Autojen RFID-järjestelmä lyhyen kantaman langattomalla viestintätekniikalla

Tämä järjestelmä on langaton tunnistusjärjestelmä, joka perustuu digitaalisen viestinnän periaatteeseen ja käyttää integroitua yksisiruista kapeakaistaista ultrakorkeataajuista lähetin-vastaanotinta. Selostetaan radiotaajuisen tunnistusjärjestelmän toimintaperiaate ja laitteistosuunnitteluideat sekä esitetään ohjelmasuunnittelukaavion vuokaavio. Suunnittele ajoneuvoihin sopivia radiotaajuustunnisteita pienen virrankulutuksen, tehokkaan tunnistamisen ja käytännöllisyyden näkökulmasta. Testitulokset osoittavat, että tämä järjestelmä pystyy tunnistamaan tehokkaasti 300 metrin etäisyydellä monimutkaisissa tieolosuhteissa (vilkkaat tieolosuhteet), ja se voi tunnistaa tehokkaasti 500 metrin etäisyydellä näköyhteydestä.

Esineiden internet tarkoittaa kaiken seurattavan tiedon reaaliaikaista keräämistä erilaisten tiedontunnistuslaitteiden, kuten antureiden, radiotaajuustunnistusteknologian (RFID) avulla, globaalien paikannusjärjestelmien, infrapuna-anturien, laserskannerien, kaasuanturien avulla. ja muut laitteet ja tekniikat. Kohteiden tai prosessien yhdistäminen ja vuorovaikutus kerää erilaista tarvittavaa tietoa, kuten ääntä, valoa, sähköä, biologiaa, sijaintia jne., ja yhdistää sen Internetiin muodostaen valtavan verkon. Sen tarkoituksena on toteuttaa asioiden ja esineiden, asioiden ja ihmisten sekä kaiken ja verkoston välinen yhteys tunnistamisen, hallinnan ja hallinnan helpottamiseksi. Tämä projekti keskittyy tiedonkeruun, -siirron ja -sovelluksen avainkysymyksiin ajoneuvojen Internet of Thingsissä ja suunnittelee uuden sukupolven ajoneuvojen radiotaajuustunnistusjärjestelmää, joka perustuu lyhyen kantaman langattomaan radiotaajuusviestintäTekniikkaan. Järjestelmä koostuu lyhyen matkan langattomasta viestintäyksiköstä (On-Board Unit, OBU) ja tukiasemajärjestelmästä (Base Station System, BSS), jotka muodostavat pisteestä monipisteeseen langattoman tunnistusjärjestelmän (Wireless tunnistusjärjestelmä, WIS), jota voidaan käyttää tukiaseman peittoalueella. Ajoneuvon tunnistus ja älykäs opastus.

1. Järjestelmälaitteiston suunnittelu

Järjestelmälaitteisto koostuu pääasiassa ohjausosasta, radiotaajuusosasta ja ulkoisesta laajennussovellusosasta. Se käyttää ohjausyksikkönä pienitehoista MCU:ta, integroi yksisirun kapeakaistaisen ultrakorkeataajuisen lähetin-vastaanottimen ja siinä on sisäänrakennettu optimoitu antenni. Se saa virtansa edistyneistä aurinkokennoista, ja se on pitkälle integroitu lyhyen kantaman langaton tunnistusradiotaajuuspääte (OBU). Tällä päätteellä on pieni koko, alhainen virrankulutus, laaja sopeutumiskyky ja vakiintuneet avoimet protokollat ja standardiliitännät helpottamaan telakointia olemassa oleviin järjestelmiin tai muihin järjestelmiin.

1.1 Ohjauspiirin suunnittelu

Ohjausyksikkö käyttää TI:n valmistamaa MSP430-sarjaa, joka on suhteellisen kypsä teollisuuden pienitehoisissa sovelluksissa. Tämä sarja on TI:n vuonna 1996 markkinoille tuoma 16-bittinen erittäin pienitehoinen sekasignaaliprosessori (Mired Signal Processor). Se on suunnattu käytännön sovelluksiin. Sovellusvaatimukset yhdistävät useita analogisia piirejä, digitaalisia piirejä ja mikroprosessoreja yhdelle sirulle "monoliittinen" ratkaisu. WIS-järjestelmässä OBU:n ja BSS:n toimintaperiaatteet ovat samat, joten keskitymme OBU-osan suunnitteluun.

MSP430F2274:n tulojännite on 1,8–3,6 V. Kun ajetaan kellotilassa 1mHz, sirun virrankulutus on noin 200 ~ 400 μA ja pienin virrankulutus kellon sammutustilassa on vain 0,1 μA. Koska järjestelmän käydessä avatut toiminnalliset moduulit ovat erilaisia, käytössä on kolme erilaista työtilaa valmiustilassa, käynnissä ja horrostilassa, mikä vähentää tehokkaasti järjestelmän virrankulutusta.

Järjestelmä käyttää kahta kellojärjestelmää; peruskellojärjestelmä ja digitaalisesti ohjattu oskillaattori (DCO) -kellojärjestelmä, joka käyttää ulkoista kideoskillaattoria (32 768 Hz). Käynnistyksen nollauksen jälkeen DCOCLK käynnistää ensin MCU:n (mikroohjelmoidun ohjausyksikön) varmistaakseen, että ohjelma käynnistyy oikeasta paikasta ja että kideoskillaattorilla on riittävästi käynnistys- ja stabilointiaikaa. Ohjelmisto voi sitten asettaa asianmukaiset rekisterin ohjausbitit määrittääkseen lopullisen järjestelmän kellotaajuuden. Jos kideoskillaattori epäonnistuu, kun sitä käytetään MCU-kellona MCLK, DCO alkaa automaattisesti varmistaa järjestelmän normaalin toiminnan; jos ohjelma juoksee pois, sen voi nollata vahtikoiran avulla. Tämä suunnittelu käyttää sirussa olevaa oheismoduulin vahtikoiraa (WDT), analogista vertailijaa A, ajastinta A (Timer_A), ajastinta B (Timer_B), sarjaporttia USART, laitteistokertojaa, 10-bittistä/12-bittistä ADC:tä, SPI-väylää jne. .

1.2 RF-piiri

Radiotaajuusosa käyttää TI:n CC1020:tä radiotaajuuden ohjausyksikkönä. Tämä siru on alan ensimmäinen todellinen yksisiruinen kapeakaistainen ultrakorkeataajuinen lähetin-vastaanotin. Siinä on kolme modulaatiotilaa: FSK/GFSK/OOK. Vähimmäiskanavaväli on 50 kHz, mikä voi täyttää monikanavaisen vaatimuksen. Tiukat vaatimukset kapeakaistasovelluksissa (402-470mHz ja 804-94OmHz taajuuskaistat), useita käyttötaajuuskaistoja voidaan vaihtaa vapaasti ja käyttöjännite on 2,3~ 3,6 V. Se soveltuu erittäin hyvin integroitavaksi ja laajennettavaksi mobiililaitteisiin käytettäväksi langattomana tiedonsiirtona tai elektronisina tunnisteina. Siru on EN300 220.ARIB STD-T67- ja FCC CFR47 part15 -määritysten mukainen.

Valitse työtaajuuskaistaksi kantoaaltotaajuus 430mHz. Tämä taajuusalue on ISM-taajuus ja se on National Wireless Management Committeen standardien mukainen. Taajuuspistettä ei tarvitse hakea. FSK-modulaatiomenetelmää käyttämällä sillä on korkea häiriönestokyky ja alhainen bittivirhesuhde. Se käyttää eteenpäin suunnatun virheenkorjauskanavan koodaustekniikkaa parantaakseen tietojen kykyä vastustaa purskehäiriöitä ja satunnaisia häiriöitä. Kanavan bittivirhesuhde on 10-2 Kun todellinen bittivirhesuhde voidaan saada 10-5 - 10-6. Tiedonsiirtoetäisyys voi nousta 800 metriin näköyhteysolosuhteissa avoimella kentällä, tiedonsiirtonopeudella 2A Kbs ja suurella imukuppiantennilla (pituus 2 m, vahvistus 7,8 dB, korkeus 2 m maanpinnasta). Tämän RF-sirun vakiokokoonpano voi tarjota 8 kanavaa erilaisten viestintäyhdistelmämenetelmien täyttämiseksi. Kapeakaistaisen viestintätekniikan käytön ansiosta viestinnän vakaus ja häiriöntorjunta paranevat. Radiotaajuusosan kaaviokuva on esitetty kuvassa 3.

1.3 Järjestelmän virtalähde

Järjestelmän virransyöttöosa saa virtansa aurinkokennojen yhdistelmästä päivittäisenä virtalähteenä ja litiumakusta vara-akkuna. Energiaa varastoivan akun lataaminen aurinkoenergialla hyvissä valaistusolosuhteissa, tietyn valaistusajan varmistaminen joka päivä voi periaatteessa täyttää OBU:n päivittäiset työtarpeet, pidentäen huomattavasti vara-akun käyttöikää ja samalla pidentäen käyttöikää OBU:sta. Se sopii ajoneuvoihin, jotka toimivat usein ulkona ja voivat kerätä riittävästi auringonvaloa aurinkokennojen toimintaa varten.

1.4 Järjestelmän kehitysympäristö

Järjestelmän kehitysympäristö on seuraava:

1) IAR Embedded Workbench formSP430 -kääntäjä;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi piirilevyjen suunnitteluTyökalu.

2. Järjestelmäohjelmointi

Ohjelma käyttää modulaarista rakennetta ja on kirjoitettu C-kielellä. Se koostuu pääasiassa 4 osasta: pääohjelmamoduuli, viestintäohjelmamoduuli, oheispiirin käsittelymoduuli, keskeytys- ja tallennusmoduuli. Pääohjelma suorittaa pääasiassa ohjausyksikön alustuksen, eri parametrien konfiguroinnin, kunkin oheismoduulin konfiguroinnin ja alustuksen jne.; viestintäohjelmamoduuli hoitaa pääasiassa RF-sirun ja 433 MHz lähetin-vastaanottimen käsittelyn konfiguroinnin; oheispiirin käsittelymoduuli käsittelee pääasiassa ulkoisen LED-ilmaisun ja järjestelmän jännitteen. Tunnistus, äänikehotteet käsitellään näppäinpainalluksella ja muulla käsittelyllä; keskeytys- ja tallennusmoduuli käsittelee pääasiassa järjestelmäkeskeytyksiä ja tietueiden tallennusta. Ohjelman pääkulku näkyy kuvassa 4.

3 RF-viestintäprosessi

Viestintäprosessi OBU:n ja BSS:n välillä on jaettu kolmeen vaiheeseen: linkin muodostaminen, tiedonvaihto ja linkin vapauttaminen kuvan 5 mukaisesti.

Autojen RFID-järjestelmä lyhyen kantaman langattomalla viestintätekniikalla

Vaihe 1: Muodosta yhteys. OBU-sijainnin koordinaattitiedot ja sen tunnuskoodi tallennetaan ohjausyksikön MCU:n Flashiin esiasetettujen parametrien kautta ja tallennetaan pitkäksi aikaa. BSS (Base Station System) käyttää alasuuntaista linkkiä lähettääkseen syklisesti paikannustiedot (tukiaseman tunnistuskehysohjaus) OBU:lle, määrittääkseen kehysrakenteen synkronointitiedot ja datalinkin ohjaustiedot sekä pyytääkseen yhteyden muodostamista OBU:n jälkeen. tehokkaalla viestintäalueella on aktivoitu. Vahvista kelvollisuus ja lähetä vastaustiedot vastaavalle OBU:lle, muuten se ei vastaa;

Vaihe 2: Tiedonvaihto. Tämä suunnittelu käyttää menetelmää radiotaajuisen signaalin voimakkuuden havaitsemiseksi sen määrittämiseksi, onko OBU saapunut palvelualueelle. Kun havaittu signaalin voimakkuus on suurir kuin 1/2 maksimisignaalista, lähettävät ja vastaanottavat osapuolet toteuttavat langattoman kättelyn. Tällä hetkellä OBU:n katsotaan tulleen palvelualueelle. kaupunginosa. Tässä vaiheessa kaikissa kehyksissä on oltava OBU:n yksityinen linkkitunniste ja otettava käyttöön virheenhallinta. OBU:n ylä- ja loppupään arvioimiseksi voit käyttää ID-numeroa määrittääksesi, kuuluuko se samaan järjestelmään. OBU:t, joiden tunnusnumerot eivät ole sama järjestelmä, poistetaan automaattisesti tietueesta. OBU käyttää taajuushyppelymekanismia raportoidessaan tietoja ja valitsee satunnaisesti kiinteän kanavan palvelualueelta kättelyviestintää varten kanavien ruuhkautumisen estämiseksi.

Vaihe 3: Vapauta yhteys. Kun tunnistussignaalin voimakkuus on alle 1/2 maksimivoimakkuudesta, auton katsotaan poistuneen asemalta. Kun RSU ja OBU ovat suorittaneet kaikki sovellukset, ne poistavat linkin tunnisteen ja antavat erillisen tietoliikennelinkin vapautuskomennon. Yhteyden purkamisajastin katkaisee yhteyden sovelluspalvelun vahvistuksen mukaisesti.

4. OBU:n ja BSS:n välisen viestintäprosessin kehittäminen

Viestintäprotokolla muodostaa kolmikerroksisen yksinkertaisen protokollarakenteen, joka perustuu avoimen järjestelmän yhteenliittämisarkkitehtuurin seitsenkerroksiseen protokollamalliin, eli fyysiseen kerrokseen, datalinkkikerrokseen ja sovelluskerrokseen.

1) Fyysinen kerros Fyysinen kerros on pääasiassa viestintäsignaalistandardi. Koska maailmassa ei tällä hetkellä ole yhtenäistä standardia 433 MHz:n lyhyen matkan langattomalle tietoliikenteelle, eri standardien määrittelemä fyysinen kerros on myös erilainen, kuten taulukosta 1 näkyy. Kuva 6 esittää Manchesterin koodausmenetelmää.

2) Tietolinkkikerros Tietolinkkikerros ohjaa tiedonvaihtoprosessia OBU:n ja BSS:n välillä, datalinkkiyhteyksien muodostamista ja vapauttamista, datakehysten määrittelyä ja kehyssynkronointia, kehystiedonsiirron ohjausta, vikasietoisuuden valvontaa ja dataa. tarttuminen. Linkkikerroksen ohjaus ja linkkiyhteyksien parametrien vaihto on määritelty. Tiedonsiirto suoritetaan datakehyslähetyksellä kuvan 7 mukaisesti.

3) Sovelluskerros Sovelluskerros muotoilee tavanomaisia käyttäjätoimintoohjelmia, määrittelee eri sovellusten välisten viestintäviestien muodon ja tarjoaa avoimen viestirajapinnan muiden tietokantojen tai sovellusten puheluille.

5. Päätelmät

Tässä artikkelissa suunniteltu radiotaajuustunnistusjärjestelmä käyttää TI:n pienitehoista MSP430-sarjan mikro-ohjainta, jonka TI on erityisesti suunnitellut akkukäyttöisten laitteiden alhaiseen virrankulutukseen. Radiotaajuussiru on myös TI:n CC1020. Siinä on korkea integraatio, se voi saavuttaa pienen koon, alhaisen virrankulutuksen ja on helppo asentaa. Se soveltuu ajoneuvojen pysäköintivapaiden valvonta- ja valvontajärjestelmien rakentamiseen. Testitulokset osoittavat, että monimutkaisissa tieolosuhteissa (vilkkaat tiet) tehokas tunnistus voidaan saavuttaa 300 metrin etäisyydellä ja näköyhteysolosuhteissa tunnistus voidaan saavuttaa 500 metrin etäisyydellä.