Automobilový RFID systém s bezdrátovou komunikační technologií krátkého dosahu

Tento systém je bezdrátový identifikační systém založený na principu digitální komunikace a využívající integrovaný jednočipový úzkopásmový ultravysokofrekvenční transceiver. Je vysvětlen základní princip činnosti a myšlenky návrhu hardwaru radiofrekvenčního identifikačního systému a je uveden vývojový diagram schématu návrhu programu. Navrhněte radiofrekvenční identifikační štítky vhodné pro vozidla z hlediska nízké spotřeby energie, efektivní identifikace a praktičnosti. Výsledky testů ukazují, že tento systém může dosáhnout efektivního rozpoznání v dosahu 300 m za složitých podmínek vozovky (stav rušné vozovky) a může dosáhnout účinného rozpoznání v dosahu 500 m za podmínek přímé viditelnosti.

Internet věcí se týká shromažďování jakýchkoli informací v reálném čase, které je třeba monitorovat, prostřednictvím různých zařízení pro snímání informací, jako jsou senzory, technologie radiofrekvenční identifikace (RFID), globální polohové systémy, infračervené senzory, laserové skenery, plynové senzory a další zařízení a technologie. Propojení a interakce objektů nebo procesů shromažďuje různé požadované informace, jako je zvuk, světlo, elektřina, biologie, umístění atd., a kombinuje je s internetem a vytváří obrovskou síť. Jeho účelem je uvědomit si spojení mezi věcmi a věcmi, věcmi a lidmi a všemi věcmi a sítí, aby se usnadnila identifikace, správa a kontrola. Tento projekt se zaměřuje na klíčové otázky sběru, přenosu a aplikace dat ve vozidlovém internetu věcí a navrhuje novou generaci radiofrekvenčního identifikačního systému vozidel založeného na bezdrátové radiofrekvenční komunikační technologii krátkého dosahu. Systém se skládá z palubní jednotky bezdrátové komunikace na krátkou vzdálenost (On-Board Unit, OBU) a systému základnových stanic (Base Station System, BSS) pro vytvoření bezdrátového identifikačního systému point-to-multipoint (Wireless identification system, WIS), který lze použít v oblasti pokrytí základnové stanice. Identifikace vozidla a inteligentní navádění.

1. Návrh hardwaru systému

Hardware systému se skládá především z řídicí části, radiofrekvenční části a externí rozšiřující aplikační části. Jako řídicí jednotku používá MCU s nízkým výkonem, integruje jednočipový úzkopásmový ultravysokofrekvenční transceiver a má vestavěnou optimalizovanou designovou anténu. Je napájen pokročilými fotovoltaickými články a je vysoce integrovaným bezdrátovým radiofrekvenčním terminálem krátkého dosahu (OBU). Tento terminál má malou velikost, nízkou spotřebu energie, širokou přizpůsobivost a zavedené otevřené protokoly a standardní rozhraní pro usnadnění dokování se stávajícími systémy nebo jinými systémy.

1.1 Návrh řídicího obvodu

Řídicí jednotka využívá řadu MSP430 vyráběnou společností TI, která je poměrně vyspělá v aplikacích s nízkou spotřebou v průmyslu. Tato řada je 16bitový ultra-nízkoenergetický procesor se smíšeným signálem (Mired Signal Processor), který společnost TI uvedla na trh v roce 1996. Je zaměřena na praktické aplikace. Aplikační požadavky integrují mnoho analogových obvodů, digitálních obvodů a mikroprocesorů do jednoho čipu a poskytují "monolitický" čip. řešení. V systému WIS jsou principy práce OBU a BSS stejné, proto se zaměřujeme na návrh části OBU.

Vstupní napětí MSP430F2274 je 1,8~3,6V. Při běhu v režimu hodin 1mHz je spotřeba čipu asi 200~400μA a nejnižší spotřeba v režimu vypnutí hodin je pouze 0,1μA. Vzhledem k tomu, že funkční moduly otevřené za chodu systému jsou různé, jsou přijaty tři různé pracovní režimy pohotovostního režimu, chodu a hibernace, což efektivně snižuje spotřebu energie systému.

Systém používá dva systémy hodin; základní hodinový systém a hodinový systém Digitally Controlled Oscillator (DCO), který využívá externí krystalový oscilátor (32 768 Hz). Po resetu při zapnutí DCOCLK nejprve spustí MCU (Microprogrammed Control Unit), aby se zajistilo, že se program začne vykonávat ze správné pozice a že krystalový oscilátor má dostatečnou dobu rozběhu a stabilizace. Software pak může nastavit příslušné řídicí bity registru pro určení konečné frekvence systémových hodin. Pokud krystalový oscilátor selže při použití jako hodiny MCU MCLK, DCO se automaticky spustí, aby zajistil normální provoz systému; pokud program uteče, lze jej resetovat pomocí hlídacího psa. Tato konstrukce využívá hlídací obvod periferního modulu na čipu (WDT), analogový komparátor A, časovač A (Timer_A), časovač B (Timer_B), sériový port USART, hardwarový násobič, 10bitový/12bitový ADC, sběrnici SPI atd. .

1.2 RF obvod

Rádiová frekvencečást používá TI's CC1020 jako radiofrekvenční řídicí jednotku. Tento čip je prvním skutečným jednočipovým úzkopásmovým ultravysokofrekvenčním transceiverem v oboru. Má tři modulační režimy: FSK/GFSK/OOK. Minimální kanálová rozteč je 50 kHz, což může vyhovět potřebám vícekanálových Přísných požadavků pro úzkopásmové aplikace (frekvenční pásma 402~470mHz a 804~94OmHz), více provozních frekvenčních pásem lze libovolně přepínat a provozní napětí je 2,3~3,6 V. Je velmi vhodný pro integraci a rozšíření do mobilních zařízení nebo elektronických štítků pro použití jako bezdrátový přenos dat. Čip vyhovuje specifikacím EN300 220.ARIB STD-T67 a FCC CFR47 part15.

Jako pracovní frekvenční pásmo vyberte nosnou frekvenci 430 MHz. Toto frekvenční pásmo je pásmem ISM a vyhovuje standardům National Wireless Management Committee. Není třeba žádat o frekvenční bod. Použitím modulační metody FSK má vysokou odolnost proti rušení a nízkou bitovou chybovost. Přijímá technologii kódování kanálu pro dopřednou korekci chyb, aby zlepšila schopnost dat odolávat nárazovému rušení a náhodnému rušení. Bitová chybovost kanálu je 10-2. Když lze skutečnou bitovou chybovost získat od 10-5 do 10-6. Přenosová vzdálenost dat může dosáhnout 800 m při přímé viditelnosti v otevřeném poli, přenosová rychlost 2 A Kbs a velká přísavná anténa (délka 2 m, zisk 7,8 dB, výška 2 m nad zemí). Standardní konfigurace tohoto RF čipu může poskytnout 8 kanálů pro splnění různých komunikačních kombinací. Díky použití úzkopásmové komunikační technologie je zlepšena stabilita komunikace a odolnost proti rušení. Schematický diagram radiofrekvenční části je na obrázku 3.

1.3 Napájení systému

Napájecí část systému je napájena kombinací fotovoltaických článků jako denního napájení a lithiové subbaterie jako záložní baterie. Nabíjení akumulátoru energie solární energií za dobrých světelných podmínek, zajištění určité doby svícení každý den může v zásadě pokrýt každodenní pracovní potřeby OBU, výrazně prodloužit životnost záložní baterie a zároveň prodloužit životnost OBU. Je vhodný pro vozidla, která často pracují venku a dokážou nasbírat dostatek slunečního světla pro fungování fotovoltaických článků.

1.4 Vývojové prostředí systému

Vývojové prostředí systému je následující:

1) IAR Embedded Workbench kompilátor formSP430;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Nástroj pro návrh desek plošných spojů Bisi.

2. Programování systému

Program využívá modulární design a je napsán v jazyce C. Skládá se hlavně ze 4 částí: hlavní programový modul, komunikační programový modul, modul zpracování periferních obvodů, modul přerušení a úložiště. Hlavní program dokončuje především inicializaci řídicí jednotky, konfiguraci různých parametrů, konfiguraci a inicializaci každého periferního modulu atd.; modul komunikačního programu se stará především o konfiguraci RF čipu a zpracování transceiveru 433 MHz; modul zpracování periferních obvodů se stará především o externí LED indikaci a napětí systému. Detekce, zvukové výzvy jsou řešeny úhozem kláves a dalším zpracováním; modul přerušení a ukládání řeší především přerušení systému a ukládání záznamů. Hlavní průběh programu je znázorněn na obrázku 4.

3 Proces RF komunikace

Komunikační proces mezi OBU a BSS je rozdělen do tří kroků: navázání spojení, výměna informací a uvolnění spojení, jak je znázorněno na obrázku 5.

Automobilový RFID systém s bezdrátovou komunikační technologií krátkého dosahu

Krok 1: Navažte spojení. Souřadnicové informace o umístění OBU a její ID kód jsou uloženy ve Flash řídicí jednotky MCU prostřednictvím přednastavených parametrů a jsou uloženy po dlouhou dobu. Systém BSS (Base Station System) využívá sestupnou linku k cyklickému vysílání a odesílání informací o poloze (řízení rámce identifikace základnové stanice) do OBU, určování informací o synchronizaci struktury rámce a řídicích informací datového spoje a vyžádání navázání spojení poté, co je OBU v oblasti efektivní komunikace aktivována. Potvrďte platnost a odešlete informace o odpovědi odpovídající OBU, jinak nebude reagovat;

Krok 2: Výměna informací. Tato konstrukce využívá metodu detekce síly vysokofrekvenčního signálu k určení, zda OBU vstoupila do servisní oblasti. Když je detekovaná síla signálu většír než 1/2 maximálního signálu, odesílající a přijímající strana implementují bezdrátové handshake. V tomto okamžiku se má za to, že OBU vstoupila do servisní oblasti. okres. V této fázi musí všechny rámce nést identifikaci soukromé linky OBU a implementovat kontrolu chyb. Pro posouzení OBU před a po proudu můžete použít ID číslo k určení, zda patří do stejného systému. OBU s identifikačními čísly, které nejsou stejným systémem, budou automaticky vymazány ze záznamu. OBU používá mechanismus frekvenčního přeskakování při hlášení informací a náhodně vybírá pevný kanál v oblasti služeb pro handshake komunikaci, aby se zabránilo zahlcení kanálu.

Krok 3: Uvolněte spojení. Když je síla detekčního signálu menší než 1/2 maximální síly, má se za to, že vůz opustil stanici. Poté, co RSU a OBU dokončí všechny aplikace, vymažou identifikátor linky a vydají vyhrazený příkaz k uvolnění komunikační linky. Časovač uvolnění připojení uvolní připojení podle potvrzení aplikační služby.

4. Vývoj komunikačního procesu mezi OBU a BSS

Komunikační protokol vytváří třívrstvou jednoduchou protokolovou strukturu založenou na sedmivrstvém modelu protokolu otevřené architektury propojení systému, konkrétně fyzické vrstvě, datové vrstvě a aplikační vrstvě.

1) Fyzická vrstva Fyzická vrstva je především standardem komunikačního signálu. Protože v současné době ve světě neexistuje jednotný standard pro bezdrátovou komunikaci na krátkou vzdálenost 433 MHz, fyzická vrstva definovaná různými standardy je také odlišná, jak ukazuje tabulka 1. Obrázek 6 ukazuje metodu kódování v Manchesteru.

2) Linková vrstva Linková vrstva řídí proces výměny informací mezi OBU a BSS, navazování a uvolňování spojení datových spojů, definici a rámcovou synchronizaci datových rámců, řízení přenosu dat rámců, kontrolu odolnosti proti chybám a přenos dat. Je specifikováno řízení linkové vrstvy a výměna parametrů linkových spojení. Přenos dat se provádí přenosem datového rámce, jak je znázorněno na obrázku 7.

3) Aplikační vrstva Aplikační vrstva formuluje standardní uživatelské funkční programy, definuje formát komunikačních zpráv mezi různými aplikacemi a poskytuje otevřené rozhraní zpráv pro volání z jiných databází nebo aplikací.

5 Závěr

Radiofrekvenční identifikační systém navržený v tomto článku používá mikrokontrolér MSP430 řady TI s nízkou spotřebou, který je speciálně navržen společností TI pro nízkou spotřebu bateriově napájených zařízení. Radiofrekvenční čip je také TI's CC1020. Má vysokou integraci, může dosáhnout malých rozměrů, nízké spotřeby energie a snadno se instaluje. Je vhodný pro budování monitorovacích a sledovacích systémů bez parkování vozidel. Výsledky testů ukazují, že ve složitých podmínkách vozovky (rušné silnice) lze efektivního rozpoznání dosáhnout v dosahu 300 m a v podmínkách přímé viditelnosti lze dosáhnout rozpoznání v dosahu 500 m.