤醒码格式

为保证广播唤醒功能的实现，本文所有标签模块的前导码和模式匹配码所设定内容均相同，用户可通过相应AT指令进行修改。

2.4 315 MHz发射电路设计

为配合低频唤醒接收机实现完整的无线收发功能而又不造成过高成本，标签模块的发射模块选用315 MHz的SYN115发射芯片，该芯片外围电路简单，编码灵活，具体电路如图5所示。

图5 标签315 MHz发射电路

2.5 标签模块软件设计

标签模块运行流程图如图6所示。模块上电或复位后，首先进行低频唤醒模块初始化，配置相应的引导码、模式匹配码等，使之符合与读写器模块的通信协议，并将天线调谐至125 kHz，而后初始化NFC标签模块，将标签的数据清空以免影响程序的判断。315 MHz发射电路不需要初始化，发射数据时按相应程序编码即可。最后标签模块MCU进入低功耗模式（停止模式2）等待唤醒信号，该模式下，电流消耗为0.7μA，唤醒时间<4μs。任意外部中断均可将其唤醒，本模块中唤醒源有3个：低频唤醒接收机PAN3501的WAKE信号、NFC芯片FM11NT081DI的FD中断信号以及A1接口的AT指令上升沿信号。

图6 标签模块运行流程图

为提高模块的易用性，加快工程开发速度，本模块预留有和外部MCU通信的接口，支持串口通信，用户可通过AT指令操纵模块的运行、读取内部数据等。支持的AT指令集见表2。

本文设计的AT指令分为4类：系统类、NFC类、低频唤醒类和315 MHz类。系统类主要包括该标签模块的测试指令、串口波特率修改指令等，低频唤醒类的指令可读取低频唤醒数据或修改自身PAN3501芯片的模式匹配码，利用此指令可将标签模块分组，组与组之间的广播唤醒互不干扰，极大提高了应用的灵活性，NFC类的指令可以读取读写器发来的数据，315 MHz类指令可以向读写器发送数据。

表2 AT指令集

3 读写器模块

3.1 读写器MCU部分设计

读写器模块的MCU同样选用STM32L412KB低功耗单片机，电源部分采用MP2359DC⁃DC芯片提供5 V到3.3 V的降压电路，之所以为读写器提供5 V的供电电压是因为低频唤醒天线需要足够的发射功率，5 V电源相对于3.3 V能提供更远的唤醒距离，电路如图7，图8所示。

图7 读写器MCU及电源电路

图8 5 V转3.3 V电路

3.2 读写器模块NFC部分硬件设计

本部分由读写器芯片、天线及相应的匹配电路组成[13]，其中读写器芯片采用高度集成的非接触式读写卡芯片MFRC522，支持ISO/IEC14443A协议，与读写器MCU以SPI方式进行通信，具体电路如图9所示。

3.3 读写器模块低频唤醒部分设计

低频唤醒部分包括低频发射天线及其驱动电路。其中驱动芯片采用MCP14E5，该芯片内置双通道高速MOSFET驱动电路，支持4.5~18 V的宽输入电压以及最大4 A的输出电流。具体电路如图10所示。

图10 低频唤醒驱动电路

电阻R18，R19为限流电阻，天线载波的调制由读写器MCU的定时器编程实现。

3.4 315 MHz接收电路设计

读写器模块使用低频唤醒天线将标签模块唤醒并发送唤醒码后，使用315 MHz接收电路接收标签模块发回来的数据。

315 MHz接收电路由SYN480R及相应外围电路实现，解码程序在读写器MCU中已实现，用户只需使用AT指令从读写器模块读取数据即可，具体电路如图11所示。

图11 315 MHz接收电路

3.5 读写器模块软件设计

读写器模块上电或按下复位键后，所有参数复位，读写器MCU内部存储区数据清空。随后进行低频唤醒模块和NFC模块的初始化，最后进入低功耗模式（停止模式2）等待AT指令，该模块的唤醒源仅有A1引脚的AT指令上升沿信号，其运行流程图如图12所示。

上电复位后MCU初始化相应功能模块，随后进入低功耗模式等待AT指令的唤醒及相应功能操作。

4 应用实例

采用本模组的电池无线监测系统已于河北、江苏等地的多个试点单位投入了运用。试点单位的原电池无线监测系统为每个蓄电池装配物联网终端，物联网终端由低功耗单片机、蓄电池参数检测模块和nRF24L021通信模块组成，管理人员使用手持机与物联网终端的通信模块进行通信，从而完成对蓄电池的巡检。但物联网终端无通信时，nRF24L021模块的待机电流较大，极大影响了蓄电池电量。