Sistema RFID d'automòbil amb tecnologia de comunicació sense fil de curt abast

Aquest sistema és un sistema d'identificació sense fil basat en el principi de la comunicació digital i que utilitza un transceptor integrat d'ultra-alta freqüència de banda estreta d'un sol xip. S'expliquen el principi de funcionament bàsic i les idees de disseny de maquinari del sistema d'identificació de radiofreqüència i s'ofereix el diagrama de flux de l'esquema de disseny del programa. Dissenyar etiquetes d'identificació de radiofreqüència adequades per a vehicles des de les perspectives de baix consum d'energia, identificació eficient i practicitat. Els resultats de les proves mostren que aquest sistema pot aconseguir un reconeixement efectiu dins d'un rang de 300 m en condicions de carreteres complexes (condicions de carretera transitada) i pot aconseguir un reconeixement efectiu dins d'un rang de 500 m en condicions de línia de visió.

Internet de les coses es refereix a la recollida en temps real de qualsevol informació que cal controlar, mitjançant diversos equips de detecció d'informació, com sensors, tecnologia d'identificació per radiofreqüència (RFID), sistemes de posicionament global, sensors infrarojos, escàners làser, sensors de gas. i altres dispositius i tecnologies. La connexió i la interacció d'objectes o processos recopila informació necessària com el so, la llum, l'electricitat, la biologia, la ubicació, etc., i la combina amb Internet per formar una xarxa enorme. La seva finalitat és adonar-se de la connexió entre coses i coses, coses i persones, i totes les coses i la xarxa, per tal de facilitar la identificació, la gestió i el control. Aquest projecte se centra en les qüestions clau de la recollida, transmissió i aplicació de dades a l'Internet de les coses del vehicle, i dissenya una nova generació de sistemes d'identificació de radiofreqüència de vehicles basats en tecnologia de comunicació de radiofreqüència sense fil de curt abast. El sistema consta d'una unitat de comunicació sense fil de curta distància a bord (Unitat a bord, OBU) i un sistema d'estació base (Sistema d'estació base, BSS) per formar un sistema d'identificació sense fil punt a multipunt (sistema d'identificació sense fil, WIS), que es pot utilitzar dins de l'àrea de cobertura de l'estació base. Identificació de vehicles i guia intel·ligent.

1. Disseny de maquinari del sistema

El maquinari del sistema es compon principalment de la part de control, la part de radiofreqüència i la part d'aplicació d'expansió externa. Utilitza una MCU de baixa potència com a unitat de control, integra un transceptor d'ultra-alta freqüència de banda estreta d'un sol xip i té una antena de disseny optimitzat integrada. Està alimentat per cèl·lules fotovoltaiques avançades i és un terminal de radiofreqüència (OBU) d'identificació sense fil de curt abast altament integrat. Aquest terminal té una mida reduïda, un baix consum d'energia, una gran adaptabilitat i protocols oberts establerts i interfícies estàndard per facilitar l'acoblament amb sistemes existents o altres.

1.1 Disseny del circuit de control

La unitat de control adopta la sèrie MSP430 produïda per TI, que és relativament madura en aplicacions de baixa potència a la indústria. Aquesta sèrie és un processador de senyal mixt de potència ultra baixa de 16 bits (Mired Signal Processor) llançat per TI al mercat l'any 1996. Està dirigit a aplicacions pràctiques. Els requisits de l'aplicació integren molts circuits analògics, circuits digitals i microprocessadors en un sol xip per proporcionar un "monolític"; solució. En el sistema WIS, els principis de funcionament d'OBU i BSS són els mateixos, de manera que ens centrem en el disseny de la part OBU.

La tensió d'entrada de MSP430F2274 és d'1,8 ~ 3,6 V. Quan s'executa en condicions de rellotge d'1 mHz, el consum d'energia del xip és d'uns 200 ~ 400 μA i el consum d'energia més baix en el mode d'apagat del rellotge és de només 0,1 μA. Atès que els mòduls funcionals oberts quan el sistema està en funcionament són diferents, s'adopten tres modes de treball diferents d'espera, execució i hibernació, la qual cosa redueix eficaçment el consum d'energia del sistema.

El sistema utilitza dos sistemes de rellotge; el sistema de rellotge bàsic i el sistema de rellotge d'oscil·lador controlat digitalment (DCO), que utilitza un oscil·lador de cristall extern (32 768 Hz). Després del restabliment de l'encesa, DCOCLK engega primer l'MCU (Unitat de control microprogramada) per assegurar-se que el programa comença a executar-se des de la posició correcta i que l'oscil·lador de cristall té el temps d'inici i d'estabilització suficient. Aleshores, el programari pot establir els bits de control de registre adequats per determinar la freqüència final del rellotge del sistema. Si l'oscil·lador de cristall falla quan s'utilitza com a rellotge MCU MCLK, el DCO s'iniciarà automàticament per garantir el funcionament normal del sistema; si el programa s'esgota, es pot utilitzar un gos vigilant per restablir-lo. Aquest disseny utilitza el monitor de mòduls perifèrics en xip (WDT), comparador analògic A, temporitzador A (Timer_A), temporitzador B (Timer_B), port sèrie USART, multiplicador de maquinari, ADC de 10 bits/12 bits, bus SPI, etc. .

1.2 Circuit RF

La radiofreqüènciaLa peça utilitza el CC1020 de TI com a unitat de control de radiofreqüència. Aquest xip és el primer transceptor d'ultra-alta freqüència de banda estreta d'un sol xip de la indústria. Té tres modes de modulació: FSK/GFSK/OOK. L'espai mínim dels canals és de 50 kHz, que pot satisfer les necessitats dels requisits estrictes multicanal per a aplicacions de banda estreta (bandes de freqüència de 402 ~ 470 mHz i 804 ~ 94 OmHz), diverses bandes de freqüència de funcionament es poden canviar lliurement i la tensió de funcionament és de 2,3 ~ 3.6 V. És molt adequat per a la integració i expansió en dispositius mòbils per utilitzar-los com a transmissió de dades sense fil o etiquetes electròniques. El xip compleix les especificacions EN300 220.ARIB STD-T67 i FCC CFR47 part15.

Seleccioneu la freqüència de la portadora de 430 mHz com a banda de freqüència de treball. Aquesta banda de freqüència és la banda ISM i compleix els estàndards del National Wireless Management Committee. No cal sol·licitar un punt de freqüència. Utilitzant el mètode de modulació FSK, té una alta capacitat anti-interferència i una baixa taxa d'error de bits. Adopta la tecnologia de codificació del canal de correcció d'errors cap endavant per millorar la capacitat de les dades de resistir la interferència de ràfega i la interferència aleatòria. La taxa d'error de bits del canal és de 10-2 Quan, la taxa d'error de bits real es pot obtenir de 10-5 a 10-6. La distància de transmissió de dades pot arribar als 800 m en condicions de línia de visió en un camp obert, una velocitat de transmissió de 2 A Kbs i una gran antena de ventosa (longitud 2 m, guany 7,8 dB, alçada 2 m sobre el terra). La configuració estàndard d'aquest xip de RF pot proporcionar 8 canals per satisfer diversos mètodes de combinació de comunicació. A causa de l'ús de la tecnologia de comunicació de banda estreta, es millora l'estabilitat de la comunicació i l'anti-interferència. El diagrama esquemàtic de la part de radiofreqüència es mostra a la figura 3.

1.3 Font d'alimentació del sistema

La part d'alimentació del sistema està alimentada per una combinació de cèl·lules fotovoltaiques com a font d'alimentació diària i una subbateria de liti com a bateria de reserva. La càrrega de la bateria d'emmagatzematge d'energia mitjançant l'energia solar en bones condicions d'il·luminació, garantint un cert temps d'il·luminació cada dia, bàsicament pot satisfer les necessitats de treball diàries de l'OBU, allargant considerablement la vida útil de la bateria de seguretat i, al mateix temps, allargant la vida útil. de l'OBU. És adequat per a vehicles que sovint operen a l'aire lliure i poden recollir prou llum solar perquè funcionin les cèl·lules fotovoltaiques.

1.4 Entorn de desenvolupament del sistema

L'entorn de desenvolupament del sistema és el següent:

1) compilador IAR Embedded Workbench formSP430;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi Eina de disseny de plaques de circuit.

2. Programació del sistema

El programa adopta un disseny modular i està escrit en llenguatge C. Es compon principalment de 4 parts: mòdul del programa principal, mòdul del programa de comunicació, mòdul de processament de circuits perifèrics, mòdul d'interrupció i emmagatzematge. El programa principal completa principalment la inicialització de la unitat de control, la configuració de diversos paràmetres, la configuració i inicialització de cada mòdul perifèric, etc.; el mòdul del programa de comunicació gestiona principalment la configuració del xip de RF i el processament del transceptor de 433 mHz; el mòdul de processament de circuits perifèrics gestiona principalment la indicació LED externa i la tensió del sistema. La detecció, les indicacions de so es gestionen mitjançant tecles i altres processaments; el mòdul d'interrupció i emmagatzematge gestiona principalment les interrupcions del sistema i l'emmagatzematge de registres. El flux principal del programa es mostra a la figura 4.

3 Procés de comunicació RF

El procés de comunicació entre OBU i BSS es divideix en tres passos: establiment d'enllaç, intercanvi d'informació i llançament d'enllaç, tal com es mostra a la figura 5.

Sistema RFID d'automòbil amb tecnologia de comunicació sense fil de curt abast

Pas 1: establiu una connexió. La informació de coordenades de la ubicació de l'OBU i el seu codi d'identificació s'emmagatzemen al Flash de la unitat de control MCU mitjançant paràmetres preestablerts i es guarden durant molt de temps. El BSS (Base Station System) utilitza l'enllaç descendent per transmetre i enviar cíclicament informació de posicionament (control de trama d'identificació de l'estació base) a l'OBU, determinar la informació de sincronització de l'estructura de trama i la informació de control de l'enllaç de dades i sol·licitar l'establiment d'una connexió després de l'OBU. s'activa a l'àrea de comunicació efectiva. Confirmeu la validesa i envieu la informació de resposta a l'OBU corresponent, en cas contrari no respondrà;

Pas 2: Intercanvi d'informació. Aquest disseny utilitza el mètode de detectar la força del senyal de radiofreqüència per determinar si l'OBU ha entrat a l'àrea de servei. Quan la intensitat del senyal detectada és granA més d'1/2 del senyal màxim, les parts emissores i receptores implementen una encaixada de mans sense fil. En aquest moment, es considera que l'OBU ha entrat a l'àrea de servei. districte. En aquesta fase, totes les trames han de portar la identificació de l'enllaç privat de l'OBU i implementar el control d'errors. Per al judici de l'OBU aigües amunt i aigües avall, podeu utilitzar el número d'identificació per determinar si pertany al mateix sistema. Les OBU amb números d'identificació que no siguin el mateix sistema s'eliminaran automàticament del registre. L'OBU utilitza un mecanisme de salt de freqüència quan informa d'informació i selecciona aleatòriament un canal fix a l'àrea de servei per a la comunicació d'enllaç per evitar la congestió del canal.

Pas 3: allibereu la connexió. Quan la intensitat del senyal de detecció és inferior a 1/2 de la força màxima, es considera que el cotxe ha abandonat l'estació. Després que la RSU i l'OBU completen totes les aplicacions, suprimeixen l'identificador d'enllaç i emeten una ordre d'alliberament d'enllaç de comunicació dedicada. El temporitzador d'alliberament de la connexió allibera la connexió segons la confirmació del servei de l'aplicació.

4. Desenvolupament del procés de comunicació entre OBU i BSS

El protocol de comunicació estableix una estructura de protocol simple de tres capes basada en el model de protocol de set capes de l'arquitectura d'interconnexió del sistema obert, és a dir, la capa física, la capa d'enllaç de dades i la capa d'aplicació.

1) Capa física La capa física és principalment un estàndard de senyal de comunicació. Com que actualment no hi ha cap estàndard unificat per a la comunicació sense fils de curta distància de 433 mHz al món, la capa física definida per diversos estàndards també és diferent, tal com es mostra a la taula 1. La figura 6 mostra el mètode de codificació de Manchester.

2) Capa d'enllaç de dades La capa d'enllaç de dades controla el procés d'intercanvi d'informació entre OBU i BSS, l'establiment i l'alliberament de connexions d'enllaç de dades, la definició i sincronització de trames de dades, el control de la transmissió de dades de trama, el control de tolerància a errors i les dades. transmissió. S'especifiquen el control de la capa d'enllaç i l'intercanvi de paràmetres de les connexions d'enllaç. La transmissió de dades es realitza mitjançant la transmissió de trama de dades, tal com es mostra a la figura 7.

3) Capa d'aplicació La capa d'aplicació formula programes estàndard de funcions d'usuari, defineix el format dels missatges de comunicació entre diverses aplicacions i proporciona una interfície de missatge oberta per a trucades d'altres bases de dades o aplicacions.

5 Conclusió

El sistema d'identificació de radiofreqüència dissenyat en aquest article utilitza el microcontrolador MSP430 de la sèrie de baixa potència de TI, que està especialment dissenyat per TI per al consum de baix consum d'equips alimentats amb bateries. El xip de radiofreqüència també és CC1020 de TI. Té una alta integració, pot aconseguir una mida petita, un baix consum d'energia i és fàcil d'instal·lar. És adequat per a la construcció de sistemes de monitorització i vigilància sense aparcament de vehicles. Els resultats de la prova mostren que en condicions de carreteres complexes (carreteres transitades), el reconeixement efectiu es pot aconseguir dins d'un rang de 300 m, i en condicions de línia de visió, el reconeixement es pot aconseguir dins d'un rang de 500 m.