有源电子标签低功耗防冲突协议设计

引 言
    锚固技术是岩土加固工程的主要方法，目前己广泛应用于矿山、铁路、水利水电、地质等系统的隧道、边坡、山体加固等工程中。但岩土加固工程属隐蔽工程，在施工过程中的管理和监督较为困难，目前国内在验收时无法对锚杆的嵌入深度、锚杆注浆量和注浆压力等重要工程质量参数进行检测，无法对工程质量进行客观的评价。为了解决质量验收检测问题，本文提出对锚杆注浆工艺在线检测记录和后续验收读取的有源电子标签解决方案。

1 有源电子标签的硬件设计
    有源电子标签主要由控制电路、射频电路以及天线和电池组成。有源电子标签设计的难点在于低功耗和防碰撞算法的实现。由于有源电子标签需要内置电池给控制电路和射频电路供电，为了达到延长使用寿命的目的，它对低功耗要求非常高，所以控制芯片和射频芯片的选型至关重要。本设计中，控制芯片选用Atmel公司的低功耗单片机ATmega48，射频芯片选用Hope公司的RFM12S低功耗射频芯片。
1．1 ATmega48单片机
    Atreel公司是生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。在单片机方面，Atmel公司有基于8051内核、基于 AVR内核和基于ARM内核的三大系列单片机产品。Atmel公司在其单片机产品中，融入了先进的EEPROM电可擦除和FlashROM闪存技术，使得该公司的单片机具备了优秀的品质，在结构、性能和功能等方面都有明显的优势。
    ATmega48是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。其主要性能指标如下：
    ◆先进的RISC结构；
    ◆4 KB的系统内可编程Flash；
    ◆256字节的EEPROM擦写寿命为100 000次；
    ◆工作电压为1．8～5．5 V；
    ◆工作温度为-40～85℃；
    ◆极低功耗(正常模式时1 MHz、1．8 V下为300μA，掉电模式时1．8 V下为1．5 μA)。
1．2 RFM12S低功耗射频芯片
    RFM12S是一款低成本的ISM(工业、科研、医疗)频段FSK收发模块，其核心电路采用的是带锁相环(PLL)技术的RF12射频收发芯片。 RFM12S可工作在315／433／868／915 MHz四个频段，并符合FCC和ETSI要求。它提供一个SPI接口，可由MCU通过软件设置各种射频参数和其他辅助功能；采用2．2～5．4 V供电，静态电流低至0．3μA。其与ATmega48的连接电路如图1所示。

2 有源电子标签的软件设计
    RFM12S无线收发模块采用SPI(串行外围设备接口)接口方式传输数据。当片选信号nSEL为低时，数据在每个时钟的上升沿通过SDI引脚被送入RFM12S的内部寄存器。要发送数据，首先发送同步头，然后再发送需要发送的数据，通过检测SDO引脚来判断上一数据是否发送完毕；上一数据发送完毕后，SDO引脚会输出一个高电平信号，这时可以继续发送下一数据，直到数据发送完毕。要接收数据，首先无线模块接收到同步头， nIRQ引脚将被拉低通知单片机接收数据，接收到的数据将被放人无线模块的接收缓冲区中等待单片机读取。整个接收过程中，单片机都是通过判断nIRQ的低电平信号来接收数据的，接收完所有数据后关闭接收寄存器，然后对数据作进一步的处理。
    RFM12S无线收发模块的初始化程序如下：

    RFM12S无线模块发送流程如图2所示，无线模块接收流程如图3所示。

3 低功耗防冲突算法的实现
    目前广泛使用的防冲突算法大都是TDMA，主要有两大类：基于树的算法和基于 Aloha的算法。Aloha算法根据读写器检测接收到的信号来判断有无冲突。一旦发生冲突，读写器就发送命令让标签停止发送，随机等待一段时间后再重新发送以减少冲突。纯Aloha算法存在的一个严重问题是存在错误判断，即对同一个标签，如果连续多次发生冲突，将导致读写器出现错误判断，认为这个标签不在自己的作用范围。
    本文设计的有源电子标签采用双工工作模式。这种工作方式灵活，既可自行发送信息，又可由读写器决定它什么时候发送信息。
    具体预约延时防冲突算法如下：主机广播通知现在开始读取电子标签数据，从第一个标签号x开始，其他标签号根据各自的ID号计算相应的休眠时间。假设每个标签一次通信需要的时间为T，预约延时间隔设为nT，则第m号标签的休眠时间可计算为t=(m-x)·nT。当休眠时间到时，自动上传数据给主机。如果收到主机回应消息证明数据上传无误，则进入休眠，这个休眠时间根据实际情况设定；如果未收到主机回应消息，则再次上传。在nT时间内未能成功上传的标签也进入休眠，同时由主机标识该标签，留作后续处理。
    预约延时算法示意图如图4所示。

    预约延时算法主机流程如图5(a)所示，从机流程如图5(b)所示。

4 总 结
    本文设计的这种有源电子标签外形美观，功耗低，防碰撞性能良好，识别距离为100 m以上；可以应用于岩土加固工程中锚杆注浆现场数据的采集记录，也可用于车辆出入信息采集与控制，以及地下矿井人员定位等系统。