射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）是近20年來蓬勃興起的一種自動識別技術，它的應用領域十分廣泛，如油田采油車出入自動識別管理與監測系統就是一個很好的例子，它能使管理人員及時掌握油田采油車輛和油井采油動態[1]，以便更好地進行合理調度與管理等。

    本文設計開發的RFID電子標簽和閱讀器應達技術參數指標如表1和表2所示。

1 硬件設計
1.1 總體方案
    本文設計開發的射頻收發系統的組成如圖1所示。計算機通過異步串口向ARM控制器傳送指令；ARM控制器再通過nRF24L01按照一定通信協議[2]將信號發送給指定地址的標簽；若標簽處于閱讀器范圍內[3]，經外部觸發后，會發送標簽的一些相關信息給閱讀器；閱讀器部分的無線收發模塊通過串口將接收到的數據上傳至上位機進行數據顯示處理。

1.2 電路設計
1.2.1 低功耗電子標簽
    單片機與nRF24L01連接電路設計如圖2所示。

    MSP430F149單片機的P1.6引腳接收來自nRF24L01的中斷，低電平有效；由P1.7引腳控制nRF24L01的CE端，CE端的電平決定nRF24L01工作在接收模式還是發送模式；由P5.0引腳控制nRF24L01的片選使能CSN，CSN為低后SPI接口等待執行指令，每一條指令的執行都必須經過一次CSN由高到低的變化；MISO和MOSI分別為串行輸入和輸出，分別由P5.1和P5.2引腳控制。
1.2.2 閱讀器
    ARM系列單片機STR711FR2芯片與nRF24L01連接電路設計如圖3所示。由單片機的P0.7引腳來控制CE端；由P0.10引腳接收來自nRF24L01的中斷；由P1.9引腳控制nRF24L01的片選使能CSN；由P0.12引腳控制串行輸出口MOSI；由P0.13引腳控制串行輸入口MISO。STR711FR2采用16 MHz有源晶振，與上位機采用串口通信。

2 軟件設計
2.1 通信協議和串口中斷
    本文所設計的RFID通信模塊實現的功能包括廣播識別、讀/寫標簽編號、讀/寫標簽密碼、讀/寫標簽數據信息。該通信協議如表3所示。
    若在通信協議中設置較短的地址和校驗可以提高傳輸的效率，同時為增強程序的運行效率，閱讀器采用UART全局接收中斷模式，以保證即時接收到上位機的指令。閱讀器串口中斷子程序如下：
void UART0_IRQHandler(void)
      { int k;
          for (k=0; k<18; k++)
            UART_ByteReceive(UART0, (u8*) &
bRByte[k], 0xFF);
            uart_flag=1;
      }
2.2 軟件流程圖
2.2.1 閱讀器指令發送子程序
      閱讀器上電后，檢查閱讀器與上位機通信是否正常，當調試好串口工作后，按如圖4所示的發送主程序流程進行指令發送。首先進行初始化，將nRF24L01的工作模式、通信地址及通信速率等參數配置好，然后等待上位機的數據包。閱讀器在對上位機發送來的指令校驗無誤后，會向指定標簽發送數據包，標簽收到數據包后會發送一幀應答數據包，閱讀器接收到應答數據包后，在PDA顯示出來，至此完成一次數據的傳遞。
    當有多個標簽時，閱讀器采用分時發送識別指令方式，可知道哪個標簽沒有在閱讀器范圍內。但應注意的是，閱讀器每次向標簽發送指令后，都應隨后再發送一包指令來清理標簽自動應答緩沖區(W_ACK_PAYLOAD)，避免下次發送不同的指令時出現應答錯誤。
2.2.2 標簽指令接收子程序
    標簽上電后，首先進行初始化，使標簽完成一些配置寄存器的設置，然后進入待機模式，當標簽進入閱讀器的范圍內，經閱讀器喚醒后，標簽會產生接收中斷跳入監聽指令子程序，即從低功耗模式轉入工作模式，開始監聽空中的數據包。當自動應答有效時，ACK消息將被發回。標簽指令接收子程序流程圖如圖5所示。

2.3 電子標簽低功耗模式軟件編程實現
    低功耗標簽子程序設計如下所示：
    while(1)
    { if(flag_r==0)
    CLR_CE;        //使NRF24L01進入待機模式
    WDTCTL=WDT_MDLY_32;       //定時器
    IE1|=WDTIE;
    BIS_SR(LPM0);      //單片機進入LPM0模式
    while(flag_wr==1||flag_r==1)  //接收中斷標志
    { IE1|=0x00;
    flag_wr=0;
    lag_r=0;                   //接收標志清零
    BIS_SR(LPM2);}   //使單片機進入LPM2模式
    delay(3000); }
3 標簽測試結果與分析

    標簽設計可根據需要設計出兩種天線形式，本次測試設計出板載天線[4]和外置天線兩種電路板。測試時可將毫安表串聯于電路中，觀察標簽的功耗變化，在不同的功耗下分別進行測試。測試結果表明，外置天線和板載天線都能滿足使用者要求。外置標簽通信測試結果如圖6所示。

      從圖中可以看出，功耗在12.3 mA時，隨著閱讀器與電子標簽距離的增加，到達10 m處通信成功率恒定為100%，此時標簽一直處于接收模式；設置并調整軟件中相關參數使得標簽功耗為6 mA左右時，隨著距離的增加，在6 m以內通信成功率為100%，大于6 m時通信成功率會有一定的下降，但能保證在90%以上；設置并調整軟件相關參數使得功耗降低到1.2 mA左右時，隨著距離的增加通信成功率會明顯降低，但在10 m以內仍能保證較高的通信成功率，此時功耗已降到最低，通過重復2～3次識別，其成功率完全能滿足使用需求。
      本文設計了一種由單片機控制、以nRF24L01為無線射頻收發芯片的RFID通信方案，其特點是通信快速和功耗較低。電子標簽在不工作情況下，功耗可降到1.2 mA左右。該設計還適用于多個電子標簽場合，閱讀器采用分時向標簽發送指令的方式，每次發送后應再發送一包指令清理標簽自動應答緩沖區(W_ACK_PAYLOAD)，以避免下次出現應答錯誤。
      該設計所研制的樣機具有功耗低、通信快速、誤碼率低、抗干擾性好、能識別多個標簽等特點，能滿足對體積和功耗要求較高的油田開發設備的實際使用要求。
參考文獻
[1] 談衛，肖菲菲，齊軍.油田智能巡檢系統在生產管理中的應用[J].自動化技術與應用，2011，30(10)：83-86.
[2] Datasheet for single chip 2.4 GHz transceiver nRF2401[EB/OL].(2003-3)[2003-3].http://pdf.dzsc.com/NRF/NRF2401%20IC.pdf.
[3] 付煒，馬建國.一種有源低功耗微波頻段RFID標簽設計[C].四川省電子學會半導體與集成技術專委會2006年度學術年會論文集，2006.
[4] 陳華君，林凡，郭東輝，等.RFID技術原理及其射頻天線設計[J].廈門大學學報，2005，44（B06）：312-315.