黄勤陆，黄凤江，崔静，赵爽

（1．成都纺织高等专科学校 电气工程学院，四川 成都 611731；2．成都艾希联科技有限公司 四川 成都　610041）

一种基于电梯监测的无线射频收发装置设计

黄勤陆1，黄凤江2，崔静1，赵爽1

（1．成都纺织高等专科学校 电气工程学院，四川 成都 611731；2．成都艾希联科技有限公司 四川 成都610041）

传统电梯运行数据的采集和监测采用有线方式，成本高、安装、维护困难，为实现电梯监测系统中轿厢与数据服务器之间的无线数据的可靠传输，文中提供一种2．4 GHz有源射频无线收发装置系统设计方案。该系统硬件电路以NRF24L01+为核心，由功放和低噪放一体电路、滤波器、天线、抗干扰等电路组成，设计有发射和监听两种模式。系统软件按应用层、OS层和硬件层进行系统架构设计和程序设计。产品经过测试和小批量应用表明该设计方案抗干扰能力强、功耗低、无线传输距离远、性能稳定可靠、可制造性良好。

超高频；射频；RFID；2．4 GHz；NRF24L01+

电梯监测系统是监控电梯运行状况、保障人们乘坐电梯安全可靠的管理系统，系统监测重点是电梯的轿厢运行状态。轿厢在电梯井中上下频繁运行，与电梯电气控制系统和数据管理服务器进行大量的数据交换，传统方式的信息传输是采用电缆进行的，存在安装维护等诸多问题；RFID技术在电梯监测系统中的应用，采用无线通信方式，传输的数据信息量大、兼容好，具有施工、维护方便等优点，得到了工程技术和管理人员的高度重视和采用。本文针对电梯井内的无线传输方式，提供了一种基于物联网技术的2．4 GHz的射频装置设计方案，该方案采用射频识别技术，按约定的无线网络协议进行信息交换和通信，实现电梯智能化识别、定位、跟踪、监控和管理［1］。RFID的在电梯监测系统中的应用不但拓展了物联网技术领域的应用范围、管理效率和实施速度，还改善了人们的生活质量［2］。

该射频识别装置的基本工作原理是利用射频信号及其空间耦合和传输特性，实现对静止或移动物体的自动识别［3］。RFID系统按工作频率分为低频、高频、超高频（UHF）和微波系统［4］，本文所述装置属于超高频，与低频和高频段技术相比，UHF频段具有监测识别距离远、读取速度快方面的优势。

1　系统介绍

本电梯监测系统中的2．4 GHz有源射频无线收发装置硬件系统由3大部分组成：上位机子系统、主控制器模块、射频收发装置系统。上位机子系统主要由电脑、下载电缆、编程控制软件构成，主要负责STM32F103初始化、数据编程和传输，以及对采集到的电梯运行数据的分析、统计和维护管理工作。主控制器芯片STM32F103模块是由内核Cortex-M3构成的基本系统，通过串行通信口实现与射频收发模块的数据交换。射频收发装置主要由读写器和射频卡构成，读写器是RFID信息系统数据采集和控制中心，分为发射和接收两部分。发射部分包括载波发生、调制及驱动电路、滤波及功率放大电路；接收部分主要是接收解调电路，包括检波、放大整形及解码电路［5］；射频卡收发器接收到读写器传递过来的信息后，将存储在芯片中的产品信息进行编码，再通过卡内置天线发送出去。该2．4 G射频收发装置系统框图如图1所示。

图1　一种2．4 GHz射频收发装置的系统框图Fig．1　The system block diagram of a 2．4 GHz RF transceiver

如图1所示，该系统装置由数据连接器、GFSK射频收发器、电子开关、功放模块及电源、滤波器、瞬态抑制器、以及天线连接头组成。射频GFSK（高斯频移键控）收发器用于数字信号和射频信号之间的相互转换，将数据连接器传输进来的数字信号转换为射频信号，并将该射频信号传输至功放模块，与数据连接器、功放模块连接；还可将功放模块传输进入的射频信号转换为数字信号，并将该数字信号通过数据连接器传输到主控机。功放模块包括电子开关、功放和低噪放一体电路、滤波器、瞬态抑制器、天线连接头和功放电源，作用是对射频信号滤波处理和行功率放大，并将处理后的射频信号传输至GFSK射频收发器。数据连接器用于与主控器进行数据交互连接。电子开关与功放和低噪放一体电路相连接，用于功放和低噪放两种模式的切换。

系统工作时，首先由主控电路模块向射频标签发送数字询问信号，由射频发射机将发送的询问信号转换成为射频信号进行发射。射频标签接收到这个询问信号后，会进行相应的应答。射频接收端接收到射频标签的应答的信号后，再转换成为数字信号送给主控电路模块进行进一步的处理［3］。

2　系统硬件设计

2.1GFSK射频收发器设计

GFSK射频收发器的电路图如图2所示。NRF24L01+为射频收发器系统的核心，该芯片工作在2．4 GHz频段，是一种超低功耗的无线收发集成芯片。芯片最大传输速率可达2 Mbps，125个频点，可实现点对点或点对多点的无线传输通信［7］。

图2　GFSK射频收发器的电路图Fig．2　The circuit diagram of GFSK RF transceiver

该射频收发器由解调器、频率发生器、功率放大器、模式控制器、晶体振荡器等几部分电路组成。系统电流消耗小，在发射模式下，电流消耗在发射功率为零分贝时只有10余毫安。接收模式下，电流消耗也只有12．3毫安。待机和停电模式下，系统的电流消耗就更少了。NRF24L01芯片引脚功能定义如下：CE为接收RX/发送TX模式选择，3SCK为SPI时钟，MOSI和MISO为SPI的数据输入输出引脚，CSN为SPI片选信号脚，天线接口通过ANT1和ANT2连接，晶体震荡器连接到XC1和XC2脚，另外VDD为电源脚、IRQ为屏蔽中断脚，DVDD为抗干扰去耦电路脚，VSS为芯片接地点。

STM32F103与外围设备进行数据信息交换通过SPI串行接口口实现，数据信息的交换速度可达10 Mbps。指令存储在芯片读写寄存器中，CSN片选信号选择后，通信指令才能进行执行。上位机发出的外部数字信号通过 U4的PIN2、PIN3、PIN4、PIN5管脚输入，PIN1脚控制是发射模式和监听模式控制端，由X1组成的振荡电路为U4提供工作时钟；同时电源输入端增加了电容去耦模块。

天线RF输出是通过ANT1和ANT2输出脚实现，这两个脚通过RF扼流圈或天线双极的中心点连接到VDD的直流通路。装置上电后，主控制器通过数据连接器对射频收发器的发射功率、发射频道、接收频道、工作模式等参数进行配置。配置成监听模式时，当射频信号进入GFSK射频收发器后，收发器会对射频信号进行分析和解析，匹配的则会输出数字信号到数据连接器；当射频收发装置进入发射模式时，则射频收发器会把从数据连接器发送过来的数据组包转换成射频信号，通过功放模块发射出去。

2.2功放和低噪放一体电路

功放和低噪放一体电路如图3所示。

如图3所示，U5为功放和低噪放一体电路的核心芯片RF5725，芯片内部包含2．4 GHz线性功率放大器，芯片内部还整合了瞬态低通滤波器、输出功率耦合器、单刀三掷开关、低噪声放大器。系统能够在Wi-Fi接收和传送、以及蓝牙通信模式之间进行切换。U9是电压基准源CJ431，为U5功放部分提供偏置电压，U5的PIN14和PIN15组成逻辑互锁，了保证电路的工作稳定性和可靠性，在电源的输入端还设计有电容去耦电路。耗电是电池供电设备中的关键技术参数，系统在待机情况下可将电流消耗降至极低状态。

2.3功放电源设计

功放电源的电路图如图4所示。

如图4所示，U3采用TI公司的高性能射频专用的低压差线性稳压器芯片（LDO）TPS79501。该芯片是高电源纹波抑制、低噪声、单输出LDO电源芯片，提供1．2 V至 5．5 V可调电压500 mA负载能力输出。具有低功耗、高电源抑制比、超低噪声、芯片封装体积小方面、快速启动特点，芯片有出色的线性和负载瞬态响应。当被设置在待机模式下，电源电流降至低于1 μA，适合用于电池供电的低功耗设计电路。线性稳压器芯片U3的PIN8脚为芯片输出使能管脚，当为高电平时，U3的PIN3和PIN4才有输出电压；当为低电平时，这两个脚无输出电压。R2和R3组成的分压反馈电路，用来调节系统得到恰当的输出电压。

为降低系统功耗，射频标签和射频收发装置需配合设计完成功率控制。为节省能量，延长标签电池使用寿命，尽量使每个标签的发射功率减少。系统在正反向传输功耗相同条件下，射频标签接收并检测射频收发装置发送的射频信号强度，分析和预测正向传输损耗；然后根据预测结果，自动调整其发射功率。标签发射功率降低情况下，接收信号就自动增强；接收信号减弱时，就自动增强发射功率，使每次发射到射频收发装置的功率相等［8］。

为验证功放电源设计是否合理，是否满足实际需要，在模块电源输入部分串入1欧姆的取样电阻，使用示波器TDS1012进行实测。最大电压显示为140 mV，根据公式I=U/ R，即最大发射电流为 140 mA，小于功放电源理论设计值500 mA，说明该系统电源设计是有较大冗余，具有良好的可靠性。

图3　功放和低噪放一体电路的电路图Fig．3　The circuit diagram of power amplifier and low noise amplifier integrated circuit

图4　功放电源的电路图Fig．4　The circuit diagram of power amplifier

3　系统软件设计

3.1软件层次结构

系统根据射频收发装置相应工作流程、技术指标和对外接口，系统分为硬件层、OS层和应用层，软件层次和系统结构设计如图5所示。

图5　软件层次图Fig．5　The software structure diagram

OS层包含硬件驱动程序、嵌入式操作系统、射频收发装置应用接口等相关的软件。软件设计具有以下功能：上位机通过网络接口与主控制器进行通信，主控制器STM32F103接收到命令消息后对命令类型和内容进行判断和基带编码；系统的主控制器 STM32将基带码传送给 GFSK射频芯片NRF24L01+，由该芯片完成信号的滤波、调制、整形、编码等功能。功率放大模块将该信号放大来适合天线发送，由天线完成对已调信号的发射、或接收；对天线接收射频信号处理过程是以上发射步骤的反过程［6］。

3.2软件流程图及程序设计

根据该装置的工作流程和各芯片电路的工作特点要求，软件流程图设计如图6所示。

系统上电后首先进行初始化工作，GPIO和SPI接口初始化，NFR24L01+、RF5725、TPS79501芯片的寄存器和工作模式初始化。系统进入工作线程选择，一路线程是射频进行收发，一路线程是NFR24L01判断是否有数据，如果有数据，转CPU进行处理。

图6　软件流程图Fig．6　The flow chart of software

软件设计初始化程序代码参考如下：

4　结束语

本装置设计采用GFSK和小信号高频处理、高性能功放模块技术实现电梯井道数据采集和传输，解决了现有电梯监测系统采用有线传输方式以及无线有源射频方式中能效转换低、电梯井道易失效和维护不方便问题。具有硬件成本低、终端体积小、功耗低、速率高、误码率低等优点，最大程度地提高无线信号的通信距离。该设计方案经过产品硬件和软件测试和小批量应用，验证了该设计方案抗干扰能力强、功耗低、无线传输距离远、性能稳定可靠、可制造性良好，能够批量应用于电梯监测和数据传输系统中。

［1］张红州．物联网在制造业中的应用［C］．四川省电子学会生产技术专委会2010年学术年会会议集，2010:140-143．

［2］孙毅刚，邓勇，李强．基于AS3992的UHF RFID阅读器设计和研究［J］．制造业自动化，2013，35（10）:138-142．

［3］高天宝，王敬超，张春，等．便携式RFID读写器的设计与实现［J］．电子技术应用，2008（5）:56-58．

［4］王耀，范文兵，葛峥．超高频RFID读写器射频前端设计与仿真［J］．微计算机信息，2009，25（4）:248-250．

［5］王利恒，王祥力，陈荡，等．无线射频识别装置的设计［J］．武汉工程大学学报，2013，35（1）:65-70．

［6］何滔．一种超高频RFID读写器的软件设计与实现［J］．电子设计工程，2013，21（22）:141-147．

［7］姚宏昕，刘宁．用于定位的低功耗有源RFID标签设计［J］．电子世界，2013，24:136-137．

［8］黄俊，邹传云，刘利胜．一种有源RFID标签的简单功率控制算法［J］．通信技术，2013，46（9）:103-106．

A design of wireless RF transceiver device based on elevator monitoring system

HUANG Qin-lu1，HUANG Feng-jiang2，CUI Jing1，ZHAO Shuang1
（1.School of Electrical Engineering，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China）2.Chengdu Ixilink Technology Co.，Ltd，Chengdu 610041，China）

The traditional elevator running data are collected and monitored using the cable，high cost，difficult to maintain and install，in order to realize reliable wireless data transmission between the car and the data server in the monitoring system of elevator，the paper provides a design scheme of wireless RF transceiver system．The hardware circuit of the system is based on NRF24L01+，it is composed of power amplifier and the low noise amplifier integrated circuit，filter，antenna，anti-jamming circuit，and has a transmission mode and a monitor mode．The design of system architecture design and software program is divided into application layer，OS layer and hardware layer，and program design．The product is tested and small batch application shows that the design scheme is strong anti-interference ability，low power consumption，long distance wireless transmission，stable and reliable performance，with good manufacturing．

ultra high frequency；radio frequency；radio frequency identification；2．4 GHz；NRF24L01+

TN919．3

A

1674－6236（2016）02-0190-04

2015-05-07稿件编号：201505058

四川省科技支撑计划项目（2014GZ0147）

黄勤陆（1971—），男，重庆梁平人，硕士，教授。研究方向：电气自动化，电子工程技术。