System RFID dla motoryzacji z technologią komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu

Ten system to bezprzewodowy system identyfikacji oparty na zasadzie komunikacji cyfrowej i wykorzystujący zintegrowany jednoprocesorowy wąskopasmowy ultrawysokiej częstotliwości transceiver. Wyjaśniono podstawową zasadę działania i pomysły dotyczące konstrukcji sprzętu systemu identyfikacji radiowej, a także podano schemat blokowy schematu projektowania programu. Zaprojektuj znaczniki identyfikacji radiowej odpowiednie dla pojazdów z perspektywy niskiego zużycia energii, wydajnej identyfikacji i praktyczności. Wyniki testów pokazują, że ten system może osiągnąć skuteczne rozpoznawanie w zasięgu 300 m w złożonych warunkach drogowych (ruchliwe warunki drogowe) i może osiągnąć skuteczne rozpoznawanie w zasięgu 500 m w warunkach widoczności.

Internet rzeczy odnosi się do gromadzenia w czasie rzeczywistym wszelkich informacji, które należy monitorować, za pomocą różnych urządzeń wykrywających informacje, takich jak czujniki, technologia identyfikacji radiowej (RFID), systemy pozycjonowania globalnego, czujniki podczerwieni, skanery laserowe, czujniki gazu i inne urządzenia i technologie. Łączenie i interakcja obiektów lub procesów zbiera różne wymagane informacje, takie jak dźwięk, światło, elektryczność, biologia, lokalizacja itp. i łączy je z Internetem, aby utworzyć ogromną sieć. Jej celem jest realizacja połączenia między rzeczami a rzeczami, rzeczami a ludźmi oraz wszystkimi rzeczami a siecią, aby ułatwić identyfikację, zarządzanie i kontrolę. Ten projekt koncentruje się na kluczowych kwestiach gromadzenia, przesyłania i stosowania danych w Internecie rzeczy pojazdów i projektuje nową generację systemu identyfikacji radiowej pojazdów opartego na technologii komunikacji radiowej krótkiego zasięgu. System składa się z bezprzewodowej jednostki komunikacyjnej krótkiego zasięgu (On-Board Unit, OBU) i systemu stacji bazowej (Base Station System, BSS), aby utworzyć bezprzewodowy system identyfikacji punkt-wielopunkt (Wireless identification system, WIS), który może być używany w obszarze zasięgu stacji bazowej. Identyfikacja pojazdu i inteligentne prowadzenie.

1. Projekt sprzętu systemowego

Sprzęt systemowy składa się głównie z części sterującej, części radiowej i zewnętrznej części rozszerzającej. Używa mikrokontrolera o niskim poborze mocy jako jednostki sterującej, integruje jednoprocesorowy wąskopasmowy transceiver ultrawysokiej częstotliwości i ma wbudowaną zoptymalizowaną antenę. Jest zasilany zaawansowanymi ogniwami fotowoltaicznymi i jest wysoce zintegrowanym terminalem radiowym krótkiego zasięgu identyfikacji bezprzewodowej (OBU). Ten terminal ma niewielkie rozmiary, niskie zużycie energii, szeroką adaptowalność oraz ustalone otwarte protokoły i standardowe interfejsy ułatwiające dokowanie z istniejącymi systemami lub innymi systemami.

1.1 Projekt obwodu sterującego

Jednostka sterująca przyjmuje serię MSP430 produkowaną przez TI, która jest stosunkowo dojrzała w zastosowaniach o niskim poborze mocy w przemyśle. Ta seria to 16-bitowy procesor sygnału mieszanego o bardzo niskim poborze mocy (Mired Signal Processor) wprowadzony na rynek przez TI w 1996 roku. Jest on przeznaczony do zastosowań praktycznych. Wymagania aPlikacji integrują wiele obwodów analogowych, obwodów cyfrowych i mikroprocesorów na jednym układzie scalonym, aby zapewnić rozwiązanie „monolityczne”. W systemie WIS zasady działania OBU i BSS są takie same, więc skupiamy się na projekcie części OBU.

Napięcie wejściowe MSP430F2274 wynosi 1,8~3,6 V. Podczas pracy w warunkach zegara 1mHz, pobór mocy układu wynosi około 200~400μA, a najniższy pobór mocy w trybie wyłączenia zegara wynosi zaledwie 0,1μA. Ponieważ moduły funkcjonalne otwierane podczas pracy systemu są różne, przyjęto trzy różne tryby pracy: czuwania, pracy i hibernacji, co skutecznie zmniejsza pobór mocy przez system.

System wykorzystuje dwa systemy zegara: podstawowy system zegara i system zegara Digitally Controlled Oscillator (DCO), który wykorzystuje zewnętrzny oscylator kwarcowy (32 768Hz). Po zresetowaniu zasilania, DCOCLK najpierw uruchamia MCU (Microprogrammed Control Unit), aby upewnić się, że program rozpoczyna wykonywanie od prawidłowej pozycji i że oscylator kwarcowy ma wystarczający czas rozruchu i stabilizacji. Następnie oprogramowanie może ustawić odpowiednie bity sterujące rejestrem, aby określić ostateczną częstotliwość zegara systemu. Jeśli oscylator kwarcowy ulegnie awarii, gdy będzie używany jako zegar MCU MCLK, DCO automatycznie uruchomi się, aby zapewnić normalne działanie systemu; jeśli program ucieknie, można użyć układu nadzorującego, aby go zresetować. Ten projekt wykorzystuje wbudowany moduł nadzorujący peryferyjny (WDT), komparator analogowy A, timer A (Timer_A), timer B (Timer_B), port szeregowy USART, mnożnik sprzętowy, 10-bitowy/12-bitowy przetwornik ADC, magistralę SPI itp. .

1.2 Obwód RF

Częstotliwość radiowaczęść wykorzystuje CC1020 firmy TI jako jednostkę sterowania częstotliwością radiową. Ten układ scalony jest pierwszym w branży prawdziwym jednoprocesorowym wąskopasmowym transceiverem ultrawysokiej częstotliwości. Posiada trzy tryby modulacji: FSK/GFSK/OOK. Minimalny odstęp między kanałami wynosi 50 kHz, co może spełnić potrzeby wielokanałowych Surowe wymagania dla aplikacji wąskopasmowych (pasma częstotliwości 402~470mHz i 804~940mHz), wiele pasm częstotliwości roboczych można swobodnie przełączać, a napięcie robocze wynosi 2,3~3,6 V. Jest bardzo odpowiedni do integracji i rozbudowy w urządzeniach mobilnych do użytku jako bezprzewodowa transmisja danych lub znaczniki elektroniczne. Układ scalony jest zgodny ze specyfikacjami EN300 220.ARIB STD-T67 i FCC CFR47 część 15.

Wybierz częstotliwość nośną 430mHz jako pasmo częstotliwości roboczej. To pasmo częstotliwości jest pasmem ISM i jest zgodne ze standardami National Wireless Management Committee. Nie ma potrzeby ubiegania się o punkt częstotliwości. Wykorzystując metodę modulacji FSK, ma wysoką zdolność przeciwzakłóceniową i niski współczynnik błędów bitowych. Przyjmuje technologię kodowania kanału z korekcją błędów do przodu, aby poprawić zdolność danych do przeciwstawiania się zakłóceniom serii i przypadkowym zakłóceniom. Współczynnik błędów bitowych kanału wynosi 10-2, gdy rzeczywisty współczynnik błędów bitowych można uzyskać od 10-5 do 10-6. Odległość transmisji danych może osiągnąć 800 m w warunkach widoczności w otwartym polu, przy szybkości transmisji 2A Kbs i dużej antenie przyssawkowej (długość 2 m, wzmocnienie 7,8 dB, wysokość 2 m nad ziemią). Standardowa konfiguracja tego układu RF może zapewnić 8 kanałów, aby spełnić różne metody kombinacji komunikacyjnej. Dzięki zastosowaniu wąskopasmowej technologii komunikacyjnej, stabilność komunikacji i przeciwdziałanie zakłóceniom są zwiększone. Schemat części radiowej pokazano na rysunku 3.

1.3 Zasilanie systemu

Część zasilająca systemu jest zasilana przez kombinację ogniw fotowoltaicznych jako codziennego zasilania i litowego akumulatora pomocniczego jako akumulatora zapasowego. Ładowanie akumulatora magazynującego energię za pomocą energii słonecznej w dobrych warunkach oświetleniowych, zapewniając określony czas oświetlenia każdego dnia, może zasadniczo zaspokoić codzienne potrzeby robocze OBU, znacznie wydłużając żywotność akumulatora zapasowego, a jednocześnie wydłużając żywotność OBU. Nadaje się do pojazdów, które często działają na zewnątrz i mogą zbierać wystarczającą ilość światła słonecznego, aby ogniwa fotowoltaiczne mogły działać.

1.4 Środowisko programistyczne systemu

Środowisko programistyczne systemu jest następujące:

1) Kompilator IAR Embedded Workbench formSP430;

2) Narzędzie do projektowania płytek drukowanych PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi.

2. Programowanie systemu

Program przyjmuje modułową konstrukcję i jest napisany w języku C. Składa się głównie z 4 części: modułu programu głównego, modułu programu komunikacyjnego, modułu przetwarzania obwodów peryferyjnych, modułu przerwań i pamięci masowej. Główny program głównie kończy inicjalizację jednostki sterującej, konfigurację różnych parametrów, konfigurację i inicjalizację każdego modułu peryferyjnego itp.; moduł programu komunikacyjnego głównie obsługuje konfigurację układu RF i przetwarzanie transceivera 433 MHz; moduł przetwarzania obwodów peryferyjnych głównie obsługuje zewnętrzne wskazanie LED i napięcie systemu. Wykrywanie, monity dźwiękowe są obsługiwane przez naciśnięcia klawiszy i inne przetwarzanie; moduł przerwań i pamięci masowej głównie obsługuje przerwania systemowe i przechowywanie rekordów. Główny przepływ programu pokazano na Rysunku 4.

3 Proces komunikacji RF

Proces komunikacji między OBU i BSS jest podzielony na trzy etapy: ustanowienie łącza, wymiana informacji i zwolnienie łącza, jak pokazano na Rysunku 5.

System RFID dla pojazdów z technologią komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu

Krok 1: Nawiązanie połączenia. Informacje o współrzędnych lokalizacji OBU i jego kod identyfikacyjny są przechowywane w pamięci Flash jednostki sterującej MCU za pomocą wstępnie ustawionych parametrów i są przechowywane przez długi czas. BSS (Base Station System) używa łącza w dół do cyklicznego nadawania i wysyłania informacji o położeniu (kontrola ramki identyfikacyjnej stacji bazowej) do OBU, określania informacji o synchronizacji struktury ramki i informacji o kontroli łącza danych oraz żądania ustanowienia połączenia po aktywacji OBU w efektywnym obszarze komunikacji. Potwierdź ważność i wyślij informacje o odpowiedzi do odpowiedniego OBU, w przeciwnym razie nie odpowie;

Krok 2: Wymiana informacji. Ten projekt wykorzystuje metodę wykrywania siły sygnału częstotliwości radiowej w celu ustalenia, czy OBU wszedł do obszaru serwisowego. Gdy wykryta siła sygnału jest dużar niż 1/2 maksymalnego sygnału, strony wysyłające i odbierające wdrażają bezprzewodowe uzgadnianie. W tym momencie uznaje się, że OBU wszedł do obszaru serwisowego. dystryktu. W tej fazie wszystkie ramki muszą przenosić prywatny identyfikator łącza OBU i wdrażać kontrolę błędów. W celu oceny nadrzędnego i dolnego OBU można użyć numeru ID, aby ustalić, czy należy on do tego samego systemu. OBU z numerami ID, które nie należą do tego samego systemu, zostaną automatycznie usunięte z rekordu. OBU używa mechanizmu przeskakiwania częstotliwości podczas raportowania informacji i losowo wybiera stały kanał w obszarze serwisowym do komunikacji uzgadniania, aby zapobiec przeciążeniu kanału.

Krok 3: Zwolnij połączenie. Gdy siła sygnału wykrywania jest mniejsza niż 1/2 maksymalnej siły, uznaje się, że samochód opuścił stację. Po zakończeniu wszystkich aplikacji przez RSU i OBU usuwają identyfikator łącza i wydają dedykowane polecenie zwolnienia łącza komunikacyjnego. Timer zwalniania połączenia zwalnia połączenie zgodnie z potwierdzeniem usługi aplikacji.

4. Rozwój procesu komunikacji między OBU i BSS

Protokół komunikacyjny ustanawia trójwarstwową prostą strukturę protokołu opartą na siedmiowarstwowym modelu protokołu otwartej architektury połączeń systemowych, a mianowicie warstwie fizycznej, warstwie łącza danych i warstwie aplikacji.

1) Warstwa fizyczna Warstwa fizyczna jest głównie standardem sygnału komunikacyjnego. Ponieważ obecnie na świecie nie ma ujednoliconego standardu dla bezprzewodowej komunikacji krótkodystansowej 433 MHz, warstwa fizyczna zdefiniowana przez różne standardy jest również różna, jak pokazano w Tabeli 1. Rysunek 6 przedstawia metodę kodowania Manchester.

2) Warstwa łącza danych Warstwa łącza danych kontroluje proces wymiany informacji między OBU i BSS, ustanawianie i zwalnianie połączeń łącza danych, definiowanie i synchronizację ramek danych, kontrolę transmisji danych ramki, kontrolę tolerancji błędów i transmisję danych. Określono kontrolę warstwy łącza i wymianę parametrów połączeń łącza. Transmisja danych jest wykonywana przez transmisję ramki danych, jak pokazano na rysunku 7.

3) Warstwa aplikacji Warstwa aplikacji formułuje standardowe programy funkcji użytkownika, definiuje format komunikatów komunikacyjnych między różnymi aplikacjami i zapewnia otwarty interfejs komunikatów dla wywołań przez inne bazy danych lub aplikacje.

5 Wnioski

System identyfikacji radiowej zaprojektowany w tym artykule wykorzystuje mikrokontroler MSP430 o niskim poborze mocy firmy TI, który został specjalnie zaprojektowany przez firmę TI do niskiego poboru mocy urządzeń zasilanych bateryjnie. Układ scalony częstotliwości radiowej to również układ CC1020 firmy TI. Ma wysoką integrację, może osiągnąć niewielkie rozmiary, niskie zużycie energii i jest łatwy w instalacji. Nadaje się do budowy systemów monitorowania i nadzoru bez parkowania pojazdów. Wyniki testów pokazują, że w złożonych warunkach drogowych (ruchliwe drogi) skuteczne rozpoznanie można osiągnąć w zasięgu 300 m, a w warunkach widoczności rozpoznanie można osiągnąć w zasięgu 500 m.