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引言 錨固技術是巖土加固工程的主要方法，目前己廣泛應用于礦山、鐵路、水利水電、地質等系統的隧道、邊坡、山體加固等工程中。但巖土加固工程屬隱蔽工程，在施工過程中的管理和監督較為困難，目前國內在驗收時無法對錨桿的嵌入深度、錨桿注漿量和注漿壓力等重要工程質量參數進行檢測，無法對工程質量進行客觀的評價。為了解決質量驗收檢測問題，本文提出對錨桿注漿工藝在線檢測記錄和后續驗收讀取的有源電子標簽解決方案。 1 有源電子標簽的硬件設計 有源電子標簽主要由控制電路、射頻電路以及天線和電池組成。有源電子標簽設計的難點在于低功耗和防碰撞算法的實現。由于有源電子標簽需要內置電池給控制電路和射頻電路供電，為了達到延長使用壽命的目的，它對低功耗要求非常高，所以控制芯片和射頻芯片的選型至關重要。本設計中，控制芯片選用Atmel公司的低功耗單片機ATmega48，射頻芯片選用Hope公司的RFM12S低功耗射頻芯片。 1．1 ATmega48單片機 Atreel公司是生產高性能、低功耗、非易失性存儲器和各種數字模擬IC芯片的半導體制造公司。在單片機方面，Atmel公司有基于8051內核、基于 AVR內核和基于ARM內核的三大系列單片機產品。Atmel公司在其單片機產品中，融入了先進的EEPROM電可擦除和FlashROM閃存技術，使得該公司的單片機具備了優秀的品質，在結構、性能和功能等方面都有明顯的優勢。 ATmega48是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。其主要性能指標如下： ◆先進的RISC結構； ◆4 KB的系統內可編程Flash； ◆256字節的EEPROM擦寫壽命為100 000次； ◆工作電壓為1．8～5．5 V； ◆工作溫度為-40～85℃； ◆極低功耗(正常模式時1 MHz、1．8 V下為300μA，掉電模式時1．8 V下為1．5 μA)。 1．2 RFM12S低功耗射頻芯片 RFM12S是一款低成本的ISM(工業、科研、醫療)頻段FSK收發模塊，其核心電路采用的是帶鎖相環(PLL)技術的RF12射頻收發芯片。 RFM12S可工作在315／433／868／915 MHz四個頻段，并符合FCC和ETSI要求。它提供一個SPI接口，可由MCU通過軟件設置各種射頻參數和其他輔助功能；采用2．2～5．4 V供電，靜態電流低至0．3μA。其與ATmega48的連接電路如圖1所示。 
2 有源電子標簽的軟件設計 RFM12S無線收發模塊采用SPI(串行外圍設備接口)接口方式傳輸數據。當片選信號nSEL為低時，數據在每個時鐘的上升沿通過SDI引腳被送入 RFM12S的內部寄存器。要發送數據，首先發送同步頭，然后再發送需要發送的數據，通過檢測SDO引腳來判斷上一數據是否發送完畢；上一數據發送完畢后，SDO引腳會輸出一個高電平信號，這時可以繼續發送下一數據，直到數據發送完畢。要接收數據，首先無線模塊接收到同步頭， nIRQ引腳將被拉低通知單片機接收數據，接收到的數據將被放人無線模塊的接收緩沖區中等待單片機讀取。整個接收過程中，單片機都是通過判斷nIRQ的低電平信號來接收數據的，接收完所有數據后關閉接收寄存器，然后對數據作進一步的處理。 RFM12S無線收發模塊的初始化程序如下：
RFM12S無線模塊發送流程如圖2所示，無線模塊接收流程如圖3所示。
3 低功耗防沖突算法的實現 目前廣泛使用的防沖突算法大都是TDMA，主要有兩大類：基于樹的算法和基于 Aloha的算法。Aloha算法根據讀寫器檢測接收到的信號來判斷有無沖突。一旦發生沖突，讀寫器就發送命令讓標簽停止發送，隨機等待一段時間后再重新發送以減少沖突。純Aloha算法存在的一個嚴重問題是存在錯誤判斷，即對同一個標簽，如果連續多次發生沖突，將導致讀寫器出現錯誤判斷，認為這個標簽不在自己的作用范圍。 本文設計的有源電子標簽采用雙工工作模式。這種工作方式靈活，既可自行發送信息，又可由讀寫器決定它什么時候發送信息。 具體預約延時防沖突算法如下：主機廣播通知現在開始讀取電子標簽數據，從第一個標簽號x開始，其他標簽號根據各自的ID號計算相應的休眠時間。假設每個標簽一次通信需要的時間為T，預約延時間隔設為nT，則第m號標簽的休眠時間可計算為t=(m-x)·nT。當休眠時間到時，自動上傳數據給主機。如果收到主機回應消息證明數據上傳無誤，則進入休眠，這個休眠時間根據實際情況設定；如果未收到主機回應消息，則再次上傳。在nT時間內未能成功上傳的標簽也進入休眠，同時由主機標識該標簽，留作后續處理。 預約延時算法示意圖如圖4所示。
預約延時算法主機流程如圖5(a)所示，從機流程如圖5(b)所示。
4 總結 本文設計的這種有源電子標簽外形美觀，功耗低，防碰撞性能良好，識別距離為100 m以上；可以應用于巖土加固工程中錨桿注漿現場數據的采集記錄，也可用于車輛出入信息采集與控制，以及地下礦井人員定位等系統。 參考文獻 1. 高海生.楊文煥 單片機應用技術大全 1996 2. Atmel公司 cn_mega4888168.pdf 3. Hope公司 RF12.pdf 4. Hope公司 RFM12.pdf 作者：河南科技大學 阮文輝 寧永海 來源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009 （7） |
