Automobiel RFID-systeem met draadloze communicatietechnologie met kort bereik

Dit systeem is een draadloos identificatiesysteem gebaseerd op het principe van digitale communicatie en maakt gebruik van een geïntegreerde single-chip smalband ultrahoge frequentie transceiver. Het basiswerkprincipe en de hardware-ontwerpideeën van het radiofrequentie-identificatiesysteem worden uitgelegd en het stroomdiagram van het programmaontwerpschema wordt gegeven. Ontwerp radiofrequentie-identificatietags die geschikt zijn voor voertuigen vanuit het perspectief van laag stroomverbruik, efficiënte identificatie en bruikbaarheid. De testresultaten tonen aan dat dit systeem effectieve herkenning kan bereiken binnen een bereik van 300 m onder complexe wegomstandigheden (drukke wegomstandigheden) en effectieve herkenning kan bereiken binnen een bereik van 500 m onder zichtlijnomstandigheden.

Het Internet of Things verwijst naar de realtime verzameling van alle informatie die moet worden bewaakt, via verschillende informatiedetectieapparatuur, zoals sensoren, radiofrequentie-identificatie (RFID)-technologie, wereldwijde positioneringssystemen, infraroodsensoren, laserscanners, gassensoren en andere apparaten en technologieën. Het verbinden en interacteren van objecten of processen verzamelt verschillende benodigde informatie zoals geluid, licht, elektriciteit, biologie, locatie, etc., en combineert dit met het internet om een enorm netwerk te vormen. Het doel is om de verbinding tussen dingen en dingen, dingen en mensen, en alle dingen en het netwerk te realiseren, om identificatie, beheer en controle te vergemakkelijken. Dit project richt zich op de belangrijkste kwesties van gegevensverzameling, -overdracht en -toepassing in het voertuig-internet der dingen, en ontwerpt een nieuwe generatie voertuigradiofrequentie-identificatiesysteem op basis van draadloze radiofrequentiecommunicatietechnologie met een kort bereik. Het systeem bestaat uit een draadloze communicatie-on-board-unit met een korte afstand (On-Board Unit, OBU) en een basisstationsysteem (Base Station System, BSS) om een point-to-multipoint draadloos identificatiesysteem (Wireless identification system, WIS) te vormen, dat kan worden gebruikt binnen het dekkingsgebied van het basisstation. Voertuigidentificatie en intelligente begeleiding.

1. Systeemhardwareontwerp

De systeemhardware bestaat voornamelijk uit het besturingsgedeelte, het radiofrequentiegedeelte en het externe uitbreidingstoepassingsgedeelte. Het gebruikt een low-power MCU als besturingseenheid, integreert een single-chip smalband ultrahoge frequentie transceiver en heeft een ingebouwde geoptimaliseerde ontwerpantenne. Het wordt aangestuurd door geavanceerde fotovoltaïsche cellen en is een zeer geïntegreerde draadloze identificatie radiofrequentieterminal (OBU) met kort bereik. Deze terminal heeft een klein formaat, laag stroomverbruik, brede aanpasbaarheid en gevestigde open protocollen en standaardinterfaces om docking met bestaande systemen of andere systemen te vergemakkelijken.

1.1 Ontwerp van het regelcircuit

De regeleenheid maakt gebruik van de MSP430-serie die door TI is geproduceerd en die relatief volwassen is in toepassingen met een laag vermogen in de industrie. Deze serie is een 16-bits ultra-low-power mixed-signal processor (Mired Signal Processor) die in 1996 door TI op de markt is gebracht. Het is gericht op praktische toepassingen. Toepassingsvereisten integreren veel analoge circuits, digitale circuits en microprocessors op één chip om een "monolithische" oplossing te bieden. In het WIS-systeem zijn de werkprincipes van OBU en BSS hetzelfde, dus richten we ons op het ontwerp van het OBU-onderdeel.

De ingangsspanning van MSP430F2274 is 1,8~3,6V. Bij gebruik onder de klokconditie van 1mHz is het stroomverbruik van de chip ongeveer 200~400μA, en het laagste stroomverbruik in de klok-uitschakelmodus is slechts 0,1μA. Omdat de functionele modules die geopend zijn wanneer het systeem draait, verschillend zijn, worden drie verschillende werkmodi van stand-by, draaien en slaapstand aangenomen, wat het stroomverbruik van het systeem effectief vermindert.

Het systeem gebruikt twee kloksystemen; het basiskloksysteem en het Digitally Controlled Oscillator (DCO) kloksysteem, dat een externe kristaloscillator (32 768Hz) gebruikt. Na het opnieuw opstarten start DCOCLK eerst de MCU (Microprogrammed Control Unit) om ervoor te zorgen dat het programma vanaf de juiste positie wordt uitgevoerd en dat de kristaloscillator voldoende opstart- en stabilisatietijd heeft. Software kan vervolgens de juiste registerbesturingsbits instellen om de uiteindelijke systeemklokfrequentie te bepalen. Als de kristaloscillator uitvalt wanneer deze wordt gebruikt als de MCU-klok MCLK, start de DCO automatisch om de normale werking van het systeem te garanderen; als het programma wegloopt, kan een watchdog worden gebruikt om het te resetten. Dit ontwerp maakt gebruik van de on-chip peripheral module watchdog (WDT), analoge comparator A, timer A (Timer_A), timer B (Timer_B), seriële poort USART, hardwaremultiplier, 10-bit/12-bit ADC, SPI-bus, enz. .

1.2 RF-circuit

De radiofrequentieonderdeel gebruikt TI's CC1020 als de radiofrequentiecontrole-eenheid. Deze chip is de eerste echte single-chip smalband ultrahoge frequentie transceiver in de industrie. Het heeft drie modulatiemodi: FSK/GFSK/OOK. De minimale kanaalafstand is 50 kHz, wat kan voldoen aan de behoeften van multi-channel Strikte vereisten voor smalbandtoepassingen (frequentiebanden van 402~470 MHz en 804~94 MHz), meerdere bedrijfsfrequentiebanden kunnen vrij worden geschakeld en de bedrijfsspanning is 2,3~3,6 V. Het is zeer geschikt voor integratie en uitbreiding in mobiele apparaten voor gebruik als draadloze gegevensoverdracht of elektronische tags. De chip voldoet aan de specificaties EN300 220.ARIB STD-T67 en FCC CFR47 part15.

Selecteer de draagfrequentie 430 MHz als de werkfrequentieband. Deze frequentieband is de ISM-band en voldoet aan de normen van het National Wireless Management Committee. Er hoeft geen frequentiepunt te worden aangevraagd. Met behulp van de FSK-modulatiemethode heeft het een hoog anti-interferentievermogen en een lage bitfoutfrequentie. Het maakt gebruik van forward error correction channel coding-technologie om het vermogen van de gegevens om burstinterferentie en willekeurige interferentie te weerstaan, te verbeteren. De kanaalbitfoutfrequentie is 10-2 Wanneer de werkelijke bitfoutfrequentie kan worden verkregen van 10-5 tot 10-6. De gegevensoverdrachtsafstand kan 800 m bereiken onder zichtlijnomstandigheden in een open veld, een baudrate van 2A Kbs en een grote zuignapantenne (lengte 2 m, versterking 7,8 dB, hoogte 2 m boven de grond). De standaardconfiguratie van deze RF-chip kan 8 kanalen bieden om te voldoen aan verschillende communicatiecombinatiemethoden. Door het gebruik van smalbandcommunicatietechnologie worden de communicatiestabiliteit en anti-interferentie verbeterd. Het schema van het radiofrequentiegedeelte is weergegeven in Afbeelding 3.

1.3 Systeemvoeding

Het voedingsgedeelte van het systeem wordt gevoed door een combinatie van fotovoltaïsche cellen als dagelijkse voeding en lithium-subbatterij als reservebatterij. Het opladen van de energieopslagbatterij via zonne-energie onder goede lichtomstandigheden, waardoor elke dag een bepaalde verlichtingstijd wordt gegarandeerd, kan in principe voldoen aan de dagelijkse werkbehoeften van de OBU, waardoor de levensduur van de reservebatterij aanzienlijk wordt verlengd en tegelijkertijd de levensduur van de OBU wordt verlengd. Het is geschikt voor voertuigen die vaak buiten rijden en voldoende zonlicht kunnen verzamelen om fotovoltaïsche cellen te laten werken.

1.4 Systeemontwikkelingsomgeving

De systeemontwikkelingsomgeving is als volgt:

1) IAR Embedded Workbench formSP430 compiler;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi circuit board design tool.

2. Systeemprogrammering

Het programma is modulair ontworpen en is geschreven in de C-taal. Het bestaat voornamelijk uit 4 delen: hoofdprogrammamodule, communicatieprogrammamodule, perifere circuitverwerkingsmodule, interrupt- en opslagmodule. Het hoofdprogramma voltooit voornamelijk de initialisatie van de besturingseenheid, de configuratie van verschillende parameters, de configuratie en initialisatie van elke randmodule, enz.; de communicatieprogrammamodule behandelt voornamelijk de configuratie van de RF-chip en 433mHz-transceiververwerking; de randcircuitverwerkingsmodule behandelt voornamelijk de externe LED-indicatie en spanning van het systeem. Detectie, geluidssignalen worden afgehandeld door toetsaanslagen en andere verwerking; de onderbrekings- en opslagmodule behandelt voornamelijk systeemonderbrekingen en recordopslag. De hoofdprogrammastroom wordt weergegeven in Afbeelding 4.

3 RF-communicatieproces

Het communicatieproces tussen OBU en BSS is verdeeld in drie stappen: verbinding tot stand brengen, informatie-uitwisseling en verbinding vrijgeven, zoals weergegeven in Afbeelding 5.

Automobiel RFID-systeem met draadloze communicatietechnologie met kort bereik

Stap 1: Een verbinding tot stand brengen. De coördinaatinformatie van de OBU-locatie en de ID-code worden opgeslagen in de Flash van de MCU van de besturingseenheid via vooraf ingestelde parameters en worden lange tijd bewaard. Het BSS (Base Station System) gebruikt de downlink om cyclisch positioneringsinformatie (basisstationidentificatieframebesturing) naar de OBU uit te zenden en te verzenden, de synchronisatie-informatie van de framestructuur en de gegevenslinkbesturingsinformatie te bepalen en de totstandkoming van een verbinding aan te vragen nadat de OBU in het effectieve communicatiegebied is geactiveerd. Bevestig de geldigheid en stuur antwoordinformatie naar de overeenkomstige OBU, anders reageert deze niet;

Stap 2: Informatie-uitwisseling. Dit ontwerp gebruikt de methode om de sterkte van het radiofrequentiesignaal te detecteren om te bepalen of de OBU het servicegebied is binnengegaan. Wanneer de gedetecteerde signaalsterkte groot is,r dan 1/2 van het maximale signaal, implementeren de verzendende en ontvangende partijen een draadloze handshake. Op dit moment wordt aangenomen dat de OBU het servicegebied is binnengegaan. district. In deze fase moeten alle frames de privélink-identificatie van de OBU bevatten en foutcontrole implementeren. Voor het oordeel van OBU upstream en downstream kunt u het ID-nummer gebruiken om te bepalen of het tot hetzelfde systeem behoort. OBU's met ID-nummers die niet hetzelfde systeem zijn, worden automatisch uit het record verwijderd. De OBU gebruikt een frequentieverspringingsmechanisme bij het rapporteren van informatie en selecteert willekeurig een vast kanaal in het servicegebied voor handshake-communicatie om kanaalcongestie te voorkomen.

Stap 3: Verbreek de verbinding. Wanneer de detectiesignaalsterkte minder is dan 1/2 van de maximale sterkte, wordt aangenomen dat de auto het station heeft verlaten. Nadat de RSU en OBU alle toepassingen hebben voltooid, verwijderen ze de link-identificatie en geven ze een speciaal commando voor het vrijgeven van de communicatielink. De verbindingsvrijgavetimer geeft de verbinding vrij volgens de bevestiging van de toepassingsservice.

4. Ontwikkeling van communicatieproces tussen OBU en BSS

Het communicatieprotocol stelt een eenvoudige protocolstructuur met drie lagen vast op basis van het protocolmodel met zeven lagen van de open systeeminterconnectiearchitectuur, namelijk de fysieke laag, de datalinklaag en de toepassingslaag.

1) Fysieke laag De fysieke laag is voornamelijk een communicatiesignaalstandaard. Omdat er momenteel geen uniforme standaard is voor draadloze communicatie over korte afstanden van 433 MHz in de wereld, is de fysieke laag die door verschillende standaarden wordt gedefinieerd ook anders, zoals weergegeven in Tabel 1. Afbeelding 6 toont de Manchester-coderingsmethode.

2) Datalinklaag De datalinklaag regelt het informatie-uitwisselingsproces tussen OBU en BSS, het opzetten en vrijgeven van datalinkverbindingen, de definitie en framesynchronisatie van dataframes, de controle van framedatatransmissie, fouttolerantiecontrole en datatransmissie. Linklaagcontrole en parameteruitwisseling van linkverbindingen worden gespecificeerd. Datatransmissie wordt uitgevoerd door dataframetransmissie, zoals weergegeven in Afbeelding 7.

3) Applicatielaag De applicatielaag formuleert standaard gebruikersfunctieprogramma's, definieert het formaat van communicatieberichten tussen verschillende applicaties en biedt een open berichteninterface voor oproepen door andere databases of applicaties.

5 Conclusie

Het radiofrequentie-identificatiesysteem dat in dit artikel is ontworpen, maakt gebruik van de MSP430-microcontroller van TI met een laag vermogen, die speciaal door TI is ontworpen voor een laag stroomverbruik van op batterijen werkende apparatuur. De radiofrequentiechip is ook de CC1020 van TI. Deze heeft een hoge integratie, kan een klein formaat bereiken, een laag stroomverbruik en is eenvoudig te installeren. Het is geschikt voor het bouwen van parkeervrije bewakings- en bewakingssystemen voor voertuigen. De testresultaten tonen aan dat in complexe wegomstandigheden (drukke wegen) effectieve herkenning kan worden bereikt binnen een bereik van 300 m, en in zichtlijnomstandigheden kan herkenning worden bereikt binnen een bereik van 500 m.