基于ZigBee标准的有源RFID系统低压差稳压器研究

摘要：提出了在Zigbee标准的RFID系统中有源标签电源处采用LDO稳压器，以减少电流损耗。进行了有无LDO模块的两组对比实验，对有源标签消耗电流进行了测量。结果表明，当采用LDO调整输入电压时，电流损耗仍保持稳定，且系统射程有所增加。

关键词：低压差（LDO）稳压器 有源RFID Zigbee

中图分类号：TN9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0067-03

The Study of Low-Dropout Regulator in an Active RFID System Using Zigbee Standard

WU Xiao-yu1，2，CAI Zhen-jiang1，LV Chang-fei1，CUI Tian-wei3

(1.College of Mechanical and electrical Engineering,Agriculture university of Hebei,China,071001；

2.Heibei Software Institute,China,071000； 3.Mobile communications Baoding branch of Hebei,China,071000)

Abstract：This paper studied using low-dropout (LDO) voltage regulator in order to reduce current consumption in the active tag RFID system using the ZigBee standard. Label non-beacon data transfer mode。Two sets of tests were conducted using tags with and without LDO voltage regulators, separately. We determined the current consumed by the active tag, and the results showed that, when LDO regulator voltage was used to adjust the input voltage, the current consumption remained stable, and the system transmission range was increased.

Keywords：Low-dropout (LDO)Regulator Active RFID Zigbee

1、引言

Zigbee是一种低能耗、低花费、且满足各种无线网络应用的设计[1]，其提供的无线个人局域网（WPAN）可实现计算机和相关设备间数字化无线电连接，它适用于家庭自动化、智能能量通信及个人和家庭应用等。Zigbee满足IEEE802.15.4标准，此标准采用物理层(PHY)和数据链路层（MAC）来获得价格低、数据率低的个人域网络（PAN）。物理层支持2.45GHz、915MHz和868MHz三种频带。MAC层提供精简功能设备（RFDs）和全功能设备（FFDs）两种节点模式，通常RFD用来连接传感器和执行机构，而FFD常用做坐标方位仪或终端设备网络，此时RFD可用作为单一终端设备。IEEE802.15.4标准支持星形拓扑和点对点拓扑结构，其中星形拓扑结构工作方式类似于主仆网络模式，个人局域网方位仪采用FFD节点，其他节点可采用RFD或者FFD均可实现与此个人局域网方位仪的通讯。

无线射频技术（RFID）是一种可采用Zigbee组网实现远程通讯的应用技术，其在库存资产中使用较多，且多采用非信标模式[2]的星形网络，此时当阅读器发送通讯命令到所有标签，标签收到此信号后立即回复响应信号，并认定丢失响应信号的标签或库存不可用。移动传感器亦可与标签做为一个整体，标签或者资产的移动可产生激励触发标签立即向阅读器发送信号，阅读器接受后发出警示以表征此标签或资产已移至其他位置。

在库存资产管理时，低能耗以延长电源使用寿命是相当重要的[3]，其中一种减少能耗的方法是采用低压差稳压器（LDO）以减小通过晶体管及其驱动所需饱和电流[4]。

本文对有源RFID系统中使用LDO以减少能耗进行了研究，并对其射程进行了检测分析。无线射频标签采用非信标周期工作模式，并通过有无LDO模块的两组对比实验验证在RFID系统中采用LDO模块的重要意义。

2、硬件电路设计

有源RFID系统主要由阅读器和标签两部分组成[5]。阅读器包含包括发射器模块、接收器模块、控制单元和耦合天线元件。图1为阅读器框图，由ZigBee模块、LED指示灯、复位按钮和电压调节器组成。ZigBee模块工作在2.45GHz，数据传输速率为250kbps。该模块的工作电压在1.6V和3.3V之间，MAX3232用作ZigBee模块和主机（PC）之间的数据传递。电压调节器用于调节9V输入电压至3.3V输出电压，LED指示灯显示阅读器的状态，复位按钮用来复位阅读器。阅读器与标签有自己的信道进行通信。如果信道与其他阅读器有冲突就会不断搜索其它的信道[6]。在同一系统中，标签的地址必须与阅读器的相同。当他们在覆盖区，根据阅读器的输出功率水平标签响应阅读器。

图2为RFID标签采用周期性数据通信的无线射频（RFID）。标签包括电源管理电路和一个ZigBee模块。该标签配置编程循环模式，在此期间，标签休眠1.5秒、工作5秒。如果有阅读器信号，标签回应阅读器；如果没有信号，标签恢复其休眠模式。

图4是LDO模块输出电压控制电路，输入和输出电容接地以稳定电路，反馈引脚用来调节LDO的输出电压，其反馈电压为1.216V。此模块输出电压可实现从1.2V至5.1V的调节，其计算式为：

选择R1和R2值以获得约12μA电流分流。R2建议值为1MΩ，根据式（1），计算如下：

3、实验验证及分析

3.1 实验装置

图5所示为无LDO模块时对应标签所消耗电流测量电路，电流从电源输出端直接测量。

电源电压从1.8V至3.3V进行调节，每次实验阅读器发送命令给标签，当标签接收到信号后发送“标签1”讯息作为回应，并把此信息显示在PC机上。

图6所示为采用LDO模块时对应标签所消耗电流测量电路，LDO输出电压从1.8V至3.3V范围内进行调节，对不同电压值时电路消耗电流进行了测量。标签使用输入电压为LDO输出电压。阅读器发送命令给标签，当标签接收到信号后发送“标签2”的讯息到PC机。

3.2 实验分析

实验中，用一个连接端口来检测标签是否准备好通讯，当标签处于工作状态，便先选择好通道与读写器进行通讯，标签连接网络进行数据传输。在5S工作状态时间内，标签随时准备与读写器通讯，5S后标签进入休眠模式。

图7为无LDO时实验结果图，显示当输入电压增加时，标签的电流消耗同时增加，电路能耗增加，对应的最低工作电压为1.8V。

图8为采用LDO时实验结果图。图8显示，当电源电压增加时，电流随之增加。但当LDO输出电压设定为2.2V时，电流几乎保持恒定，因此2.2V为此系统最优工作电压。如图9所示，采用LDO时比无LDO时电流稳定性超过9倍，当电源电压从3.3V降到1.8V时，电流维持在12mA上下，由数据还可知，采用LDO的标签在使用3V电源时，电流减少了32%，这对实际应用具有重要意义。

3.3 射程分析

除测量电流，实验也测量射程，以确定采用LDO对射程是否有影响。在无LDO的实验中，电压源直接给RFID标签供电。输入电压从3.3伏到1.8伏进行调节；在采用LDO时，LDO设置不同的输出电压，而输入电压源固定在3伏，实验在实验室中进行，从而其测量的为室内范围射程，标签输出功率水平设置为3dBm。

由图10可知，在LDO的输出电压为2.2V时，射程最大为67.5米，而无LDO时，最大射程为38.9米，这是比有LDO模块时标签的射程短42％。因此，此系统的最佳工作电压为2.2伏，且同时得到最大射程。

4、结语

本文对使用LDO的有源RFID标签电流损耗进行了研究，电路采用非信标模式Zigbee标准的星型拓扑结构网络。标签设定为休眠1.5秒、工作5秒的循环模式。在实验中采用超低静态电流LDO稳压器。标签最低工作电压是1.8伏，研究表明，LDO输出电压为2.2V时电路工作状态最佳，此时电路能耗降低了32％，室程增加了42％。并且把标签电压从3.3V调至其最低工作电压1.8V时，电路电流损耗基本保持不变。

参考文献

[1]Ahamed, S.S.R.: The role of zigbee technology in future data communication system. Journal of Theoretical and Applied Information Technology 5, 129 (2009).

[2]候洪丽,张霄霞,王福明。ZigBee无线传输技术综述[J].山西电子技术2011,4:84-86.

[3]毛伟,文光俊,朱学勇无源UHF RFID芯片中低功耗基带处理器的设计[J].微电子学2011,6:346-349.

[4]潘希武等.一种低功耗宽频带LDO 线性稳压电路设计[J].中国集成电路,2011,6:53-56,83.

[5]孙明月.RFID无线射频技术简介[J].科技创业月刊,2010,1:42-43.

[6]Eady,F.:Go Wireless with the XBee.Circuit cellar: The magazine for computer applications,48-56 (2006).

[7]程军等.一种LDO线性稳压电路设计[J].现代电子技术,2010,6:16-18.

作者简介

吴小玉（1980－），女，讲师，现工作于河北软件职业技术学院，河北农业大学机电工程学院在读硕士，主要从事计算机控制、智能仪器的研究。

Biography

Wu Xiaoyu (1980-),female,lecturer,currently working in Hebei software Institute,master of College of Mechanical and electrical Engineering,Agriculture university of Hebei, mainly engaged in research on computer control,intelligent instrument.