Sistema RFID per autoveicoli con tecnologia di comunicazione wireless a corto raggio

Questo sistema è un sistema di identificazione wireless basato sul principio della comunicazione digitale e che utilizza un transceiver a banda stretta a chip singolo integrato ad altissima frequenza. Vengono spiegati il principio di funzionamento di base e le idee di progettazione hardware del sistema di identificazione a radiofrequenza e viene fornito il diagramma di flusso dello schema di progettazione del programma. Progettare tag di identificazione a radiofrequenza adatti ai veicoli dal punto di vista del basso consumo energetico, dell'identificazione efficiente e della praticità. I risultati dei test mostrano che questo sistema può ottenere un riconoscimento efficace entro un raggio di 300 m in condizioni stradali complesse (condizioni di strade trafficate) e può ottenere un riconoscimento efficace entro un raggio di 500 m in condizioni di linea di vista.

L'Internet delle cose si riferisce alla raccolta in tempo reale di qualsiasi informazione che deve essere monitorata, tramite varie apparecchiature di rilevamento delle informazioni, come sensori, tecnologia di identificazione a radiofrequenza (RFID), sistemi di posizionamento globale, sensori a infrarossi, scanner laser, sensori di gas e altri dispositivi e tecnologie. La connessione e l'interazione di oggetti o processi raccolgono varie informazioni necessarie come suono, luce, elettricità, biologia, posizione, ecc. e le combinano con Internet per formare un'enorme rete. Il suo scopo è realizzare la connessione tra cose e cose, cose e persone e tutte le cose e la rete, in modo da facilitare l'identificazione, la gestione e il controllo. Questo progetto si concentra sulle questioni chiave della raccolta dati, della trasmissione e dell'applicazione nell'Internet delle cose dei veicoli e progetta una nuova generazione di sistemi di identificazione a radiofrequenza dei veicoli basati sulla tecnologia di comunicazione a radiofrequenza wireless a corto raggio. Il sistema è costituito da un'unità di bordo per comunicazioni wireless a breve distanza (On-Board Unit, OBU) e da un sistema di stazione base (Base Station System, BSS) per formare un sistema di identificazione wireless punto-multipunto (Wireless Identification System, WIS), che può essere utilizzato all'interno dell'area di copertura della stazione base. Identificazione del veicolo e guida intelligente.

1. Progettazione hardware di sistema

L'hardware di sistema è composto principalmente dalla parte di controllo, dalla parte di radiofrequenza e dalla parte di applicazione di espansione esterna. Utilizza un MCU a bassa potenza come unità di controllo, integra un transceiver a banda stretta a chip singolo e ultra-alta frequenza e ha un'antenna di progettazione ottimizzata integrata. È alimentato da celle fotovoltaiche avanzate ed è un terminale di radiofrequenza di identificazione wireless a corto raggio altamente integrato (OBU). Questo terminale ha dimensioni ridotte, basso consumo energetico, ampia adattabilità e protocolli aperti consolidati e interfacce standard per facilitare l'attracco con sistemi esistenti o altri sistemi.

1.1 Progettazione del circuito di controllo

L'unità di controllo adotta la serie MSP430 prodotta da TI, che è relativamente matura nelle applicazioni a bassa potenza nel settore. Questa serie è un processore a segnale misto a bassissimo consumo a 16 bit (Mired Signal Processor) lanciato da TI sul mercato nel 1996. È destinato ad applicazioni pratiche. I requisiti dell'applicazione integrano molti circuiti analogici, circuiti digitali e microprocessori su un chip per fornire una soluzione "monolitica". Nel sistema WIS, i principi di funzionamento di OBU e BSS sono gli stessi, quindi ci concentriamo sulla progettazione della parte OBU.

La tensione di ingresso di MSP430F2274 è 1,8~3,6V. Quando funziona in condizioni di clock di 1 mHz, il consumo energetico del chip è di circa 200~400 μA e il consumo energetico più basso in modalità di spegnimento del clock è di soli 0,1 μA. Poiché i moduli funzionali aperti quando il sistema è in esecuzione sono diversi, vengono adottate tre diverse modalità di funzionamento di standby, esecuzione e ibernazione, che riducono efficacemente il consumo energetico del sistema.

Il sistema utilizza due sistemi di clock; il sistema di clock di base e il sistema di clock Digitally Controlled Oscillator (DCO), che utilizza un oscillatore a cristallo esterno (32 768 Hz). Dopo il ripristino all'accensione, DCOCLK avvia prima la MCU (unità di controllo microprogrammata) per garantire che il programma inizi l'esecuzione dalla posizione corretta e che l'oscillatore a cristallo abbia un tempo di avvio e stabilizzazione sufficiente. Il software può quindi impostare i bit di controllo del registro appropriati per determinare la frequenza di clock di sistema finale. Se l'oscillatore a cristallo si guasta quando viene utilizzato come clock MCU MCLK, il DCO si avvia automaticamente per garantire il normale funzionamento del sistema; se il programma si interrompe, è possibile utilizzare un watchdog per ripristinarlo. Questo design utilizza il watchdog del modulo periferico on-chip (WDT), il comparatore analogico A, il timer A (Timer_A), il timer B (Timer_B), la porta seriale USART, il moltiplicatore hardware, l'ADC a 10 bit/12 bit, il bus SPI, ecc.

1.2 Circuito RF

La radiofrequenzaparte utilizza CC1020 di TI come unità di controllo della radiofrequenza. Questo chip è il primo vero transceiver a banda stretta a singolo chip del settore. Ha tre modalità di modulazione: FSK/GFSK/OOK. La spaziatura minima dei canali è di 50 kHz, che può soddisfare le esigenze di requisiti rigorosi multicanale per applicazioni a banda stretta (bande di frequenza 402~470mHz e 804~94OmHz), più bande di frequenza operative possono essere commutate liberamente e la tensione operativa è 2,3~3,6 V. È molto adatto per l'integrazione e l'espansione in dispositivi mobili per l'uso come trasmissione dati wireless o tag elettronici. Il chip è conforme alle specifiche EN300 220.ARIB STD-T67 e FCC CFR47 parte 15.

Selezionare la frequenza portante 430mHz come banda di frequenza di lavoro. Questa banda di frequenza è la banda ISM ed è conforme agli standard del National Wireless Management Committee. Non è necessario richiedere un punto di frequenza. Utilizzando il metodo di modulazione FSK, ha un'elevata capacità anti-interferenza e un basso tasso di errore di bit. Adotta la tecnologia di codifica del canale di correzione degli errori in avanti per migliorare la capacità dei dati di resistere alle interferenze a raffica e alle interferenze casuali. Il tasso di errore di bit del canale è 10-2 Quando, il tasso di errore di bit effettivo può essere ottenuto da 10-5 a 10-6. La distanza di trasmissione dei dati può raggiungere gli 800 m in condizioni di linea di vista in un campo aperto, una velocità in baud di 2 A Kbs e una grande antenna a ventosa (lunghezza 2 m, guadagno 7,8 dB, altezza 2 m dal suolo). La configurazione standard di questo chip RF può fornire 8 canali per soddisfare vari metodi di combinazione di comunicazione. Grazie all'uso della tecnologia di comunicazione a banda stretta, la stabilità della comunicazione e l'anti-interferenza sono migliorate. Lo schema della parte a radiofrequenza è mostrato nella Figura 3.

1.3 Alimentazione del sistema

La parte di alimentazione del sistema è alimentata da una combinazione di celle fotovoltaiche come alimentazione giornaliera e da una sottobatteria al litio come batteria di backup. Caricare la batteria di accumulo di energia tramite energia solare in buone condizioni di illuminazione, assicurando un certo tempo di illuminazione ogni giorno, può sostanzialmente soddisfare le esigenze di lavoro quotidiane dell'OBU, prolungando notevolmente la durata della batteria di backup e, allo stesso tempo, prolungando la durata di vita dell'OBU. È adatto per veicoli che spesso operano all'aperto e può raccogliere sufficiente luce solare per far funzionare le celle fotovoltaiche.

1.4 Ambiente di sviluppo del sistema

L'ambiente di sviluppo del sistema è il seguente:

1) Compilatore IAR Embedded Workbench formSP430;

2) Strumento di progettazione di circuiti PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi.

2. Programmazione del sistema

Il programma adotta un design modulare ed è scritto in linguaggio C. È composto principalmente da 4 parti: modulo del programma principale, modulo del programma di comunicazione, modulo di elaborazione del circuito periferico, modulo di interrupt e archiviazione. Il programma principale completa principalmente l'inizializzazione dell'unità di controllo, la configurazione di vari parametri, la configurazione e l'inizializzazione di ciascun modulo periferico, ecc.; il modulo del programma di comunicazione gestisce principalmente la configurazione del chip RF e l'elaborazione del transceiver a 433 MHz; il modulo di elaborazione del circuito periferico gestisce principalmente l'indicazione LED esterna e la tensione del sistema. Rilevamento, prompt audio sono gestiti da sequenze di tasti e altre elaborazioni; il modulo di interruzione e archiviazione gestisce principalmente gli interrupt di sistema e l'archiviazione dei record. Il flusso del programma principale è mostrato nella Figura 4.

3 Processo di comunicazione RF

Il processo di comunicazione tra OBU e BSS è suddiviso in tre fasi: creazione del collegamento, scambio di informazioni e rilascio del collegamento, come mostrato nella Figura 5.

Sistema RFID automobilistico con tecnologia di comunicazione wireless a corto raggio

Fase 1: stabilire una connessione. Le informazioni sulle coordinate della posizione dell'OBU e il suo codice ID vengono memorizzati nella Flash dell'unità di controllo MCU tramite parametri preimpostati e vengono salvati per un lungo periodo. Il BSS (Base Station System) utilizza il downlink per trasmettere e inviare ciclicamente informazioni di posizionamento (controllo frame di identificazione stazione base) all'OBU, determinare le informazioni di sincronizzazione della struttura frame e le informazioni di controllo del collegamento dati e richiedere l'istituzione di una connessione dopo che l'OBU nell'area di comunicazione effettiva è stata attivata. Confermare la validità e inviare informazioni di risposta all'OBU corrispondente, altrimenti non risponderà;

Fase 2: Scambio di informazioni. Questa progettazione utilizza il metodo di rilevamento della potenza del segnale a radiofrequenza per determinare se l'OBU è entrata nell'area di servizio. Quando la potenza del segnale rilevata è maggiorer di 1/2 del segnale massimo, le parti di invio e ricezione implementano un handshake wireless. In questo momento, l'OBU è considerato entrato nell'area di servizio. distretto. In questa fase, tutti i frame devono contenere l'identificazione del collegamento privato dell'OBU e implementare il controllo degli errori. Per il giudizio dell'OBU upstream e downstream, è possibile utilizzare il numero ID per determinare se appartiene allo stesso sistema. Le OBU con numeri ID che non sono dello stesso sistema verranno automaticamente eliminate dal record. L'OBU utilizza un meccanismo di salto di frequenza quando segnala informazioni e seleziona casualmente un canale fisso nell'area di servizio per la comunicazione handshake per evitare la congestione del canale.

Passaggio 3: rilasciare la connessione. Quando la potenza del segnale di rilevamento è inferiore a 1/2 della potenza massima, l'auto è considerata aver lasciato la stazione. Dopo che RSU e OBU hanno completato tutte le applicazioni, eliminano l'identificativo del collegamento ed emettono un comando di rilascio del collegamento di comunicazione dedicato. Il timer di rilascio della connessione rilascia la connessione in base alla conferma del servizio applicativo.

4. Sviluppo del processo di comunicazione tra OBU e BSS

Il protocollo di comunicazione stabilisce una struttura di protocollo semplice a tre livelli basata sul modello di protocollo a sette livelli dell'architettura di interconnessione del sistema aperto, ovvero il livello fisico, il livello di collegamento dati e il livello applicativo.

1) Livello fisico Il livello fisico è principalmente uno standard di segnale di comunicazione. Poiché al momento non esiste uno standard unificato per la comunicazione wireless a breve distanza a 433 MHz nel mondo, anche il livello fisico definito da vari standard è diverso, come mostrato nella Tabella 1. La Figura 6 mostra il metodo di codifica Manchester.

2) Livello collegamento dati Il livello collegamento dati controlla il processo di scambio di informazioni tra OBU e BSS, la creazione e il rilascio di connessioni collegamento dati, la definizione e la sincronizzazione dei frame dei frame dati, il controllo della trasmissione dei dati frame, il controllo della tolleranza agli errori e la trasmissione dei dati. Il controllo del livello collegamento e lo scambio di parametri delle connessioni collegamento sono specificati. La trasmissione dei dati viene eseguita tramite trasmissione frame dati, come mostrato nella Figura 7.

3) Livello applicazione Il livello applicazione formula programmi di funzioni utente standard, definisce il formato dei messaggi di comunicazione tra varie applicazioni e fornisce un'interfaccia di messaggio aperta per le chiamate da parte di altri database o applicazioni.

5 Conclusione

Il sistema di identificazione a radiofrequenza progettato in questo articolo utilizza il microcontrollore MSP430 a bassa potenza della serie TI, progettato appositamente da TI per il basso consumo energetico delle apparecchiature alimentate a batteria. Il chip a radiofrequenza è anche CC1020 di TI. Ha un'elevata integrazione, può raggiungere dimensioni ridotte, basso consumo energetico ed è facile da installare. È adatto per la creazione di sistemi di monitoraggio e sorveglianza senza parcheggio per veicoli. I risultati dei test mostrano che in condizioni stradali complesse (strade trafficate), il riconoscimento efficace può essere ottenuto entro un raggio di 300 m e in condizioni di linea di vista, il riconoscimento può essere ottenuto entro un raggio di 500 m.