有源電子標(biāo)簽低功耗防沖突協(xié)議設(shè)計(jì)

引 言
    錨固技術(shù)是巖土加固工程的主要方法，目前己廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、水利水電、地質(zhì)等系統(tǒng)的隧道、邊坡、山體加固等工程中。但巖土加固工程屬隱蔽工程，在施工過(guò)程中的管理和監(jiān)督較為困難，目前國(guó)內(nèi)在驗(yàn)收時(shí)無(wú)法對(duì)錨桿的嵌入深度、錨桿注漿量和注漿壓力等重要工程質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。為了解決質(zhì)量驗(yàn)收檢測(cè)問(wèn)題，本文提出對(duì)錨桿注漿工藝在線檢測(cè)記錄和后續(xù)驗(yàn)收讀取的有源電子標(biāo)簽解決方案。

1 有源電子標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)
    有源電子標(biāo)簽主要由控制電路、射頻電路以及天線和電池組成。有源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于低功耗和防碰撞算法的實(shí)現(xiàn)。由于有源電子標(biāo)簽需要內(nèi)置電池給控制電路和射頻電路供電，為了達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的，它對(duì)低功耗要求非常高，所以控制芯片和射頻芯片的選型至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)中，控制芯片選用Atmel公司的低功耗單片機(jī)ATmega48，射頻芯片選用Hope公司的RFM12S低功耗射頻芯片。
1．1 ATmega48單片機(jī)
    Atreel公司是生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導(dǎo)體制造公司。在單片機(jī)方面，Atmel公司有基于8051內(nèi)核、基于 AVR內(nèi)核和基于ARM內(nèi)核的三大系列單片機(jī)產(chǎn)品。Atmel公司在其單片機(jī)產(chǎn)品中，融入了先進(jìn)的EEPROM電可擦除和FlashROM閃存技術(shù)，使得該公司的單片機(jī)具備了優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能和功能等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。
    ATmega48是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。其主要性能指標(biāo)如下：
    ◆先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)；
    ◆4 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash；
    ◆256字節(jié)的EEPROM擦寫壽命為100 000次；
    ◆工作電壓為1．8～5．5 V；
    ◆工作溫度為-40～85℃；
    ◆極低功耗(正常模式時(shí)1 MHz、1．8 V下為300μA，掉電模式時(shí)1．8 V下為1．5 μA)。
1．2 RFM12S低功耗射頻芯片
    RFM12S是一款低成本的ISM(工業(yè)、科研、醫(yī)療)頻段FSK收發(fā)模塊，其核心電路采用的是帶鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)的RF12射頻收發(fā)芯片。 RFM12S可工作在315／433／868／915 MHz四個(gè)頻段，并符合FCC和ETSI要求。它提供一個(gè)SPI接口，可由MCU通過(guò)軟件設(shè)置各種射頻參數(shù)和其他輔助功能；采用2．2～5．4 V供電，靜態(tài)電流低至0．3μA。其與ATmega48的連接電路如圖1所示。

2 有源電子標(biāo)簽的軟件設(shè)計(jì)
    RFM12S無(wú)線收發(fā)模塊采用SPI(串行外圍設(shè)備接口)接口方式傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)片選信號(hào)nSEL為低時(shí)，數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿通過(guò)SDI引腳被送入RFM12S的內(nèi)部寄存器。要發(fā)送數(shù)據(jù)，首先發(fā)送同步頭，然后再發(fā)送需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)檢測(cè)SDO引腳來(lái)判斷上一數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢；上一數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，SDO引腳會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)，這時(shí)可以繼續(xù)發(fā)送下一數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。要接收數(shù)據(jù)，首先無(wú)線模塊接收到同步頭， nIRQ引腳將被拉低通知單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)將被放人無(wú)線模塊的接收緩沖區(qū)中等待單片機(jī)讀取。整個(gè)接收過(guò)程中，單片機(jī)都是通過(guò)判斷nIRQ的低電平信號(hào)來(lái)接收數(shù)據(jù)的，接收完所有數(shù)據(jù)后關(guān)閉接收寄存器，然后對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理。
    RFM12S無(wú)線收發(fā)模塊的初始化程序如下：

    RFM12S無(wú)線模塊發(fā)送流程如圖2所示，無(wú)線模塊接收流程如圖3所示。

3 低功耗防沖突算法的實(shí)現(xiàn)
    目前廣泛使用的防沖突算法大都是TDMA，主要有兩大類：基于樹的算法和基于 Aloha的算法。Aloha算法根據(jù)讀寫器檢測(cè)接收到的信號(hào)來(lái)判斷有無(wú)沖突。一旦發(fā)生沖突，讀寫器就發(fā)送命令讓標(biāo)簽停止發(fā)送，隨機(jī)等待一段時(shí)間后再重新發(fā)送以減少?zèng)_突。純Aloha算法存在的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題是存在錯(cuò)誤判斷，即對(duì)同一個(gè)標(biāo)簽，如果連續(xù)多次發(fā)生沖突，將導(dǎo)致讀寫器出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，認(rèn)為這個(gè)標(biāo)簽不在自己的作用范圍。
    本文設(shè)計(jì)的有源電子標(biāo)簽采用雙工工作模式。這種工作方式靈活，既可自行發(fā)送信息，又可由讀寫器決定它什么時(shí)候發(fā)送信息。
    具體預(yù)約延時(shí)防沖突算法如下：主機(jī)廣播通知現(xiàn)在開始讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，從第一個(gè)標(biāo)簽號(hào)x開始，其他標(biāo)簽號(hào)根據(jù)各自的ID號(hào)計(jì)算相應(yīng)的休眠時(shí)間。假設(shè)每個(gè)標(biāo)簽一次通信需要的時(shí)間為T，預(yù)約延時(shí)間隔設(shè)為nT，則第m號(hào)標(biāo)簽的休眠時(shí)間可計(jì)算為t=(m-x)·nT。當(dāng)休眠時(shí)間到時(shí)，自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)給主機(jī)。如果收到主機(jī)回應(yīng)消息證明數(shù)據(jù)上傳無(wú)誤，則進(jìn)入休眠，這個(gè)休眠時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定；如果未收到主機(jī)回應(yīng)消息，則再次上傳。在nT時(shí)間內(nèi)未能成功上傳的標(biāo)簽也進(jìn)入休眠，同時(shí)由主機(jī)標(biāo)識(shí)該標(biāo)簽，留作后續(xù)處理。
    預(yù)約延時(shí)算法示意圖如圖4所示。

    預(yù)約延時(shí)算法主機(jī)流程如圖5(a)所示，從機(jī)流程如圖5(b)所示。

4 總 結(jié)
    本文設(shè)計(jì)的這種有源電子標(biāo)簽外形美觀，功耗低，防碰撞性能良好，識(shí)別距離為100 m以上；可以應(yīng)用于巖土加固工程中錨桿注漿現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集記錄，也可用于車輛出入信息采集與控制，以及地下礦井人員定位等系統(tǒng)。