一種集成RFID電子標(biāo)簽的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：文中針對(duì)電磁干擾和遮擋非常嚴(yán)重的電池生產(chǎn)車間的復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計(jì)一種集成RFID的電池充放電參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)。在每一個(gè)電池上放置一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)獲取每個(gè)電池在充放電過(guò)程的電流、電壓、溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。全過(guò)程不需人工干預(yù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)將充放電過(guò)程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以實(shí)現(xiàn)電池售后的質(zhì)量跟蹤和追溯。相對(duì)于傳統(tǒng)電池充放電方法，采集節(jié)點(diǎn)將充放電過(guò)程的監(jiān)控做到了自動(dòng)化、專家化。

電池在出廠之前一般都要經(jīng)過(guò)一道充放電工序，對(duì)電池的性能進(jìn)行檢測(cè)，這對(duì)于保證電源供電可靠性具有十分重要的作用。充放電過(guò)程需要檢測(cè)的參數(shù)一般包括：充放電電壓、充放電電流、電池溫度、內(nèi)阻、荷電狀態(tài)(SOC)、劣化狀況(SOH)，以便于處理極扳活性物質(zhì)凝結(jié)、測(cè)試電池性能、防止極板鈍化，保證電池質(zhì)量。根據(jù)中國(guó)郵電電信總局頒發(fā)的《電信電源維護(hù)規(guī)程》的要求，所有閥控式鉛酸(VRLA)蓄電池出廠前都要進(jìn)行進(jìn)行2～3次充放電試驗(yàn)，考驗(yàn)和檢測(cè)各相技術(shù)指標(biāo)。

本論文設(shè)計(jì)一種集成RFID電子標(biāo)簽的傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，在采集的電壓、電流、溫度值之后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中，由上位機(jī)上的讀卡器實(shí)時(shí)讀取。另外根據(jù)電池企業(yè)的特殊應(yīng)用背景，電池生產(chǎn)線上布置大規(guī)模、高密集度的RFID標(biāo)簽，必須設(shè)計(jì)快速大批量讀取的RFID讀寫器，將RFID技術(shù)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行融合。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不關(guān)心某一節(jié)點(diǎn)的位置，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)一般都不采用全局標(biāo)識(shí)，而RFID技術(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)示有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，將兩者結(jié)合共同組成網(wǎng)絡(luò)可以相互彌補(bǔ)對(duì)方的缺陷，網(wǎng)絡(luò)既可以考慮到每一個(gè)電池的充放電過(guò)程的電流、電壓信息，也可以利用RFID的標(biāo)識(shí)功能輕松的找到每一個(gè)電池的具體位置。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域技術(shù)，是工業(yè)控制的前沿技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊。本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)由集成RFID電子標(biāo)簽的傳感器組成，兼有電子標(biāo)簽和傳感器的功能。外形設(shè)計(jì)小巧，只有打火機(jī)體積大小，接在每只電池的兩個(gè)端子上。充放電機(jī)工作時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中，安裝在上位機(jī)上的讀卡器將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用自組織協(xié)議支持下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電磁干擾和遮擋干擾都非常嚴(yán)重的生產(chǎn)車間，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)作，并且信息采集的可靠性也比有線采集提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

1 集成RFID的智能節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

該智能節(jié)點(diǎn)由微控制單元、傳感器采集單元、射頻收發(fā)器、RF天線、內(nèi)部存儲(chǔ)器單元和供電單元6部分組成。集成RFID電子標(biāo)簽的智能節(jié)點(diǎn)被放置在電池頂端，接口連接電池兩個(gè)極板，傳感器采集單元負(fù)責(zé)采集電池的電流、電壓、溫度等信息，采集的電量信息暫存在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，微處理器在合適的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，由SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽中的信息通過(guò)射頻收發(fā)器發(fā)送出去，由上位機(jī)上的讀卡器實(shí)時(shí)讀取。整個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

下面分別介紹各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)

傳感器采集單元：傳感器采集單元負(fù)責(zé)采集電池的電流、電壓、溫度等電量信息，它包含有電源模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。

①電壓采集模塊

電壓采集則需要先對(duì)電壓進(jìn)行放大和濾波，然后直接進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換即可由微處理器進(jìn)行讀取和處理。本文選用科海模塊KV50A/P，KV50/P的被測(cè)電流為額定值10 mA(被測(cè)電壓通過(guò)連接電阻R得到，V/R=被測(cè)電流)，輸出電流為額定值50 mA，測(cè)量范圍為0～15 mA，線性度<0.1%，內(nèi)阻為450 Ω。

電壓采集模塊采樣電路圖如圖3所示。

②電流采集模塊

電流采集使用一個(gè)霍爾電流傳感器芯片，該傳感器可將電流轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電壓值，電壓值再經(jīng)過(guò)一次AD轉(zhuǎn)換，就可以直接被微處理器接收和儲(chǔ)存。本文選用科海模塊KA50A/P。電流采集模塊采樣電路圖如圖4所示。

③溫度采集模塊

溫度采集模塊采用美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20單總線數(shù)字式智能型溫度傳感器，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，它的輸出電壓與攝氏溫度成線性比例，而且不需要外部校準(zhǔn)或微調(diào)，直接將溫度物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并以總線方式傳送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。DS18B20對(duì)于實(shí)測(cè)的溫度提供了9～12位的數(shù)據(jù)和報(bào)警溫度寄存器，測(cè)溫范圍為55～+125℃，其中在10～+85℃的范圍內(nèi)測(cè)量精度為±0.5 ℃。DS18B20的輸出電壓與攝氏溫度呈線性關(guān)系，0℃時(shí)輸出為0 V，每升高1℃，輸出電壓增加10 mV此傳感器可適用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動(dòng)化測(cè)量及控制系統(tǒng)，具有微型化、功耗低、性能高、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)。此外，每一個(gè)DS18B20有唯一的系列號(hào)，因此多個(gè)DS18B20可以存在于同一條單線總線上。DS18B20溫度傳感器與主控芯片MSP430連接圖如圖5所示。

2 射頻收發(fā)器單元

RFID射頻收發(fā)器單元和傳感器采集單元集成在一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上，兼有電子標(biāo)簽和傳感器的功能，傳感器采集單元采集電壓、電流、溫度值，電子標(biāo)簽將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在起來(lái)，讀寫器通過(guò)訪問(wèn)射頻收發(fā)器單元實(shí)時(shí)讀取標(biāo)簽的信息。實(shí)物模擬圖如圖6所示。