【正文】 因此利用NRF24E1內(nèi)部的定時喚醒功能，采用定時喚醒、間隔發(fā)送的方式發(fā)送射頻信號，即:電子標(biāo)簽每發(fā)射完一次射頻信號，就會進(jìn)入掉電模式，等待設(shè)定時間后被喚醒，再發(fā)射一次射頻信號，然后再進(jìn)入掉電模式，依次循環(huán)。第二:降低NRF24E1的功耗。為了提高電池的使用壽命，可以采用兩種措施。電子標(biāo)簽軟件設(shè)計要考慮兩大方面的問題:降低功耗和防碰撞問題。. 3 電子標(biāo)簽軟件設(shè)計電子標(biāo)簽原理圖大體如下圖43所示圖43電子標(biāo)簽?zāi)K原理圖其中控制單元為AT89C2051，上面已經(jīng)對它做了詳盡的介紹。正是基于以上各種因素的考慮，我們采用nRF24E1作為射頻收發(fā)芯片，采用外部紐扣電池作為電源。由于NRF24E1片內(nèi)集成了RADIO模塊，在使用中，只需要一片nRF24E1和少量的外圍元件就能完成射頻收發(fā)功能，因此，節(jié)省了印制板的空間，大大減少了系統(tǒng)的體積，可廣泛應(yīng)用于無線水表、煤氣、電表、無線智能傳感器、無線數(shù)據(jù)采集裝置、無線身份識別智能卡、無線鼠標(biāo)、無線耳機(jī)、遙控玩具、PDA手持終端等短距離無線通信場所。其中XC1和XC2為外部晶振引腳，IREF用于連接外部偏置參考電阻。nRF24E1必須用高精度的晶振，為了支持1Mbit/s的傳輸速率，設(shè)計時還必須采用16MHz以上的晶振。喚醒定時器由用戶軟件控制啟動和停止。RTC喚醒定時器和WTD(看門狗)是2個16位的可編程定時器，它們的工作時鐘為RC振蕩器的 LP_OSC。nRF24E1內(nèi)有一個低功耗的RC振蕩器。同時，也降低了對CPU性能的要求。使用ShockBurst技術(shù)，CPU先取出其中一個數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)，另一數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)等待CPU處理完。nRF24E1的DuoCeiver技術(shù)提供了兩個獨(dú)立、專用于接收的數(shù)據(jù)頻道，而不是采用兩個相互獨(dú)立的接收器。這意味著:①nRF24E1通過一個天線，能夠接收兩個頻率相差8MHz(8個頻率通道)的 1Mbps發(fā)射器(如nRF24EnRF2401或nRF2402)發(fā)送的數(shù)據(jù)。CE為低，重新開始新的接收。⑧當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)都取完，nRF24EI子系統(tǒng)再次把DR1置低。⑥CPU將CE置低，把RF前端設(shè)為低功耗方式。④當(dāng)收到一個有效的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC)，nRF24EI子系統(tǒng)移去前綴、地址和CRC位。②將CE置高，激活RX。*發(fā)送完成，nRF2401返回空閑信號。*完成RF包處理(加前綴，CRC校驗(yàn))。④ShockBurst。②接收節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)按時序被送到NRF24E1子系統(tǒng)，可通過應(yīng)用協(xié)議或CPU設(shè)置，使這個速度小于1Mbps。NRF24EI收發(fā)子系統(tǒng)采用了shockBurst技術(shù)，這種技術(shù)使用了片內(nèi)的FIFO(先入先出)堆棧，雖然數(shù)據(jù)低速進(jìn)入，但能高速發(fā)送，使能耗減到最低限度。PwR_UP=l，CE=0，CS=0時為空閑方式。 PWR_UP=1，CE=1，CS=O時為收發(fā)方式。程序運(yùn)行后，保持默認(rèn)值，直到程序通過RADIO寄存器改變各位的值。收發(fā)器由特殊功能寄存器中的RADIO和 SPI_CTRL控制。由于射頻收發(fā)器是片內(nèi)置的，并不是雙向工作。nRF24EI收發(fā)器的收發(fā)任務(wù)由RADIO口控制，通過天線接口進(jìn)行收/發(fā)操作。A/D轉(zhuǎn)換器默認(rèn)配置為10位，為滿足需要，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。轉(zhuǎn)換器的9個輸入可由軟件進(jìn)行選擇。內(nèi)部有9通道10位ADC，線性轉(zhuǎn)換時間為每10位48個CPU指令周期。當(dāng)SPI_CTRL設(shè)定為01時Pl口可作為SPI口使用，此時只能作為主機(jī)。其中，復(fù)位后，將被引導(dǎo)程序激活并連接到啟動閃存的硯上。其中PO_ALT的控制優(yōu)先級高于 PO_DIR。P0口有8個引腳，除了用作GPIO口外還可以作為復(fù)用口。采用16MHz的晶振可同時CPU和收發(fā)單元內(nèi)部頻率合成器提供參考時鐘。其P0和P1也和標(biāo)準(zhǔn)8051有所不同，其它大部分的SFRs均與標(biāo)準(zhǔn)8051相同。這時，默認(rèn)的啟動引導(dǎo)區(qū)使用SPI接口的“通用25AA320”EEPROM。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從外部串口EEPROM加載到1個4KB的RAM中，這個4KB的RAM也可作存儲數(shù)據(jù)用。NRF24EI的微控制器中有256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和512字節(jié)的ROM。NRF24EI的CPU集成了2個數(shù)據(jù)指針，以便于和外部RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。NRF24EI擁有3個與8052一樣的定時器。加上多種低功率工作模式，使得節(jié)能設(shè)計更方便。在發(fā)送模式下，以5dBm的功率發(fā)射時。nRF24EI芯片可以在世界公用的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))。另外還嵌有電壓調(diào)整器和vDD電壓監(jiān)視器。 CMOS工藝、6mm6mm的36引腳QFN封裝，以 NRF240lRF芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將發(fā)射頻率、8051MCU、9輸入10位ADC、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中，是目前世界首推的全球通用的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。所需外圍器件很少。待機(jī)電流可低至2uA，同時器件還帶有喚醒定時器。它是 NordicvLsl推出的系統(tǒng)級射頻芯片，主要特性如下:。射頻收發(fā)電路射頻收發(fā)單元是是井下數(shù)據(jù)采集交換的主要方式，是射頻識別技術(shù)在礦井定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。低功耗的閑置和掉電模式。5個中斷源。32可編程I/O線。三級程序存儲器鎖定。1000寫嚓循環(huán)。其引腳如下圖42所示:圖42 AT89C51引腳圖AT89C51主要特性與MCS一51兼容。AT89C2051共有20個引腳，它只繼承了8031最重要的引腳，體積小巧。允許工作的時鐘為0—24MHz。主要特點(diǎn)是采用Flash存儲器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與MCS51完全兼容。該器件采用周限正L高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS一51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C2051(在標(biāo)簽的控制單元中使用)，是一種帶ZK字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。控制單元電路控制單元選用Atmel公司生產(chǎn)的AT89c5l，由其實(shí)現(xiàn)對射頻收發(fā)單元、語音、A/D轉(zhuǎn)換等模塊的控制以及電源、.時鐘管理，并約定收發(fā)雙方的通信協(xié)議。標(biāo)簽上電后，標(biāo)簽電路中的MCU首先通過邏輯接口將EEPROM中的程序及數(shù)據(jù)讀入自身的RAM(隨機(jī)存儲器)中，然后調(diào)入MCU中的程序開始運(yùn)行標(biāo)簽通信協(xié)議，通過MCU控制RF，將信息從天線發(fā)射或接收。MCU通過SPI總線接收信息。電子標(biāo)簽是指佩戴在員工身上的的射頻信號收發(fā)器，它由天線和專用芯片及外圍電路組成，又叫做射頻卡、射頻標(biāo)簽、數(shù)據(jù)載體。：由于卡的體積涉及到礦工的使用方便性，所以盡可能選用小型化的電池是有益的，考慮到體積、成本和可靠性，我選擇最常用的小型鈕扣電池 CR2032(Ф20mm*),標(biāo)稱容量為 210mAH,實(shí)際可用容量約為 150mAH，2 年＝17500小時，所以要求卡的平均功耗小于 150/17500==，在一個工作周期中其中 120uS 內(nèi)的發(fā)射電流為 ,此電流平均到 ，其余待機(jī)時間的最大電流為 ＝,考慮到電池的自放電和電池容量的不一致性，確定卡的待機(jī)電流為 3uA。：由上述確定的指標(biāo)，在同時讀取64張卡的時候一次碰空中撞率為64/((120*106))=,連續(xù) 2 碰撞的概率為：，連續(xù) 3 碰撞的概率為：106，所以盲讀的可靠性是有保障的。所以確定讀卡周期＝ 秒，讀卡時間＝120uS：讀卡距離取決與發(fā)射功率和接受靈敏度，按開闊地電磁波衰減公式：［Lfs］(dB)=+20lgd(km)+20lgf(MHz)如果發(fā)射功率為 0dbm，F(xiàn)=2400MHZ，接受靈敏度為90dbm，卡天線增益為3db，閱讀器天線增益為 0db，通訊距離為 d，大氣隨機(jī)衰落為 30db，20log(d)＝(2400)330=43d==71m，滿足讀卡距離 50 米的要求，如果讀卡天線增益為 3db，則讀卡距離達(dá) 100 米，如果讀卡天線增益為 10db，則讀卡距離達(dá) 224 米。電池工作壽命：2 年由上述目標(biāo)導(dǎo)出下列產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：：由于 頻段較高，我們選擇通訊速率為 1Mbps，GFSK 調(diào)制，在此頻段再降低通訊速率對提高信噪比并不明顯，反而會增加通訊時間導(dǎo)致功耗增加電池壽命縮短，我們僅需讀取卡號（4 byte）、工作狀態(tài)（1 byte）、電池電壓（1 byte）、校驗(yàn)碼（1 byte）、幀結(jié)構(gòu)和管理（起始 地址 幀長 CRC 2，6 byte）共 13 byte，射頻發(fā)送時間約為 120uS 。遠(yuǎn)距離無遺漏識讀：讀卡距離可達(dá) 50m。盡管采用了有源發(fā)射技術(shù)，標(biāo)簽更換一次紐扣式鋰電池可以連續(xù)使用 2 年，基本達(dá)到了無源標(biāo)簽的使用要求。標(biāo)簽計劃采用突發(fā)跳時擴(kuò)頻工作模式，瞬時通訊速率為：1Mbps，由于采用了跳時制擴(kuò)頻通訊機(jī)制，在一個閱讀器子站的有效作用范圍內(nèi)可以同時容納 256 個甚至更多的標(biāo)簽，以 50KM/H 的移動速度通過時保證 100％的識讀率，漏讀率為 0。電子標(biāo)簽的設(shè)計是本次設(shè)計中的重點(diǎn)設(shè)計和研究的對象。第四章 井下部分設(shè)計井下部分設(shè)計主要是閱讀器與電子標(biāo)簽的設(shè)計閱讀器與電子標(biāo)簽的設(shè)計分為硬件設(shè)計和控制程序兩個模塊來完成。解決安全性的途徑是設(shè)計更復(fù)雜的微處理器以及更大容量的內(nèi)存，這樣就可以進(jìn)行更復(fù)雜的加密算法以防止數(shù)據(jù)的非法竊取。當(dāng)前廣泛使用的無源郡ID系統(tǒng)并沒有可靠安全機(jī)制，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的保密。該法通過空間來分割巷道，將井下的多點(diǎn)對多點(diǎn)的通訊問題轉(zhuǎn)化為井下多個監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)對多點(diǎn)的通訊問題，達(dá)到了防止閱讀器碰撞的目的。為此，采取的措施為:通過合理的分布射頻閱讀器來解決閱讀器碰撞問題。圖36中，閱讀器Rl和R2同時讀取標(biāo)簽Tl，以至標(biāo)簽Tl無法正確的傳送標(biāo)簽信息，導(dǎo)致對標(biāo)簽Tl讀取失敗。圖35 閱讀器與閱讀器之間的干擾(2)多個閱讀器對識別標(biāo)簽的干擾:指的是多個閱讀器同時讀取1個標(biāo)簽，標(biāo)簽受到頻率干擾，讀取數(shù)據(jù)失敗。這種情形往往發(fā)生在閱讀器工作范圍不重疊的區(qū)域，如圖35所示。其中，射頻識別標(biāo)簽碰撞是指多個頻率相同的識別標(biāo)簽通過同一閱讀器時的碰撞問題，這種碰撞通常需要硬件設(shè)計來防止，現(xiàn)在各廠商所生產(chǎn)的射頻識別標(biāo)簽和閱讀器都具有標(biāo)簽防碰撞功能，一個閱讀器可以有效識別多個標(biāo)簽。區(qū)域定位就其通訊方式而言，其實(shí)就是多點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通訊，如何防止井下人員定位系統(tǒng)中的通訊沖突成了方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。鑒于多個RFID電子標(biāo)簽工作在同一頻率，當(dāng)它們處于同一個閱讀器的作用范圍內(nèi)時，在沒有防沖突機(jī)制的情況下，信息傳輸過程將產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致信息讀取失敗。然而，一個圓極化天線在接收一個線極化波時，其有效增益要比同增益線極化天線低 3dB。為此，閱讀器天線宜設(shè)計成圓極化天線。電子標(biāo)簽天線向空中輻射線極化波。通過分析計算電波在空間傳輸?shù)膿p耗，對天線增益指標(biāo)提出了要求，這里我們再對天線的具體設(shè)計思路給出分析： 頻率的波長是 。如金屬物體對電磁信號有衰減作用，金屬表面對信號有反射作用，以及金屬和寬頻信號源產(chǎn)生的電磁屏蔽和電磁干擾等影響。天線結(jié)構(gòu)決定天線的方向圖、極化方向、阻抗特性、駐波比、天線增益和工作頻段等特性。RFID電子標(biāo)簽在要求低成本的同時，還要求有高的可靠性，這些因素對天線的設(shè)計提出嚴(yán)格的要求。 RFID天線研究標(biāo)簽天線和閱讀器天線分別承擔(dān)接受能量和發(fā)射能量的作用。性能指標(biāo)：型用戶可自定義讀寫標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，使專門的應(yīng)用系統(tǒng)效率更加快捷；(與讀寫器和天線有關(guān)).超寬工作頻段設(shè)計，既符合相關(guān)行業(yè)規(guī)定，又能進(jìn)行靈活的開發(fā)應(yīng)用；5. 可同時讀寫多個標(biāo)簽（多達(dá)50 個/秒以上），而不受工作區(qū)內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量的限制和影響；6. DC8320B有源電子標(biāo)簽是DC8310B的升級版，在此基礎(chǔ)之上增加了定位、防水等功能；2.這里，我選的是DC8320B有源電子標(biāo)簽。，可以在較遠(yuǎn)距離的識別出RFID電子標(biāo)簽，而且其讀卡數(shù)度很快，這種情況比較適合于煤礦井下，因?yàn)槊旱V井下通常人員與巷道壁的距離一般為十米左右，而且人員與礦車是有一定的移動速度的，為了提高系統(tǒng)的識別率，滿足煤礦井下實(shí)際需求。從表2一1中我們能夠看出，低頻標(biāo)簽比超高頻便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強(qiáng)，工作頻率不受無線電頻率管制約束，最適合用于含水分較高的物體，但是識別距離小于lm，雖然具有良好的個體定位功能，如果要做到整個礦井的良好定位，需要在井下布置大量的基站，投資大，同時標(biāo)簽的防沖撞功能不好。但是礦井巷道內(nèi)情況十分復(fù)雜，巷道中有鋼軌、支架、照明線和動力電纜等，巷道壁凹凸不平，巷道縱橫交錯、拐彎抹角。()在美國。具體參數(shù)見如下表31所示。主要應(yīng)用于需要較長的讀寫距離以及高讀寫速度的系統(tǒng)。高頻頻段能量相對較高，數(shù)據(jù)傳輸率大，且通訊質(zhì)量較好，適于長距離應(yīng)用。主要應(yīng)用于距離較短和成本較低的系統(tǒng)中，比如門禁控制、校園卡、貨物跟蹤等。低頻電子標(biāo)簽主要有 。當(dāng)前RFID工作頻率跨越多個頻段，不同頻段具有各自優(yōu)缺點(diǎn)，它既影響標(biāo)簽的性能和尺寸，還影響標(biāo)簽與閱讀器的價格。在進(jìn)行上述的調(diào)研和分析后，本系統(tǒng)使用的是對數(shù)據(jù)通信范圍較廣的有源電子標(biāo)簽。5）超低功耗：更健康、更安全和更長的電池壽命。3）高速度：每次讀卡僅需 120uS, 每 秒掃描全部視場內(nèi)的卡，在 50米的讀卡距離內(nèi)可以有效閱讀 50km/小時移動目標(biāo) 3 次以上。1）有效工作距離長：有效增加識別距離，在一次通過閱讀器的視場時實(shí)現(xiàn)多次閱讀，保證盲讀的可靠性。通常將卡集成在礦燈里，這對礦燈的使用是有疑問的，由于讀卡能力太弱，不能實(shí)現(xiàn)可靠的盲讀，市場反應(yīng)并不太好，只有少數(shù)的礦在試用。這些產(chǎn)品都有其固有缺陷而難以在煤礦普及使用，其缺陷主要表現(xiàn)在以下幾個方面：遠(yuǎn)距離無源卡、半有源卡的缺點(diǎn)：需要大功率輻射的讀卡設(shè)備，不可能達(dá)到煤安要求，且高場強(qiáng)的讀取電波輻射也是難以滿足煤安要求的，且可能對人體造成傷害；其次無源卡對人體感應(yīng)、卡與讀取天線的相對方向、金屬物接近等十分敏感，造成讀卡不可靠，不可能做到盲讀，所以沒有真正在井下成功應(yīng)用的案例。有源卡通過電池來提供電源，無源卡是通過無