铁欢欢，张王明，吴耀辉，刘高平
(浙江万里学院，浙江宁波315100)
摘要：有源电子标签是射频识别系统的重要组成部分，有效降低有源电子标签的功耗有利于进一步推进物联网技术的应用和发展。文章以TI公司的CC2640低功耗蓝牙芯片为核心器件，围绕着低功耗从硬件和软件改良两方面对有源电子标签进行设计，然后通过Android手机与电子标签进行通信，并测量通信过程中标签的运行功耗。结果表明该标签功耗低、通信稳定可靠，具有一定的应用价值。 关键词:CC2640；蓝牙；低功耗；有源电子标签
中图分类号:N39文献标识码:A文章编号:1671-2250(2018)02-0081-06
有源电子标签具有独立的能量源，相对于无源电子标签传输距离更远、传输速率更快、数据处理能力更强、可靠性和兼容性更高[1]。正因为于此，有源电子标签作为射频识别系统的主要组成部分，广泛
应用在高速公路收费、港口货运管理、物流仓储管理等领域。然而，有源电子标签的优异性能主要依赖于其独立的能量源，一旦能量不足，有源电子标签便处于“瘫痪”状态，造成系统不能正常工作。频繁更换电池不仅增加维护成本，还会带来环境问题，因此降低有源电子标签的运行功耗十分有意义。
蓝牙技术是世界上应用最广泛的短距离无线通信技术之一，真正地实现了物与物的无线互联。蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy,BLE)技术是蓝牙技术联盟(SIG)在传统蓝牙技术上推出的低功耗蓝牙技术规范，目前已经推出4.0和4.1两种规范。BLE技术能够在超低功耗下实现低速率数据传输，并且成本低、保密性强、标准开放，便于连接[2,3]。另外，当前大多数的智能手机都支持BLE蓝牙，因此设计一款BLE 电子标签不仅能够延长有源电子标签使用寿命，还能简化射频识别系统，进而推进物联网技术的应用和发展。 文章以TI公司的CC2640蓝牙芯片为核心，设计一款有源电子标签，从硬件和软件两方面实现其低功耗运行，并能够与手机终端进行无线互联，灵活地实现数据采集和控制等功能。
1电子标签硬件设计
该有源电子标签以CC2640蓝牙芯片为核心，包括晶振电路、电源电路、外部接口电路、巴伦滤波及天线电路。还可以根据不同的应用场景在标签上添加各类传感器或声光报警等外围器件。电子标签的结构框图如图1所示。
收稿日期:2017-12-04
基金项目:2017年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划(2017R420025)；浙江省自然科学基金资助项目(LY18F010001)；宁波市自然科学基金资助项目(2016A610225)。
作者简介：铁欢欢(1990-)，男，河南南阳人，浙江万里学院电子与计算机学院2015级硕士研究生，研究方向：物联网技术及应用。
2018年3月浙江万里学院学报
在对电子标签设计过程中，采用Altium Designer 软件绘制原理图，低功耗有源电子标签的整体电路图如图2所示。
1.1主控芯片市政隔离栏
本设计的有源电子标签主控芯片选用CC2640。CC2640是TI 公司生产的一款符合BLE4.1规范的超低功耗蓝牙芯片，它集射频与微控制器于一体，既能够实现复杂的数据处理和控制功能，又可以在2.4G 频段完成短距离、低速率数据通信。CC2640内部包含ARM Cortex-M3、ARM Cortex-M0和超低功耗传感器控制等三个微控制器，独特的结构可降低系统功耗并能为应用释放更多内存。低功耗是CC2640最大的特点，供电范围为1.8~3.8V ，射频接收和发送数据时的电流分别低至5.9mA 和6.1mA ，
在低功耗模式下的待机电流仅为1uA 。CC2640的接收灵敏度高达-97dBm ，具有更强微弱信号处理能力，并且可在-21dBm ~+5dBm 范围内可编程选择输出功率，方便对器件进行低功耗控制,128KB 的可编程闪存也使CC2640可以存储足够的数据[4]。1.2外围电路设计
本设计采用的CC2640F128xxx 系列芯片有4x4mm 、5x5mm 和7x7mm 三种封装，考虑到能否满足实际应用和尽量减小标签体积，选择4x4mm 封装。标签芯片外围除时钟电路、上电复位电路、电源电路、接口电路、阻抗匹配电路及天线外，考虑到便于对标签进行低功耗测试，只添加一个发光二极管作为外围器件，并且对外围电路的设计均考虑到低功耗。
晶振电路采用双晶振结构,32.768KHz 晶振与芯片5、6脚连接,24MHz 晶振与芯片30、31脚连接。标签在待机状态下使用32.768KHz 晶振以降低运行功耗，只有标签在通信状态(广播或连接)下才使用24MHz 晶振，保证其工作效率，在晶振两侧添加电容可以保证晶振频率及稳定性，两个晶振外侧电容
分lm5117
图1电子标签的结构框
图
图2电子标签的整体电路图
第2期铁欢欢，张王明，吴耀辉，刘高平：基于CC2640的低功耗有源电子标签设计
别为12pF和27pF。上电复位选择RC结构，既简单又能保证上电后系统正常工作。
本设计采用纽扣电池为电子标签供电，供电时可以选择CC2640芯片内部的DC-DC稳压器或者全局LDO，由于使用全局LDO会增加芯片的电流消耗[5]，因此采用DC-DC稳压器为系统供电，具体为纽扣电池通过磁珠与VDDS相连，经过芯片内部DC-DC稳压器由DCDC_SW输出并通过磁珠后由VDDR为系统供电，其中磁珠用来滤除高频信号，其他电源引脚可接适当电容降低干扰。
标签采用简化的cJTAG接口实现程序烧录，只需连接JTAG_TCK、JTAG_TMS、nRESET三根信号线，使系统电路更加简洁。
指纹挂锁1.3标签射频天线及匹配电路设计
CC2640芯片同时也是一款射频芯片，只需在外围接一个适当的射频天线，就能进行数据通信。对于电子标签，无论从成本还是实际应用角度考虑，都是越小越好。蓝牙工作在2.4GHz频段，采用偶极子天线辐射体需达到60cm，即使采用单极性的倒F天线辐射体也需30cm，并且倒F天线带宽窄，不利用蓝牙进行数据通信。本设计采用一种蛇形倒F天线，该天线的辐射体为蛇形，既可以减小天线的尺寸，也可以拓展天线的带宽，还能够印制在印刷电路板上，设计的天线分布在15.2mm×5.2mm区域内，回波损耗小于-10dB的频带超过230MHz，输入阻抗为50Ω。
射频电路的阻抗一般为复数，一般来讲两个射频元件的连接处易形成不连续界面，造成信号传输受阻，只有当两个射频元件的输入阻抗互为共轭，即阻抗实部相等、虚部相反，才能实现最大功率传输。CC2640芯片的输入阻抗为复数，并且用来连接射频天线的1脚(RF_P)和2脚(RF_N)是一对差分输入输出的偶极性端口，而本设计的蛇形倒F天线是50Ω单极性天线，因此需要在芯片与天线之间设计一个巴伦阻抗匹配电路，用来实现差分信号到单端信号的转换以及芯片到天线间的阻抗转换，进而实现天线到芯片的最大功率传输。因考虑到成本以及电路性能，采用分立元件设计一个差分馈电的巴伦阻抗匹配电路，一端与芯片1脚和2脚相连，一端与天线相连。
1.4PCB设计
在原理图的基础上对电子标签的PCB进行设计，通过合理的布局和手工布线将电子标签的各个电路集成在一块长、宽、高分别为30mm、20mm、1mm的双层FR4板上。在PCB设计过程中为确保信号线的过流能力和电路板的可靠性，需要严格计算信号线的宽度；为增强电路过流能力和使芯片有效散热，需要在电路板空挡部位添加一些过孔；为确保天线性能，不需要在电路板印制天线区域底层铺铜。
2电子标签软件设计
有源电子标签的应用程序是在BLE4.1协议栈基础上实现的，而应用程序和BLE4.1协议栈又是作为单
独的任务在一个实时操作系统(Real-time Operating System,RTOS)上运行的[6]。在程序运行过程中就是通过RTOS系统控制各层中任务事件的处理，在没有任务事件需要处理时，就会进入待机状态，在需要时唤醒设备，这也是BLE协议功耗低的重要原因。
2.1电子标签软件低功耗设计
有源电子标签在工作的过程中主要在广播、连接、待机三种状态之间进行转换[7]。广播状态下标签会周期性的执行广播事件，即通过三个广播通道分别向外发送一次广播包，然后设备进入待机状态，电子标签在广播时的电流波形图如图3所示，由图可知广播间隔内广播事件执行时间很短，其余时间设备处于待机状态。电子标签与主机设备连接成功之后就进入连接状态，为了确保标签与主机设备进行数据通信，两个设备通过跳频机制在37个数据通道中进行数据交换，又称为连接事件，电子标签在连接时的电流波形图如图4所示，由图可知在一个连接间隔内只有在连接事件执行期间设备具有较高功耗，其余时间处于待机状态。因此在软件设计过程中为了降低标签运行功耗，应尽可能的增加设备处于待机状态的时间。本设计在满足应用的情况下，一方面设计广播包长度为5字节，使广播事件执行时间尽可能短，同时设置广播间隔为3s；另一方面设置连接间隔为1.5s。超低温制冷机
2018年3月浙江万里学院学报
图4电子标签在连接时的电流波形图
2.2电子标签程序设计
电子标签程序主要包括广播部分、配对绑定部分、数据通信及应用事件部分，电子标签程序流程图如图5所示。
电子标签工作时，首先进行初始化，然后周期性的进行广播，当有主机设备扫描到广播信号后向标签发出连接请求时，先在两个设备之间进行配对和绑定，只有密码正确配对成功后两个设备才能连接成功进而进行数据通信，配对的目的是确保标签数据的安全，绑定是用来在主从设备之间产生一个长期的密匙，之后连接时不需要重新输入密码。标签连接成功后通过AONBatMonBatteryVoltageGet ()函数获取电池当前的电量值并通过通知的方式向主设备发送电量信息
[8]，可方便维护人员及时对标签更换电池,LED
周期性闪烁方便对标签进行定位，然后标签根据主设备发送指令进行数据收发。标签连接断开后又进入到广播状态。3测试结果及分析
3.1电子标签通信测试
制作好的电子标签可与Android4.3版本以上的智能手机进行数据通信，测试时采用SAMSUNG SM-
A9000与有源电子标签进行通信，打开开发的手机测试应用软件，智能手机便开始扫描周边蓝牙设备，此
图3电子标签在广播时的电流波形
图图5电子标签程序流程图
第2期
时在当前页面上显示正在广播的电子标签名称“WanLiXueYuan ”，如图6所示；点击标签名称
“WanLiXueYuan ”发送连接请求，进入配对绑定(第一次连接)页面，如图7所示；输入正确的密码后连接成功，在信息服务页面可对其中的不同特性值进行读写，如图8所示，点击“读取”即可读取标签在相应特性值中存储的数据，也可根据需要对特性值进行改写。测试表明电子标签可有效地与智能手机进行双向通信。3.2电子标签低功耗测量及分析
有源电子标签的使用寿命主要由广播、连接、待机三种模式下消耗的平均电流决定，因此首先测量电子标签与智能手机通信时不同模式下标签消耗的平均电流。测量时采用3.3V 电源为标签供电，标签广
播间隔和连接间隔分别设置为3s 和1.5s 。标签在不同状态下的平均电流Iav 由下面公式得出:
I av =[(I ×T )+(T i -T )×I s ]/T i 其中,I 为广播事件或连接事件的平均电流,T 为广播事件或连接事件消耗的时间,T i 为广播间隔或连接间隔,I s 为广播间隔待机电流或连接间隔待机电流。通过测量和计算获得电子标签在不同状态下的平均电流如表1所示。
由表1可知，标签在连接时有三种状态，在这里采用统计学的方法获取整个连接过程的平均电流，标签连接过程中无数据收发连接事件出现的概率为40%，接收数据连接事件和发送数据连接事件的概率都为30%。又测得标签连接时LED 消耗的平均电流为0.5mA ，因此连接过程的平均电流I Ca v 为:
I Cav =0.0185mA ×40%+0.0206mA ×30%+0.0196mA ×30%+0.5mA=0.5195mA 而在实际使用过程中，在一天内标签广播时长占用99%，而标签连接时长占1%，则标签的平均工作
电流I av 为:I av =0.0080mA ×99%+0.05195mA ×1%=0.0131mA 在标签使用时，采用一个电池容量为230mAh 的3V 纽扣电池CR2032为标签供电，标签的理论工作
时间T 为:
T =(3.0V ×230mAh )/(3.3V ×0.0131mA ×24h )=665d
因此，设计的有源电子标签具有超低的运行功耗，只在一块电池供电的情况下就能使用较长时间。
图6扫描页面图7配对绑定页面图8信息服务页
面
状态
广播无数据收发连接接收数据连接发送数据连接广播待机连接待机电流(mA )0.0080
0.01850.02060.01960.00160.0100表1电子标签在不同状态下的平均电流铁欢欢，张王明，吴耀辉，刘高平：基于CC2640的低功耗有源电子标签设计
2018年3月浙江万里学院学报
4结语
文章通过对蓝牙低功耗和有源电子标签的研究，提出了一个采用蓝牙通信协议的有源电子标签设计方案，并围绕低功耗从硬件和软件两个方面对电子标签进行设计。测试结果表明该标签可有效地与智能手机进行通信，并且具有超低的运行功耗，在有效延长有源电子标签使用寿命的同时，也提高了整个识别系统使用的灵活性。
参考文献:
[1]钟志豪，张红雨，朱良琦.基于能量收集和BLE的低功耗有源标签设计[J].电子质量,2015(10):84-87.
[2]曹青春，刘辉.基于CC2540的蓝牙射频模块设计[J].海南师范大学学报,2013,26(2):34-36.
[3]金纯，贾珍梅，刘鲁云，等.基于CC2540的超低功耗蓝牙模块的设计[J].电视技术,2014,39(1):60-64.
[4]Texas Instruments.CC2640SimpleLink?Bluetooth?Wireless MCU[EB/OL].[2016-7].www.ti/lit/ds/symlink/cc2640.pdf.
[5]Texas Instruments.CC13xx,CC26xx SimpleLink Wireless MCU Technica lReference Manual[EB/OL].[2017-8]. www.ti/lit/ug/swcu117h/swcu117h.pdf.
[6]Texas Instruments.CC2640and CC2650SimpleLink?Bluetooth?low energy Software Stack2.2.1[EB/OL].[2016-8]. www.ti/cn/lit/ug/swru393d/swru393d.pdf.
[7]邹向阳，谭彬，何青云.无线传感器节点中的BLE蓝牙低功耗研究[J].现代电子技术,2016,39(20):67-71.
[8]Texas Instruments.使用TI BLE-Stack实现Eddystone Bluetooth智能信标[EB/OL].[2016-8].www.ti/cn/lit/ an/zhca713a/zhca713a.pdf.
道生液
Design of Low Power Active Electronic Tag Based on CC2640便携式吸尘器
TIE Huan-huan,ZHANG Wang-ming,WU Yao-hui,LIU Gao-ping
(Zhejiang Wanli University,Ningbo Zhejiang315100)
Abstract:Active electronic tags are critical for the radio frequency identification system.The effective reduction of power consumption of active electronic tags can further promote the application and development of the technology of Internet of Things.This paper designed an active electronic tags via hardware and software improvement aiming to the low power consumption based on TI’s CC2640low-power Bluetooth chip as the core device.Then it was detected by communicating with the Android phone and electronic tags.Meanwhile,the running power of the tags during communication was measured.The results showed that the tag had low power consumption and reliable communication. Therefore,it has an certain application value.
Key words:CC2640;Bluetooth;low power;active electronic tags
(责任编辑：刘阳雄)
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