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摘要： 实现一种应用于变电站运维作业中的基于低功耗蓝牙的读写UHF RFID标签的智能手表终端。该终端以低功耗蓝牙片上系统nRF51822为核心，结合超小型化UHF RFID标签读写模块、陶瓷天线、加速度传感器和电源管理等外围芯片，完成了可读写UHF RFID标签，与平板电脑、手机等上位机传输数据的智能手表终端的设计。该终端有效读写卡距离为10cm，系统采用了动态电源管理策略，待机时间可长达2周。
关键词：变电站运营维护；超高频RFID；智能手表；低功耗蓝牙
Abstract: This paper proposed a BLE smart watch terminal device of reading and writing UHF RFID tag which used in the operation and maintenance of electricity substation. The device is designed based on BLE SoC of nRF51822, combined these peripherals of ultra-small UHF RFID module, ceramic antenna, accelerometer and power management IC, which can read and write UHF RFID tag, transfer data with host device of smart phone or tablet. The terminal device can read and write tag efficiently at the distance of 10cm, the device’s standby time is up to 2 weeks with dynamic power management.
Keywords: operation and maintenance of electricity substation; UHF RFID; smart watch; low power Bluetooth.
1引言
变电站运维作业是保障配电网安全运行的一项非常重要的日常作业，作业人员在巡查时需要借助辅助终端来查看和更新变电站设备的运行情况，但辅助终端都是手持式的终端，双手同时只能操作一台终端，导致作业人员不得不来回切换这些辅助终端，给作业带来很大不便。
基于上述问题，提出了研发一种以手表为载体的RFID标签读写终端，终端可以通过低功耗蓝牙与手机、平板电脑等主机进行数据交换，操作在主机上进行，不需要操作标签读写终端，这种设计可以让作业人员抬抬手臂就可以完成变电设备信息的读写操作。
2 RFID简介
RFID是Radio Frequency IDentification的缩写，意为射频识别技术，是从八十年代起走向成熟的一项自动识别技术。随着集成电路技术的发展，射频识别系统的体积大大缩小，进入了小型化、实用化的阶段。
它是利用电磁感应、无线电波或微波进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。RFID系统可工作于多种频段，如低频、高频和超高频段。它们的工作原理也不尽相同，有的是利用近场的电磁感应，有的是利用电磁波发射。RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别，因此它可实现非接触目标识别、多目标识别和运动目标识别。RFID系统已经在很多领域得到了广泛应用。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。
3硬件系统设计
该终端的硬件系统设计是由四个部分组成，分别为集成Cortex-M0单片机的低功耗蓝牙SoC、RFID标签读写模块、天线和电源管理模块。其系统框图如图1所示。
图1 系统框图
低功耗蓝牙SoC选用的是Nordic的nRF51822，其特点是集成了低功耗的Cortex-M0微控制器和低功耗蓝牙协议栈，同时，芯片还提供了丰富的外围器件接口和多种休眠模式。该芯片作为系统的主控芯片，主要负责通过低功耗蓝牙与上位机建立连接，控制RFID模块的读写数据；定期从加速度传感器读取数据，分析终端的运动模式，以实施动态电源管理。
RFID读写模块为超小形化的UHF RFID读写模块，尺寸仅为25×20×2.5±0.1mm，里面集成了PLL、发射、接收、耦合器以及MCU等部件。其工作频率在840~930MHz，支持EPC C1 GEN2/ ISO 18000 -6C协议，输出功率从5dBm到20dBm可调，通讯接口为两线串口，可与微控制器连接通讯，根据接收到的命令实现读写标签的功能。
加速度传感器为ST的LIS3DH，主要用于实时提供终端的运动加速度数据，微控制器通过SPI读取数据后，经过分析确定终端处于什么运动状态，然后使终端进入相应的休眠模式。
RFID模块的天线采用的圆极化的陶瓷天线，对标签的方向性无要求，盲区小，读写标签范围广。蓝牙天线采用的贴片陶瓷天线，该天线具有体积小、全方向的特点。
4软件系统设计
nRF51822的软件架构是把程序分成用户部分和低功耗蓝牙协议栈部分，用户部分的程序是基于Cortex-M0微控制器编程开发，用户部分的程序可以操作控制所有的外围接口；协议栈部分的程序则是由芯片供应商Nordic以二进制形式提供，主要是对低功耗蓝牙协议的操作，它以API函数开放给用户程序，以实现蓝牙的收发数据。
软件流程如下，上电后，先初始化各个功能模块，在蓝牙未连接状态下，微控制器开始读取加速度数值进行分析，确定终端设备是否已经处于静止状态，如果终端已经静止了一段时间，则设置加速度传感器为双击唤醒模式，然后系统进入休眠模式；同时，在非休眠状态下，蓝牙会进行周期的广播，等待上位机的连接。软件流程图如图2所示。
图2 蓝牙未连接时的软件流程图
由于终端在多数情况下是处于非工作状态，因此为了节约能耗，增加待机、使用时间，设计了基于运动状态检测的休眠机制。该机制的思路为让终端在非工作状态尽可能多的进入休眠状态，实现的方法如下：
5.1微控制器每秒从加速度传感器读取数据，并且比较连续两次的数据，相等则将计数器的值加一，不相等则将计数器清零。
5.2如果计数器的数值大于设定值，比如120，则表示终端的加速度值连续120秒没有变化，即终端处于静止状态120秒。
5.3此时，可以认为作业人员已经不再使用终端了，然后将终端的加速度传感器设置为双击检测模式，中断输出，之后系统进入休眠模式，以节约能耗。作业人员若想再次使用终端，只需双击终端即可。
此算法的软件流程图如图3所示。
6 总结
本文是以简化变电站运维人员的工作方法，提高运维人员的工作效率为目标，研究设计了基于低功耗蓝牙的UHF RFID读写智能手表终端，在实际试验中得到了运维人员的一致认可。
参考文献：
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论文作者:肖永立,蔡庆,郑同伟,黄楠,黄晨雨,孟维波
论文发表刊物:《电力设备》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/8
标签：终端论文; 蓝牙论文; 作业论文; 加速度论文; 低功耗论文; 系统论文; 标签论文; 《电力设备》2017年第11期论文;