Automobilový RFID systém s bezdrôtovou komunikačnou technológiou krátkeho dosahu

Tento systém je bezdrôtový identifikačný systém založený na princípe digitálnej komunikácie a využívajúci integrovaný jednočipový úzkopásmový ultravysokofrekvenčný transceiver. Je vysvetlený základný pracovný princíp a myšlienky návrhu hardvéru systému rádiofrekvenčnej identifikácie a je uvedený vývojový diagram schémy návrhu programu. Dizajnové rádiofrekvenčné identifikačné štítky vhodné pre vozidlá z pohľadu nízkej spotreby energie, efektívnej identifikácie a praktickosti. Výsledky testov ukazujú, že tento systém môže dosiahnuť efektívne rozpoznanie v rozsahu 300 m pri zložitých podmienkach na ceste (stavy s rušnou premávkou) a môže dosiahnuť efektívne rozpoznanie v rozsahu 500 m pri podmienkach priamej viditeľnosti.

Internet vecí sa vzťahuje na zhromažďovanie akýchkoľvek informácií v reálnom čase, ktoré je potrebné monitorovať, prostredníctvom rôznych zariadení na snímanie informácií, ako sú senzory, technológia rádiofrekvenčnej identifikácie (RFID), globálne polohovacie systémy, infračervené senzory, laserové skenery, plynové senzory. a ďalšie zariadenia a technológie. Prepojenie a interakcia objektov alebo procesov zhromažďuje rôzne požadované informácie, ako je zvuk, svetlo, elektrina, biológia, poloha atď., a spája ich s internetom a vytvára obrovskú sieť. Jeho účelom je uvedomiť si spojenie medzi vecami a vecami, vecami a ľuďmi a všetkými vecami a sieťou, aby sa uľahčila ich identifikácia, riadenie a kontrola. Tento projekt sa zameriava na kľúčové otázky zberu, prenosu a aplikácie dát v rámci internetu vecí vo vozidle a navrhuje novú generáciu systému rádiofrekvenčnej identifikácie vozidiel založeného na bezdrôtovej rádiofrekvenčnej komunikačnej technológii s krátkym dosahom. Systém pozostáva z palubnej jednotky bezdrôtovej komunikácie na krátku vzdialenosť (On-Board Unit, OBU) a systému základňovej stanice (Base Station System, BSS) na vytvorenie bezdrôtového identifikačného systému z bodu do viacerých bodov (Bezdrôtový identifikačný systém, WIS), ktorý možno použiť v rámci oblasti pokrytia základňovej stanice. Identifikácia vozidla a inteligentné navádzanie.

1. Návrh hardvéru systému

Hardvér systému sa skladá hlavne z riadiacej časti, rádiofrekvenčnej časti a externej rozširujúcej aplikačnej časti. Ako riadiacu jednotku používa MCU s nízkym výkonom, integruje jednočipový úzkopásmový ultravysokofrekvenčný transceiver a má vstavanú optimalizovanú dizajnovú anténu. Je napájaný pokročilými fotovoltaickými článkami a je vysoko integrovaným bezdrôtovým rádiofrekvenčným terminálom krátkeho dosahu (OBU). Tento terminál má malú veľkosť, nízku spotrebu energie, širokú prispôsobivosť a zavedené otvorené protokoly a štandardné rozhrania na uľahčenie dokovania s existujúcimi systémami alebo inými systémami.

1.1 Návrh riadiaceho obvodu

Riadiaca jednotka využíva sériu MSP430 vyrábanú spoločnosťou TI, ktorá je relatívne vyspelá v aplikáciách s nízkou spotrebou v priemysle. Táto séria je 16-bitový ultra-nízkoenergetický procesor so zmiešaným signálom (Mired Signal Processor), ktorý spoločnosť TI uviedla na trh v roku 1996. Je zameraný na praktické aplikácie. Aplikačné požiadavky integrujú mnoho analógových obvodov, digitálnych obvodov a mikroprocesorov do jedného čipu, aby poskytli "monolitický" čip. riešenie. V systéme WIS sú princípy práce OBU a BSS rovnaké, preto sa zameriavame na návrh časti OBU.

Vstupné napätie MSP430F2274 je 1,8~3,6V. Pri prevádzke v režime hodín 1mHz je spotreba energie čipu asi 200~400μA a najnižšia spotreba energie v režime vypnutia hodín je iba 0,1μA. Keďže funkčné moduly, ktoré sa otvárajú za chodu systému, sú rôzne, sú prijaté tri rôzne pracovné režimy: pohotovostný režim, beh a hibernácia, čo efektívne znižuje spotrebu energie systému.

Systém používa dva systémy hodín; základný hodinový systém a hodinový systém digitálne riadeného oscilátora (DCO), ktorý využíva externý kryštálový oscilátor (32 768 Hz). Po resete pri zapnutí DCOCLK najskôr spustí MCU (Microprogrammed Control Unit), aby sa zaistilo, že sa program začne vykonávať zo správnej pozície a že kryštálový oscilátor má dostatočný čas na spustenie a stabilizáciu. Softvér potom môže nastaviť príslušné riadiace bity registra na určenie konečnej frekvencie systémových hodín. Ak kryštálový oscilátor zlyhá pri použití ako hodiny MCU MCLK, DCO sa automaticky spustí, aby sa zabezpečila normálna prevádzka systému; ak program utečie, na jeho resetovanie sa dá použiť strážny pes. Tento dizajn využíva strážny obvod periférneho modulu na čipe (WDT), analógový komparátor A, časovač A (Timer_A), časovač B (Timer_B), sériový port USART, hardvérový násobič, 10-bitový/12-bitový ADC, zbernicu SPI atď. .

1.2 RF obvod

Rádiová frekvenciačasť používa TI CC1020 ako rádiofrekvenčnú riadiacu jednotku. Tento čip je prvým skutočným jednočipovým úzkopásmovým ultravysokofrekvenčným transceiverom v tomto odvetví. Má tri modulačné režimy: FSK/GFSK/OOK. Minimálny rozostup kanálov je 50 kHz, čo môže spĺňať potreby viackanálových prísnych požiadaviek pre úzkopásmové aplikácie (frekvenčné pásma 402 ~ 470 MHz a 804 ~ 94 OmHz), viacnásobné prevádzkové frekvenčné pásma je možné voľne prepínať a prevádzkové napätie je 2,3 ~ 3,6 V. Je veľmi vhodný na integráciu a rozšírenie do mobilných zariadení pre použitie ako bezdrôtový prenos dát alebo elektronické štítky. Čip vyhovuje špecifikáciám EN300 220.ARIB STD-T67 a FCC CFR47 part15.

Ako pracovné frekvenčné pásmo vyberte nosnú frekvenciu 430 MHz. Toto frekvenčné pásmo je pásmo ISM a je v súlade s normami Národného výboru pre riadenie bezdrôtovej siete. Nie je potrebné žiadať o frekvenčný bod. Pomocou modulačnej metódy FSK má vysokú schopnosť proti rušeniu a nízku bitovú chybovosť. Prijíma technológiu kódovania kanálov na korekciu chýb vpred, aby zlepšila schopnosť údajov odolávať nárazovému rušeniu a náhodnému rušeniu. Bitová chybovosť kanála je 10-2 Ak, aktuálnu bitovú chybovosť možno získať od 10-5 do 10-6. Vzdialenosť prenosu dát môže dosiahnuť 800 m pri priamej viditeľnosti v otvorenom poli, prenosová rýchlosť 2 A Kbs a veľká prísavná anténa (dĺžka 2 m, zisk 7,8 dB, výška 2 m nad zemou). Štandardná konfigurácia tohto RF čipu môže poskytnúť 8 kanálov na splnenie rôznych spôsobov kombinovanej komunikácie. Vďaka použitiu úzkopásmovej komunikačnej technológie sa zvyšuje stabilita komunikácie a odolnosť proti rušeniu. Schematický diagram rádiofrekvenčnej časti je znázornený na obrázku 3.

1.3 Napájanie systému

Napájacia časť systému je napájaná kombináciou fotovoltaických článkov ako denného napájania a lítiovej subbatérie ako záložnej batérie. Nabíjanie akumulátora energie solárnou energiou za dobrých svetelných podmienok, zabezpečenie určitého času osvetlenia každý deň, môže v podstate uspokojiť každodenné pracovné potreby OBU, výrazne predĺžiť životnosť záložnej batérie a zároveň predĺžiť životnosť palubnej jednotky. Je vhodný pre vozidlá, ktoré často pracujú vonku a dokážu zhromaždiť dostatok slnečného svetla na to, aby fotovoltaické články fungovali.

1.4 Vývojové prostredie systému

Vývojové prostredie systému je nasledovné:

1) IAR Embedded Workbench kompilátor formSP430;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi Nástroj na návrh dosky plošných spojov.

2. Programovanie systému

Program využíva modulárny dizajn a je napísaný v jazyku C. Skladá sa hlavne zo 4 častí: hlavný programový modul, komunikačný programový modul, modul spracovania periférnych obvodov, modul prerušenia a ukladania. Hlavný program dokončuje predovšetkým inicializáciu riadiacej jednotky, konfiguráciu rôznych parametrov, konfiguráciu a inicializáciu každého periférneho modulu atď.; komunikačný programový modul sa stará hlavne o konfiguráciu RF čipu a spracovanie 433mHz transceiveru; modul spracovania periférnych obvodov sa stará hlavne o externú LED indikáciu a napätie systému. Detekcia, zvukové výzvy sú riešené stlačením klávesov a iným spracovaním; modul prerušenia a ukladania sa stará najmä o systémové prerušenia a ukladanie záznamov. Hlavný priebeh programu je znázornený na obrázku 4.

3 Proces RF komunikácie

Komunikačný proces medzi OBU a BSS je rozdelený do troch krokov: vytvorenie spojenia, výmena informácií a uvoľnenie spojenia, ako je znázornené na obrázku 5.

Automobilový RFID systém s bezdrôtovou komunikačnou technológiou krátkeho dosahu

Krok 1: Vytvorte spojenie. Súradnicové informácie o umiestnení OBU a jej ID kód sú uložené vo Flash riadiacej jednotky MCU prostredníctvom prednastavených parametrov a sú uložené na dlhú dobu. BSS (systém základňovej stanice) používa downlink na cyklické vysielanie a odosielanie informácií o polohe (riadenie rámca identifikácie základňovej stanice) do OBU, určuje informácie o synchronizácii štruktúry rámca a informácie o riadení dátového spojenia a požaduje vytvorenie spojenia po OBU. v oblasti efektívnej komunikácie sa aktivuje. Potvrďte platnosť a odošlite informácie o odpovedi príslušnej OBU, inak neodpovie;

Krok 2: Výmena informácií. Táto konštrukcia využíva metódu detekcie sily vysokofrekvenčného signálu na určenie, či OBU vstúpila do oblasti služieb. Keď je detekovaná sila signálu väčšiar ako 1/2 maximálneho signálu, odosielajúca a prijímajúca strana implementujú bezdrôtové handshake. V tomto čase sa OBU považuje za vstup do servisného priestoru. okres. V tejto fáze musia všetky rámce niesť identifikáciu privátneho spojenia OBU a implementovať kontrolu chýb. Na posúdenie OBU pred a po prúde môžete použiť ID číslo na určenie, či patrí do rovnakého systému. OBU s identifikačnými číslami, ktoré nie sú tým istým systémom, budú automaticky vymazané zo záznamu. OBU používa mechanizmus frekvenčného preskakovania pri hlásení informácií a náhodne vyberá pevný kanál v oblasti služieb na komunikáciu prostredníctvom handshake, aby sa zabránilo preťaženiu kanála.

Krok 3: Uvoľnite pripojenie. Keď je sila detekčného signálu menšia ako 1/2 maximálnej sily, vozidlo sa považuje za opustené stanicu. Po dokončení všetkých aplikácií RSU a OBU vymažú identifikátor spojenia a vydajú príkaz na uvoľnenie vyhradeného komunikačného spojenia. Časovač uvoľnenia pripojenia uvoľní pripojenie podľa potvrdenia aplikačnej služby.

4. Vývoj komunikačného procesu medzi OBU a BSS

Komunikačný protokol vytvára trojvrstvovú jednoduchú protokolovú štruktúru založenú na sedemvrstvovom modeli protokolu otvorenej architektúry prepojenia systémov, konkrétne fyzickej vrstve, vrstve dátového spojenia a aplikačnej vrstve.

1) Fyzická vrstva Fyzická vrstva je hlavne štandard komunikačného signálu. Keďže v súčasnosti vo svete neexistuje jednotný štandard pre bezdrôtovú komunikáciu na krátku vzdialenosť 433 MHz, fyzická vrstva definovaná rôznymi štandardmi je tiež odlišná, ako ukazuje tabuľka 1. Obrázok 6 znázorňuje metódu kódovania v Manchestri.

2) Vrstva dátového spojenia Vrstva dátového spojenia riadi proces výmeny informácií medzi OBU a BSS, vytváranie a uvoľňovanie spojení dátovým spojením, definíciu a rámcovú synchronizáciu dátových rámcov, riadenie prenosu dát rámca, kontrolu odolnosti voči chybám a dát. prenos. Je špecifikované riadenie spojovej vrstvy a výmena parametrov spojov. Prenos dát sa vykonáva prenosom dátového rámca, ako je znázornené na obrázku 7.

3) Aplikačná vrstva Aplikačná vrstva formuluje štandardné užívateľské funkčné programy, definuje formát komunikačných správ medzi rôznymi aplikáciami a poskytuje otvorené rozhranie správ pre volania z iných databáz alebo aplikácií.

5 Záver

Rádiofrekvenčný identifikačný systém navrhnutý v tomto článku používa mikrokontrolér MSP430 radu TI s nízkou spotrebou, ktorý je špeciálne navrhnutý spoločnosťou TI pre nízku spotrebu energie zariadení napájaných z batérie. Rádiofrekvenčný čip je tiež TI CC1020. Má vysokú integráciu, môže dosiahnuť malú veľkosť, nízku spotrebu energie a ľahko sa inštaluje. Je vhodný na budovanie monitorovacích a monitorovacích systémov bez parkovania vozidiel. Výsledky testov ukazujú, že v zložitých podmienkach na cestách (rušné cesty) je možné dosiahnuť efektívne rozpoznanie v rozsahu 300 m a v podmienkach priamej viditeľnosti je možné dosiahnuť rozpoznanie v rozsahu 500 m.