一种集成RFID电子标签的传感器节点设计

摘要：文中针对电磁干扰和遮挡非常严重的电池生产车间的复杂环境，设计一种集成RFID的电池充放电参数采集节点。在每一个电池上放置一个无线节点，能实时获取每个电池在充放电过程的电流、电压、温度数据，实现生产数据自动采集。全过程不需人工干预进行实时监控，同时将充放电过程的数据存储在数据库中，以实现电池售后的质量跟踪和追溯。相对于传统电池充放电方法，采集节点将充放电过程的监控做到了自动化、专家化。

电池在出厂之前一般都要经过一道充放电工序，对电池的性能进行检测，这对于保证电源供电可靠性具有十分重要的作用。充放电过程需要检测的参数一般包括：充放电电压、充放电电流、电池温度、内阻、荷电状态(SOC)、劣化状况(SOH)，以便于处理极扳活性物质凝结、测试电池性能、防止极板钝化，保证电池质量。根据中国邮电电信总局颁发的《电信电源维护规程》的要求，所有阀控式铅酸(VRLA)蓄电池出厂前都要进行进行2～3次充放电试验，考验和检测各相技术指标。

本论文设计一种集成RFID电子标签的传感器节点，实现实时数据采集，在采集的电压、电流、温度值之后将数据存储在电子标签中，由上位机上的读卡器实时读取。另外根据电池企业的特殊应用背景，电池生产线上布置大规模、高密集度的RFID标签，必须设计快速大批量读取的RFID读写器，将RFID技术与无线传感器网络技术进行融合。无线传感器网络一般不关心某一节点的位置，因此对节点一般都不采用全局标识，而RFID技术对节点的标示有着得天独厚的优势，将两者结合共同组成网络可以相互弥补对方的缺陷，网络既可以考虑到每一个电池的充放电过程的电流、电压信息，也可以利用RFID的标识功能轻松的找到每一个电池的具体位置。

无线传感器网络技术综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，是工业控制的前沿技术，应用前景十分广阔。本文设计的节点由集成RFID电子标签的传感器组成，兼有电子标签和传感器的功能。外形设计小巧，只有打火机体积大小，接在每只电池的两个端子上。充放电机工作时，传感器节点采集数据，并且将数据存储在电子标签中，安装在上位机上的读卡器将采集数据实时读取。无线传感器网络采用自组织协议支持下的网络拓扑结构，在电磁干扰和遮挡干扰都非常严重的生产车间，系统可以稳定运作，并且信息采集的可靠性也比有线采集提高了一个数量级。

1 集成RFID的智能节点的硬件设计

该智能节点由微控制单元、传感器采集单元、射频收发器、RF天线、内部存储器单元和供电单元6部分组成。集成RFID电子标签的智能节点被放置在电池顶端，接口连接电池两个极板，传感器采集单元负责采集电池的电流、电压、温度等信息，采集的电量信息暂存在内部存储器中，微处理器在合适的时候将数据进行处理，由SPI接口将数据发送到电子标签，电子标签中的信息通过射频收发器发送出去，由上位机上的读卡器实时读取。整个节点的硬件结构图如图1所示。

下面分别介绍各个部分的具体设计

传感器采集单元：传感器采集单元负责采集电池的电流、电压、温度等电量信息，它包含有电源模块、电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块。

①电压采集模块

电压采集则需要先对电压进行放大和滤波，然后直接进行AD转换即可由微处理器进行读取和处理。本文选用科海模块KV50A/P，KV50/P的被测电流为额定值10 mA(被测电压通过连接电阻R得到，V/R=被测电流)，输出电流为额定值50 mA，测量范围为0～15 mA，线性度<0.1%，内阻为450 Ω。

电压采集模块采样电路图如图3所示。

②电流采集模块

电流采集使用一个霍尔电流传感器芯片，该传感器可将电流转换成与之对应的电压值，电压值再经过一次AD转换，就可以直接被微处理器接收和储存。本文选用科海模块KA50A/P。电流采集模块采样电路图如图4所示。

③温度采集模块

温度采集模块采用美国Dallas公司生产的DS18B20单总线数字式智能型温度传感器，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，它的输出电压与摄氏温度成线性比例，而且不需要外部校准或微调，直接将温度物理量转化为数字信号，并以总线方式传送到控制器进行数据处理。DS18B20对于实测的温度提供了9～12位的数据和报警温度寄存器，测温范围为55～+125℃，其中在10～+85℃的范围内测量精度为±0.5 ℃。DS18B20的输出电压与摄氏温度呈线性关系，0℃时输出为0 V，每升高1℃，输出电压增加10 mV此传感器可适用于各种领域、各种环境的自动化测量及控制系统，具有微型化、功耗低、性能高、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。此外，每一个DS18B20有唯一的系列号，因此多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上。DS18B20温度传感器与主控芯片MSP430连接图如图5所示。

2 射频收发器单元

RFID射频收发器单元和传感器采集单元集成在一个传感器节点上，兼有电子标签和传感器的功能，传感器采集单元采集电压、电流、温度值，电子标签将数据存储在起来，读写器通过访问射频收发器单元实时读取标签的信息。实物模拟图如图6所示。