1.系统硬件设计
1.1 系统结构
除了低成本和小型化外，有源标签在设计中最重要的是采用低功耗设计。
RFID从整体结构来看，标签通常包括控制端和射频端两部分，因此在选择控制芯片和射频芯片时，需要优先考虑其低功耗性能。在此基础上选择了本文 MSP430F2012控制芯片和nRF24L01射频芯片；选择天线Nordic公司的PCB单端天线；标签3V-500mAh纽扣电池供电。系统工作在2.4GHz频段。如图1所示，系统结构框图。
1.2 芯片选择和低功耗设计
TI推出的MSP430系列单片机16位Flash型RISC以超低功耗著称的单片机[3]。
MSP430F2012年芯片工作电压仅为1.8~3.6V，失电工作模式下电流消耗为0.1μA，等待工作模式下消耗的电流仅为0.5μA.本设计中，MSP430F2012年被长时间置于等待模式中，通过中断唤醒短时间进入工作状态，节约电能。MSP430F2012年有三组独立的时钟源：片中VLO、片外晶振、DCO.片外时钟以外部晶振为基础；DCO频率可调。显然，主系统的时钟频率决定了系统的功耗，特别是在选择高速片外晶振动时，MSP430F2012提供了不同时钟源之间切换的功能。在实际设计中，通过实时重新配置基本时钟控制寄存器，实现主系统时钟与辅助系统时钟之间的切换，既性能，又节约能耗。
MSP430F2012具有LPM0~LPM合理利用这五种预设模式来减少45种低功耗模式MCU在本设计中，MSP430F2012 上电配置完成后，将直接进入LPM同时打开中断模式，等待外部中断信号。此外，由于MSP430F2012年是一款集多功能模块于一体的多功能通用单片机。在上电配置中停止所有未使用的功能模块也可以降低系统功耗。
nRF24L01是Nordic公司开发的2.4GHz超低功耗单片无线收发芯片，芯片有125个频点，可实现点对点和点对多点无线通信，最大传输速率可达2Mbps，工作电压为1.9~3.6V[4]。芯片预置了两种待机模式和一种掉电模式，以突出其低功耗性能。更值得一提的是nRF24L01 的 ShockBurstTM模型和增强型ShockBurstTM模式[4]真正实现了低速进高速出，即MCU低速输入数据nRF24L01片内 FIFO，却以1Mbps或2Mbps高速发射。本设计采用增强型ShockBurstTM模式，使得MSP430F2012即便在 32768Hz在低速晶振下，数据也可以通过射频端高速发射，不仅降低了功耗，而且提高了效率，提高了系统的抗冲突能力和应对移动目标的能力。
1.3 电路设计
该系统主要用于RFID在定位方面，除了简单的识别外，重点是阅读器测量标签信号强度。因此，阅读器和标签之间不会有大数据频繁的读写操作，在电路设计中可以省略片外EEPROM.还可以节省稳压电路，节省静电消耗。硬件原理图如图2所示。
2.系统软件设计
2.1 软件流程
该系统属于双向通信系统，标签在数据发送前处于监控状态，nRF24L01的接收功能同时打开MSP430F2012处于LPM3模式，直到收到阅读器广播“开始”并通过中断指令MSP430F2012唤醒。MSP430F2012年中断唤醒后，开始判断指令是否正确。如果正确，则进入正常发送周期，否则返回LPM3模式。
考虑到实时定位的需要，系统不能像往常一样RFID该标签仅进行有限的验证，系统采用等间隔连续发送模式，便于阅读器实时监控目标位置，正常发送周期为500ms，由MSP430F2012的TImer_A定时，500ms定期开始后，标签ID通过SPI发送到 FIFO，nRF24L01采用增强型ShockBurstTM模式，发送失败将继续重新发送，标签ID发送后，MSP430F判断定时器是否超时，一旦超时，将进入下一个发送周期，否则将处于等待状态，直至超时。当阅读器停止广播时“开始”指令，MSP430F2012重新进入LPM降低功耗的三种模式。
如图3所示。
2.2 防冲突设计
nRF24L01具有自己的载波检测功能，在发送数据之前转移到接收模式进行监控，并在发送数据之前确认要传输的频率通道没有被占用。使用此功能可以实现简单的硬件防冲突。
考虑到系统采用了500ms统一位目标众多的情况下，统一发送间隔可能发生识别冲突，因此在程序中需要合理增加防冲突算法。ALOHA该算法主要用于有源标签，其原理是，一旦信源发生数据包碰撞，信源随机延迟后再次发送数据。考虑到程序的复杂性必然会导致处理时间的增加和额外的能耗，系统采用了相对简单的纯度ALOHA算法是每500ms标签在计时周期内随机发送ID，这就需要在程序中插入随机延迟，通过随机值函数实现延迟时间的选择，随机延迟范围为0~300ms.这种简单的防冲突算法简化了指令，可以大大降低冲突概率。
另外，n R F 2 4 L 0 1传输速率为1 M b p s或2Mbps，单次发送数据包，最大单个数据包32bytes，假设标签ID为32bytes，以2Mbps速度发送一次ID信号宽度(传输时间)约为100~150μs，相对于500ms整个定时周期很小，但仍有可能发送饱和，此时可以适当延长计时周期，以增加信道容量。快速传输速率有助于识别和定位移动目标，短数据长度可以显著提高标签基于随机延迟的抗冲突能力，因此标签应尽可能ID长度限制在 32bytes以内。
3.测试结果
对于RFID对系统而言，最重要的参数是读取距离[5]和有效读取率。本实验测试设备标签3个，阅读器1个，PC基于阅读器的阅读器 MSP430F149和nRF24L01芯片设计，通过RS232串口与PC进行通信。在测试中，距离阅读器15分别放置了3个标签m、30m、45m 处，便签ID分别为AABBCCDDFFFFFF01、AABBCCDDFFFFFF02、AABBCCDDFFFFFF03每个标签大约需要一个小时( 连续读取测试7200次。
30m正常读取距离为标签，可满足一般室内应用，距离为45m 读取率显著下降。由于天线设计对系统性能有很大的影响[6]，通过改进标签天线获得更大的输出功率，提高阅读器端天线接收灵敏度也可以显著提高系统性能。
4.结束语
本文对基于MSP430F2012和nRF24L01的有源RFID详细介绍了标签的设计。分析了两个芯片的低功耗性能，并提出了自己的低功耗设计方案；结合RFID定位特点介绍了不同于一般识别标签的设计方法，分析了其软件设计过程，介绍了系统的抗冲突能力。整个系统电路简单，尺寸小，功耗低。匹配天线通信距离可达几十米，可满足煤矿行业地下一般小空间的定位需求。