Автомобильная система RFID с технологией беспроводной связи ближнего действия

Эта система представляет собой беспроводную систему идентификации, основанную на принципе цифровой связи и использующую интегрированный однокристальный узкополосный сверхвысокочастотный приемопередатчик. Объясняются основной принцип работы и идеи проектирования оборудования системы радиочастотной идентификации, а также приводится блок-схема схемы проектирования программы. Разрабатывайте метки радиочастотной идентификации, подходящие для транспортных средств с точки зрения низкого энергопотребления, эффективной идентификации и практичности. Результаты испытаний показывают, что эта система может достигать эффективного распознавания в диапазоне 300 м в сложных дорожных условиях (условия загруженной дороги) и может достигать эффективного распознавания в диапазоне 500 м в условиях прямой видимости.

Интернет вещей относится к сбору в реальном времени любой информации, которую необходимо контролировать, с помощью различного информационного сенсорного оборудования, такого как датчики, технология радиочастотной идентификации (RFID), глобальные системы позиционирования, инфракрасные датчики, лазерные сканеры, газовые датчики и другие устройства и технологии. Соединение и взаимодействие объектов или процессов собирает различную необходимую информацию, такую ​​как звук, свет, электричество, биология, местоположение и т. д., и объединяет ее с Интернетом, чтобы сформировать огромную сеть. Ее цель - реализовать связь между вещами и вещами, вещами и людьми, а также всеми вещами и сетью, чтобы облегчить идентификацию, управление и контроль. Этот проект фокусируется на ключевых вопросах сбора, передачи и применения данных в транспортном Интернете вещей и разрабатывает новое поколение системы радиочастотной идентификации транспортных средств, основанной на технологии беспроводной радиочастотной связи ближнего действия. Система состоит из бортового блока беспроводной связи ближнего действия (бортовой блок, OBU) и системы базовой станции (система базовой станции, BSS) для формирования беспроводной системы идентификации точка-многоточка (система беспроводной идентификации, WIS), которая может использоваться в зоне покрытия базовой станции. Идентификация транспортного средства и интеллектуальное наведение.

1. Системная аппаратная часть

Системная аппаратная часть в основном состоит из управляющей части, радиочастотной части и внешней части приложения расширения. Она использует маломощный микроконтроллер в качестве блока управления, интегрирует однокристальный узкополосный сверхвысокочастотный приемопередатчик и имеет встроенную оптимизированную антенну. Он питается от усовершенствованных фотоэлектрических элементов и представляет собой высокоинтегрированный беспроводной идентификационный радиочастотный терминал (OBU) ближнего действия. Этот терминал имеет небольшой размер, низкое энергопотребление, широкую адаптивность и установленные открытые протоколы и стандартные интерфейсы для облегчения стыковки с существующими системами или другими системами.

1.1 Проектирование схемы управления

Блок управления использует серию MSP430, производимую TI, которая является относительно зрелой в маломощных приложениях в отрасли. Эта серия представляет собой 16-битный сверхмаломощный процессор смешанных сигналов (Mired Signal Processor), выпущенный TI на рынок в 1996 году. Он нацелен на практическое применение. Требования к приложениям объединяют множество аналоговых схем, цифровых схем и микропроцессоров на одном чипе, чтобы обеспечить «монолитное» решение. В системе WIS принципы работы OBU и BSS одинаковы, поэтому мы сосредоточимся на проектировании части OBU.

Входное напряжение MSP430F2274 составляет 1,8 ~ 3,6 В. При работе в условиях тактовой частоты 1 мГц потребляемая мощность чипа составляет около 200 ~ 400 мкА, а наименьшее потребление мощности в режиме отключения тактовой частоты составляет всего 0,1 мкА. Поскольку функциональные модули, открываемые при работе системы, различны, используются три различных режима работы: режим ожидания, режим работы и режим гибернации, что эффективно снижает энергопотребление системы.

Система использует две системы синхронизации: базовую систему синхронизации и систему синхронизации с цифровым управлением (DCO), которая использует внешний кварцевый генератор (32 768 Гц). После сброса при включении питания DCOCLK сначала запускает MCU (микропрограммный блок управления), чтобы гарантировать, что программа начнет выполняться с правильной позиции, и что кварцевый генератор имеет достаточное время запуска и стабилизации. Затем программное обеспечение может установить соответствующие биты управления регистром, чтобы определить окончательную частоту системных часов. Если кварцевый генератор выходит из строя при использовании в качестве часов MCU MCLK, DCO автоматически запустится, чтобы обеспечить нормальную работу системы; если программа выходит из строя, можно использовать сторожевой таймер для ее сброса. В этой конструкции используется встроенный в чип периферийный модуль watchdog (WDT), аналоговый компаратор A, таймер A (Timer_A), таймер B (Timer_B), последовательный порт USART, аппаратный умножитель, 10-битный/12-битный АЦП, шина SPI и т. д.

1.2 RF схема

Радиочастотная часть использует TI CC1020 в качестве блока управления радиочастотой. Этот чип является первым в отрасли настоящим однокристальным узкополосным uСверхвысокочастотный приемопередатчик. Имеет три режима модуляции: FSK/GFSK/OOK. Минимальное расстояние между каналами составляет 50 кГц, что может удовлетворить потребности многоканальных строгих требований для узкополосных приложений (диапазоны частот 402~470 МГц и 804~940 МГц), несколько рабочих диапазонов частот могут свободно переключаться, а рабочее напряжение составляет 2,3~3,6 В. Он очень подходит для интеграции и расширения в мобильные устройства для использования в качестве беспроводной передачи данных или электронных меток. Чип соответствует спецификациям EN300 220.ARIB STD-T67 и FCC CFR47 part15.

Выберите несущую частоту 430 МГц в качестве рабочего диапазона частот. Этот диапазон частот является диапазоном ISM и соответствует стандартам Национального комитета по управлению беспроводной связью. Нет необходимости подавать заявку на получение частотной точки. Используя метод модуляции FSK, он обладает высокой помехоустойчивостью и низкой частотой появления ошибок. Он использует технологию кодирования канала с прямой коррекцией ошибок для улучшения способности данных противостоять импульсным помехам и случайным помехам. Частота появления ошибок в канале составляет 10-2, тогда как фактическая частота появления ошибок в канале может быть получена от 10-5 до 10-6. Расстояние передачи данных может достигать 800 м в условиях прямой видимости на открытом пространстве, скорости передачи данных 2A Kbs и большой антенны с присоской (длина 2 м, усиление 7,8 дБ, высота 2 м над землей). Стандартная конфигурация этого радиочастотного чипа может обеспечить 8 каналов для удовлетворения различных методов комбинирования связи. Благодаря использованию узкополосной технологии связи повышается стабильность связи и помехоустойчивость. Принципиальная схема радиочастотной части показана на рисунке 3.

1.3 Системное электропитание

Часть электропитания системы питается от комбинации фотоэлектрических элементов в качестве ежедневного источника питания и литиевой суббатареи в качестве резервной батареи. Зарядка аккумуляторной батареи с помощью солнечной энергии при хороших условиях освещения, обеспечение определенного времени освещения каждый день может в основном удовлетворить ежедневные рабочие потребности OBU, значительно продлевая срок службы резервной батареи и в то же время продлевая срок службы OBU. Подходит для транспортных средств, которые часто работают на открытом воздухе и могут собирать достаточно солнечного света для работы фотоэлектрических элементов.

1.4 Среда разработки системы

Среда разработки системы выглядит следующим образом:

1) Компилятор IAR Embedded Workbench formSP430;

2) Инструмент проектирования печатных плат PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi.

2. Системное программирование

Программа имеет модульную конструкцию и написана на языке C. Она в основном состоит из 4 частей: основной программный модуль, коммуникационный программный модуль, модуль обработки периферийной схемы, модуль прерываний и хранения. Основная программа в основном завершает инициализацию блока управления, настройку различных параметров, настройку и инициализацию каждого периферийного модуля и т. д.; модуль программы связи в основном обрабатывает конфигурацию микросхемы RF и обработку приемопередатчика 433 МГц; модуль обработки периферийной цепи в основном обрабатывает внешнюю светодиодную индикацию и напряжение системы. Обнаружение, звуковые подсказки обрабатываются нажатиями клавиш и другой обработкой; модуль прерываний и хранения в основном обрабатывает системные прерывания и хранение записей. Основной поток программы показан на рисунке 4.

3 Процесс связи RF

Процесс связи между OBU и BSS делится на три этапа: установление связи, обмен информацией и освобождение связи, как показано на рисунке 5.

Автомобильная система RFID с технологией беспроводной связи ближнего действия

Шаг 1: Установить соединение. Координатная информация о местоположении OBU и его идентификационный код сохраняются во флэш-памяти блока управления MCU через предустановленные параметры и сохраняются в течение длительного времени. BSS (система базовой станции) использует нисходящий канал для циклической трансляции и отправки информации о позиционировании (управление кадром идентификации базовой станции) на OBU, определения информации о синхронизации структуры кадра и информации управления каналом передачи данных, а также запроса на установление соединения после активации OBU в эффективной зоне связи. Подтвердите действительность и отправьте ответную информацию соответствующему OBU, в противном случае он не ответит;

Шаг 2: Обмен информацией. Эта конструкция использует метод обнаружения силы радиочастотного сигнала для определения того, вошел ли OBU в зону обслуживания. Когда обнаруженная сила сигнала превышает 1/2 от максимального сигнала, отправляющая и принимающая стороны реализуют беспроводное рукопожатие. В это время OBU считается вошедшим в зону обслуживания. район. На этом этапе все кадры должны нести идентификацию частной линии связи OBU и осуществлять контроль ошибок. Для оценки OBU восходящего потокаи ниже по потоку, вы можете использовать идентификационный номер, чтобы определить, принадлежит ли он к той же системе. OBU с идентификационными номерами, которые не принадлежат к той же системе, будут автоматически удалены из записи. OBU использует механизм скачка частоты при сообщении информации и случайным образом выбирает фиксированный канал в зоне обслуживания для установления связи, чтобы предотвратить перегрузку канала.

Шаг 3: Освободите соединение. Когда уровень сигнала обнаружения составляет менее 1/2 от максимального уровня, считается, что автомобиль покинул станцию. После того, как RSU и OBU завершат все приложения, они удаляют идентификатор соединения и выдают специальную команду на освобождение соединения связи. Таймер освобождения соединения освобождает соединение в соответствии с подтверждением службы приложения.

4. Разработка процесса связи между OBU и BSS

Протокол связи устанавливает трехслойную простую структуру протокола, основанную на семислойной модели протокола архитектуры взаимодействия открытых систем, а именно физический уровень, уровень канала передачи данных и прикладной уровень.

1) Физический уровень Физический уровень в основном является стандартом сигнала связи. Поскольку в настоящее время в мире нет единого стандарта для беспроводной связи на короткие расстояния 433 МГц, физический уровень, определяемый различными стандартами, также отличается, как показано в таблице 1. На рисунке 6 показан метод кодирования Manchester.

2) Уровень канала передачи данных Уровень канала передачи данных управляет процессом обмена информацией между OBU и BSS, установлением и освобождением соединений канала передачи данных, определением и синхронизацией кадров данных, управлением передачей данных кадров, управлением отказоустойчивостью и передачей данных. Определены управление уровнем канала и обмен параметрами соединений канала. Передача данных выполняется путем передачи кадров данных, как показано на рисунке 7.

3) Уровень приложений Уровень приложений формулирует стандартные программы пользовательских функций, определяет формат сообщений связи между различными приложениями и предоставляет открытый интерфейс сообщений для вызовов других баз данных или приложений.

5 Заключение

Система радиочастотной идентификации, разработанная в этой статье, использует маломощный микроконтроллер серии MSP430 от TI, который специально разработан TI для низкого энергопотребления оборудования с питанием от батареи. Радиочастотный чип также является CC1020 от TI. Он имеет высокую интеграцию, может достигать небольших размеров, низкого энергопотребления и прост в установке. Он подходит для построения систем мониторинга и наблюдения без парковки транспортных средств. Результаты испытаний показывают, что в сложных дорожных условиях (на оживленных дорогах) эффективное распознавание может быть достигнуто в радиусе 300 м, а в условиях прямой видимости распознавание может быть достигнуто в радиусе 500 м.