Σύστημα RFID αυτοκινήτου με τεχνολογία ασύρματης επικοινωνίας μικρής εμβέλειας

Αυτό το σύστημα είναι ένα ασύρματο σύστημα αναγνώρισης που βασίζεται στην αρχή της ψηφιακής επικοινωνίας και χρησιμοποιεί έναν ενσωματωμένο πομποδέκτη υπερυψηλής συχνότητας στενής ζώνης μονού τσιπ. Επεξηγούνται η βασική αρχή λειτουργίας και οι ιδέες σχεδιασμού υλικού του συστήματος αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων και δίνεται το διάγραμμα ροής του σχεδίου σχεδίασης προγράμματος. Σχεδιάστε ετικέτες αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων κατάλληλες για οχήματα από την άποψη της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, της αποτελεσματικής αναγνώρισης και της πρακτικότητας. Τα αποτελέσματα των δοκιμών δείχνουν ότι αυτό το σύστημα μπορεί να επιτύχει αποτελεσματική αναγνώριση σε εμβέλεια 300 μέτρων υπό περίπλοκες συνθήκες δρόμου (συνθήκες πολυάσχολου δρόμου) και μπορεί να επιτύχει αποτελεσματική αναγνώριση σε εμβέλεια 500 μέτρων υπό συνθήκες οπτικής επαφής.

Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων αναφέρεται στη συλλογή σε πραγματικό χρόνο οποιασδήποτε πληροφορίας που χρειάζεται να παρακολουθηθεί, μέσω διαφόρων εξοπλισμών ανίχνευσης πληροφοριών, όπως αισθητήρες, τεχνολογία αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων (RFID), συστήματα παγκόσμιων εντοπισμού θέσης, αισθητήρες υπερύθρων, σαρωτές λέιζερ, αισθητήρες αερίων. και άλλες συσκευές και τεχνολογίες. Η σύνδεση και η αλληλεπίδραση αντικειμένων ή διεργασιών συλλέγει διάφορες απαιτούμενες πληροφορίες όπως ήχο, φως, ηλεκτρισμό, βιολογία, τοποθεσία κ.λπ., και τις συνδυάζει με το Διαδίκτυο για να σχηματίσει ένα τεράστιο δίκτυο. Σκοπός του είναι να συνειδητοποιήσει τη σύνδεση μεταξύ πραγμάτων και πραγμάτων, πραγμάτων και ανθρώπων, και όλων των πραγμάτων και του δικτύου, έτσι ώστε να διευκολύνει την αναγνώριση, τη διαχείριση και τον έλεγχο. Αυτό το έργο εστιάζει στα βασικά ζητήματα της συλλογής δεδομένων, της μετάδοσης και της εφαρμογής στο Διαδίκτυο των Πραγμάτων του οχήματος και σχεδιάζει μια νέα γενιά συστήματος αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων οχήματος που βασίζεται σε τεχνολογία ασύρματης επικοινωνίας ραδιοσυχνοτήτων μικρής εμβέλειας. Το σύστημα αποτελείται από μια εποχούμενη μονάδα ασύρματης επικοινωνίας μικρής απόστασης (On-Board Unit, OBU) και ένα σύστημα σταθμού βάσης (Base Station System, BSS) για να σχηματίσει ένα ασύρματο σύστημα αναγνώρισης από σημείο σε πολλαπλά σημεία (Wireless identification system, WIS), το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί εντός της περιοχής κάλυψης του σταθμού βάσης. Αναγνώριση οχήματος και έξυπνη καθοδήγηση.

1. Σχεδιασμός υλικού συστήματος

Το υλικό του συστήματος αποτελείται κυρίως από το τμήμα ελέγχου, το τμήμα ραδιοσυχνοτήτων και το τμήμα εξωτερικής εφαρμογής επέκτασης. Χρησιμοποιεί μια MCU χαμηλής κατανάλωσης ως μονάδα ελέγχου, ενσωματώνει έναν πομποδέκτη στενής ζώνης υπερυψηλής συχνότητας μονού τσιπ και έχει ενσωματωμένη κεραία βελτιστοποιημένης σχεδίασης. Τροφοδοτείται από προηγμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία και είναι ένα εξαιρετικά ενσωματωμένο ασύρματο τερματικό ραδιοσυχνοτήτων μικρής εμβέλειας (OBU). Αυτό το τερματικό έχει μικρό μέγεθος, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, ευρεία προσαρμοστικότητα και καθιερωμένα ανοιχτά πρωτόκολλα και τυπικές διεπαφές για τη διευκόλυνση της σύνδεσης με υπάρχοντα συστήματα ή άλλα συστήματα.

1.1 Σχεδιασμός κυκλώματος ελέγχου

Η μονάδα ελέγχου υιοθετεί τη σειρά MSP430 που παράγεται από την TI, η οποία είναι σχετικά ώριμη σε εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης στη βιομηχανία. Αυτή η σειρά είναι ένας επεξεργαστής μικτού σήματος 16-bit εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης (Mired Signal Processor) που κυκλοφόρησε από την TI στην αγορά το 1996. Απευθύνεται σε πρακτικές εφαρμογές. Οι απαιτήσεις εφαρμογής ενσωματώνουν πολλά αναλογικά κυκλώματα, ψηφιακά κυκλώματα και μικροεπεξεργαστές σε ένα τσιπ για να παρέχουν ένα "μονολιθικό"; λύση. Στο σύστημα WIS, οι αρχές λειτουργίας του OBU και του BSS είναι οι ίδιες, επομένως εστιάζουμε στη σχεδίαση του εξαρτήματος OBU.

Η τάση εισόδου του MSP430F2274 είναι 1,8~3,6V. Όταν λειτουργεί υπό συνθήκες ρολογιού 1mHz, η κατανάλωση ενέργειας του τσιπ είναι περίπου 200~400μA και η χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας σε λειτουργία τερματισμού ρολογιού είναι μόνο 0,1μA. Δεδομένου ότι οι λειτουργικές μονάδες που ανοίγουν όταν το σύστημα βρίσκεται σε λειτουργία είναι διαφορετικές, υιοθετούνται τρεις διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας αναμονής, λειτουργίας και αδρανοποίησης, γεγονός που μειώνει αποτελεσματικά την κατανάλωση ενέργειας του συστήματος.

Το σύστημα χρησιμοποιεί δύο συστήματα ρολογιού. το βασικό σύστημα ρολογιού και το σύστημα ρολογιού Digitally Controlled Oscillator (DCO), το οποίο χρησιμοποιεί έναν εξωτερικό ταλαντωτή κρυστάλλου (32 768 Hz). Μετά την επαναφορά κατά την ενεργοποίηση, το DCOCLK ξεκινά πρώτα τη MCU (Μικροπρογραμματισμένη μονάδα ελέγχου) για να διασφαλίσει ότι το πρόγραμμα ξεκινά να εκτελείται από τη σωστή θέση και ότι ο κρυσταλλικός ταλαντωτής έχει επαρκή χρόνο εκκίνησης και σταθεροποίησης. Το λογισμικό μπορεί στη συνέχεια να ρυθμίσει τα κατάλληλα bit ελέγχου καταχωρητή για να καθορίσει την τελική συχνότητα ρολογιού του συστήματος. Εάν ο κρυσταλλικός ταλαντωτής αποτύχει όταν χρησιμοποιείται ως ρολόι MCU MCLK, το DCO θα ξεκινήσει αυτόματα για να εξασφαλίσει την κανονική λειτουργία του συστήματος. Εάν το πρόγραμμα εκτελεστεί, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας φύλακας για την επαναφορά του. Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί το περιφερειακό σύστημα παρακολούθησης μονάδας στο τσιπ (WDT), αναλογικό συγκριτή A, χρονόμετρο A (Timer_A), χρονόμετρο B (Timer_B), σειριακή θύρα USART, πολλαπλασιαστή υλικού, ADC 10-bit/12-bit, δίαυλο SPI κ.λπ. .

1.2 Κύκλωμα RF

Η ραδιοσυχνότηταΤο τμήμα χρησιμοποιεί το TI's CC1020 ως μονάδα ελέγχου ραδιοσυχνοτήτων. Αυτό το τσιπ είναι ο πρώτος πραγματικός πομποδέκτης υπερυψηλής συχνότητας στενής ζώνης μονού τσιπ στη βιομηχανία. Διαθέτει τρεις τρόπους διαμόρφωσης: FSK/GFSK/OOK. Η ελάχιστη απόσταση καναλιών είναι 50 kHz, η οποία μπορεί να καλύψει τις ανάγκες πολυκαναλικών Αυστηρών απαιτήσεων για εφαρμογές στενής ζώνης (ζώνες συχνοτήτων 402~470mHz και 804~94OmHz), πολλαπλές ζώνες συχνοτήτων λειτουργίας μπορούν να αλλάξουν ελεύθερα και η τάση λειτουργίας είναι 2,3~ 3.6 V. Είναι πολύ κατάλληλο για ενσωμάτωση και επέκταση σε φορητές συσκευές για χρήση ως ασύρματη μετάδοση δεδομένων ή ηλεκτρονικές ετικέτες. Το τσιπ συμμορφώνεται με τις προδιαγραφές EN300 220.ARIB STD-T67 και FCC CFR47 part15.

Επιλέξτε τη φέρουσα συχνότητα 430 mHz ως τη ζώνη συχνοτήτων εργασίας. Αυτή η ζώνη συχνοτήτων είναι η ζώνη ISM και συμμορφώνεται με τα πρότυπα της Εθνικής Επιτροπής Διαχείρισης Ασύρματου. Δεν χρειάζεται να κάνετε αίτηση για σημείο συχνότητας. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο διαμόρφωσης FSK, έχει υψηλή ικανότητα κατά των παρεμβολών και χαμηλό ποσοστό σφαλμάτων bit. Υιοθετεί την τεχνολογία κωδικοποίησης καναλιών διόρθωσης σφαλμάτων προς τα εμπρός για να βελτιώσει την ικανότητα των δεδομένων να αντιστέκονται σε παρεμβολές ριπής και τυχαίες παρεμβολές. Το ποσοστό σφάλματος bit καναλιού είναι 10-2 Όταν, το πραγματικό ποσοστό σφάλματος bit μπορεί να ληφθεί από 10-5 έως 10-6. Η απόσταση μετάδοσης δεδομένων μπορεί να φτάσει τα 800 μέτρα υπό συνθήκες οπτικής επαφής σε ανοιχτό πεδίο, ρυθμό baud 2A Kbs και μεγάλη κεραία βεντούζας (μήκος 2 μέτρα, απολαβή 7,8 dB, ύψος 2 μέτρα πάνω από το έδαφος). Η τυπική διαμόρφωση αυτού του τσιπ RF μπορεί να παρέχει 8 κανάλια για την κάλυψη διαφόρων μεθόδων συνδυασμού επικοινωνίας. Λόγω της χρήσης τεχνολογίας επικοινωνίας στενής ζώνης, ενισχύεται η σταθερότητα της επικοινωνίας και η καταπολέμηση των παρεμβολών. Το σχηματικό διάγραμμα του τμήματος ραδιοσυχνοτήτων φαίνεται στο Σχήμα 3.

1.3 Τροφοδοτικό συστήματος

Το τμήμα τροφοδοσίας του συστήματος τροφοδοτείται από ένα συνδυασμό φωτοβολταϊκών στοιχείων ως ημερήσια παροχή ρεύματος και υπο-μπαταρίας λιθίου ως εφεδρική μπαταρία. Η φόρτιση της μπαταρίας αποθήκευσης ενέργειας μέσω ηλιακής ενέργειας υπό καλές συνθήκες φωτισμού, η διασφάλιση ενός συγκεκριμένου χρόνου φωτισμού κάθε μέρα μπορεί βασικά να καλύψει τις καθημερινές ανάγκες εργασίας του OBU, επεκτείνοντας σημαντικά τη διάρκεια ζωής της εφεδρικής μπαταρίας και ταυτόχρονα επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής του OBU. Είναι κατάλληλο για οχήματα που συχνά λειτουργούν σε εξωτερικούς χώρους και μπορούν να συλλέξουν αρκετό ηλιακό φως για να λειτουργήσουν τα φωτοβολταϊκά κύτταρα.

1.4 Περιβάλλον ανάπτυξης συστήματος

Το περιβάλλον ανάπτυξης του συστήματος έχει ως εξής:

1) Μεταγλωττιστής IAR Embedded Workbench formSP430.

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Εργαλείο σχεδίασης πλακέτας κυκλώματος Bisi.

2. Προγραμματισμός συστήματος

Το πρόγραμμα υιοθετεί αρθρωτό σχεδιασμό και είναι γραμμένο σε γλώσσα C. Αποτελείται κυρίως από 4 μέρη: κύρια μονάδα προγράμματος, μονάδα προγράμματος επικοινωνίας, μονάδα επεξεργασίας περιφερειακού κυκλώματος, μονάδα διακοπής και αποθήκευσης. Το κύριο πρόγραμμα ολοκληρώνει κυρίως την προετοιμασία της μονάδας ελέγχου, τη διαμόρφωση διαφόρων παραμέτρων, τη διαμόρφωση και την προετοιμασία κάθε περιφερειακής μονάδας κ.λπ. η μονάδα προγράμματος επικοινωνίας χειρίζεται κυρίως τη διαμόρφωση του τσιπ RF και την επεξεργασία πομποδέκτη 433 mHz. η μονάδα επεξεργασίας περιφερειακού κυκλώματος χειρίζεται κυρίως την εξωτερική ένδειξη LED και την τάση του συστήματος. Η ανίχνευση, τα ηχητικά μηνύματα αντιμετωπίζονται με πληκτρολόγηση και άλλη επεξεργασία. η μονάδα διακοπής και αποθήκευσης χειρίζεται κυρίως διακοπές συστήματος και αποθήκευση αρχείων. Η κύρια ροή του προγράμματος φαίνεται στο σχήμα 4.

3 Διαδικασία επικοινωνίας RF

Η διαδικασία επικοινωνίας μεταξύ OBU και BSS χωρίζεται σε τρία στάδια: δημιουργία συνδέσμου, ανταλλαγή πληροφοριών και απελευθέρωση συνδέσμου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.

Σύστημα RFID αυτοκινήτου με τεχνολογία ασύρματης επικοινωνίας μικρής εμβέλειας

Βήμα 1: Δημιουργήστε μια σύνδεση. Οι πληροφορίες συντεταγμένων της θέσης OBU και ο κωδικός αναγνώρισης αποθηκεύονται στο Flash της μονάδας ελέγχου MCU μέσω προκαθορισμένων παραμέτρων και αποθηκεύονται για μεγάλο χρονικό διάστημα. Το BSS (Σύστημα Σταθμού Βάσης) χρησιμοποιεί την κάτω ζεύξη για κυκλική μετάδοση και αποστολή πληροφοριών θέσης (έλεγχος πλαισίου αναγνώρισης σταθμού βάσης) στο OBU, προσδιορίζει τις πληροφορίες συγχρονισμού της δομής πλαισίου και πληροφορίες ελέγχου ζεύξης δεδομένων και ζητά τη δημιουργία σύνδεσης μετά το OBU στην περιοχή αποτελεσματικής επικοινωνίας ενεργοποιείται. Επιβεβαιώστε την εγκυρότητα και στείλτε τις πληροφορίες απάντησης στο αντίστοιχο OBU, διαφορετικά δεν θα απαντήσει.

Βήμα 2: Ανταλλαγή πληροφοριών. Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί τη μέθοδο ανίχνευσης της ισχύος του σήματος ραδιοσυχνότητας για να καθορίσει εάν το OBU έχει εισέλθει στην περιοχή εξυπηρέτησης. Όταν η ανιχνευόμενη ισχύς σήματος είναι μεγάληr από το 1/2 του μέγιστου σήματος, τα μέρη αποστολής και λήψης εφαρμόζουν ασύρματη χειραψία. Αυτή τη στιγμή, το OBU θεωρείται ότι έχει εισέλθει στον χώρο εξυπηρέτησης. περιοχή. Σε αυτή τη φάση, όλα τα πλαίσια πρέπει να φέρουν την αναγνώριση ιδιωτικού συνδέσμου του OBU και να εφαρμόζουν τον έλεγχο σφαλμάτων. Για την κρίση του OBU upstream και downstream, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον αριθμό ID για να προσδιορίσετε εάν ανήκει στο ίδιο σύστημα. Τα OBU με αριθμούς ταυτότητας που δεν είναι το ίδιο σύστημα θα διαγραφούν αυτόματα από την εγγραφή. Το OBU χρησιμοποιεί έναν μηχανισμό μεταπήδησης συχνότητας κατά την αναφορά πληροφοριών και επιλέγει τυχαία ένα σταθερό κανάλι στην περιοχή εξυπηρέτησης για επικοινωνία χειραψίας για να αποτρέψει τη συμφόρηση του καναλιού.

Βήμα 3: Απελευθερώστε τη σύνδεση. Όταν η ισχύς του σήματος ανίχνευσης είναι μικρότερη από το 1/2 της μέγιστης ισχύος, το αυτοκίνητο θεωρείται ότι έχει εγκαταλείψει τον σταθμό. Αφού το RSU και το OBU ολοκληρώσουν όλες τις εφαρμογές, διαγράφουν το αναγνωριστικό συνδέσμου και εκδίδουν μια αποκλειστική εντολή απελευθέρωσης συνδέσμου επικοινωνίας. Ο χρονοδιακόπτης απελευθέρωσης σύνδεσης αποδεσμεύει τη σύνδεση σύμφωνα με την επιβεβαίωση της υπηρεσίας εφαρμογής.

4. Ανάπτυξη της διαδικασίας επικοινωνίας μεταξύ OBU και BSS

Το πρωτόκολλο επικοινωνίας δημιουργεί μια απλή δομή πρωτοκόλλου τριών επιπέδων που βασίζεται στο μοντέλο πρωτοκόλλου επτά επιπέδων της αρχιτεκτονικής διασύνδεσης ανοιχτού συστήματος, δηλαδή το φυσικό επίπεδο, το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων και το επίπεδο εφαρμογής.

1) Φυσικό επίπεδο Το φυσικό επίπεδο είναι κυρίως ένα πρότυπο σήματος επικοινωνίας. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει επί του παρόντος ενοποιημένο πρότυπο για ασύρματη επικοινωνία μικρής απόστασης 433 mHz στον κόσμο, το φυσικό επίπεδο που ορίζεται από διάφορα πρότυπα είναι επίσης διαφορετικό, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. Το Σχήμα 6 δείχνει τη μέθοδο κωδικοποίησης Manchester.

2) Επίπεδο σύνδεσης δεδομένων Το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων ελέγχει τη διαδικασία ανταλλαγής πληροφοριών μεταξύ OBU και BSS, τη δημιουργία και την απελευθέρωση συνδέσεων ζεύξης δεδομένων, τον ορισμό και τον συγχρονισμό πλαισίου των πλαισίων δεδομένων, τον έλεγχο της μετάδοσης δεδομένων πλαισίου, τον έλεγχο ανοχής σφαλμάτων και τα δεδομένα μετάδοση. Καθορίζεται ο έλεγχος του επιπέδου σύνδεσης και η ανταλλαγή παραμέτρων των συνδέσεων ζεύξης. Η μετάδοση δεδομένων πραγματοποιείται με μετάδοση πλαισίου δεδομένων, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.

3) Επίπεδο εφαρμογής Το επίπεδο εφαρμογής διαμορφώνει τυπικά προγράμματα λειτουργιών χρήστη, ορίζει τη μορφή των μηνυμάτων επικοινωνίας μεταξύ διαφόρων εφαρμογών και παρέχει μια ανοιχτή διεπαφή μηνυμάτων για κλήσεις από άλλες βάσεις δεδομένων ή εφαρμογές.

5. Συμπέρασμα

Το σύστημα αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων που σχεδιάστηκε σε αυτό το άρθρο χρησιμοποιεί μικροελεγκτή χαμηλής κατανάλωσης της σειράς MSP430 της TI, ο οποίος είναι ειδικά σχεδιασμένος από την TI για χαμηλή κατανάλωση ενέργειας εξοπλισμού που τροφοδοτείται από μπαταρίες. Το τσιπ ραδιοσυχνοτήτων είναι επίσης TI's CC1020. Έχει υψηλή ενσωμάτωση, μπορεί να επιτύχει μικρό μέγεθος, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και είναι εύκολο στην εγκατάσταση. Είναι κατάλληλο για την κατασκευή συστημάτων παρακολούθησης και επιτήρησης χωρίς στάθμευση οχημάτων. Τα αποτελέσματα των δοκιμών δείχνουν ότι σε σύνθετες οδικές συνθήκες (πολυφορημένοι δρόμοι), η αποτελεσματική αναγνώριση μπορεί να επιτευχθεί σε εμβέλεια 300 μέτρων και σε συνθήκες οπτικής επαφής, η αναγνώριση μπορεί να επιτευχθεί σε εμβέλεια 500 μέτρων.