Sistema RFID automotivo com tecnologia de comunicação sem fio de curto alcance

Este sistema é um sistema de identificação sem fio baseado no princípio da comunicação digital e usando um transceptor de ultra-alta frequência de banda estreita de chip único integrado. O princípio básico de funcionamento e as ideias de design de hardware do sistema de identificação por radiofrequência são explicados, e o fluxograma do esquema de design do programa é fornecido. Projete etiquetas de identificação por radiofrequência adequadas para veículos a partir das perspectivas de baixo consumo de energia, identificação eficiente e praticidade. Os resultados do teste mostram que este sistema pode obter reconhecimento efetivo dentro de um intervalo de 300 m sob condições complexas de estrada (condições de estrada movimentadas) e pode obter reconhecimento efetivo dentro de um intervalo de 500 m sob condições de linha de visão.

A Internet das Coisas se refere à coleta em tempo real de qualquer informação que precise ser monitorada, por meio de vários equipamentos de detecção de informações, como sensores, tecnologia de identificação por radiofrequência (RFID), sistemas de posicionamento global, sensores infravermelhos, scanners a laser, sensores de gás e outros dispositivos e tecnologias. Conectar e interagir objetos ou processos coleta várias informações necessárias, como som, luz, eletricidade, biologia, localização, etc., e as combina com a Internet para formar uma rede enorme. Seu objetivo é realizar a conexão entre coisas e coisas, coisas e pessoas, e todas as coisas e a rede, de modo a facilitar a identificação, o gerenciamento e o controle. Este projeto se concentra nas principais questões de coleta de dados, transmissão e aplicação na Internet das Coisas do veículo e projeta uma nova geração de sistema de identificação por radiofrequência de veículo com base na tecnologia de comunicação por radiofrequência sem fio de curto alcance. O sistema consiste em uma unidade de comunicação sem fio de curta distância a bordo (Unidade de Bordo, OBU) e um sistema de estação base (Sistema de Estação Base, BSS) para formar um sistema de identificação sem fio ponto a multiponto (Sistema de identificação sem fio, WIS), que pode ser usado dentro da área de cobertura da estação base. Identificação de veículos e orientação inteligente.

1. Design de hardware do sistema

O hardware do sistema é composto principalmente pela parte de controle, a parte de radiofrequência e a parte de aplicação de expansão externa. Ele usa um MCU de baixa potência como unidade de controle, integra um transceptor de ultra-alta frequência de banda estreita de chip único e tem uma antena de design otimizado integrada. Ele é alimentado por células fotovoltaicas avançadas e é um terminal de radiofrequência de identificação sem fio de curto alcance (OBU) altamente integrado. Este terminal tem tamanho pequeno, baixo consumo de energia, ampla adaptabilidade e protocolos abertos estabelecidos e interfaces padrão para facilitar o acoplamento com sistemas existentes ou outros sistemas.

1.1 Projeto do circuito de controle

A unidade de controle adota a série MSP430 produzida pela TI, que é relativamente madura em aplicações de baixa potência na indústria. Esta série é um processador de sinal misto de ultrabaixa potência de 16 bits (Mired Signal Processor) lançado pela TI no mercado em 1996. Ele é voltado para aplicações práticas. Os requisitos de aplicação integram muitos circuitos analógicos, circuitos digitais e microprocessadores em um chip para fornecer uma solução "monolítica". No sistema WIS, os princípios de funcionamento de OBU e BSS são os mesmos, então nos concentramos no projeto da parte OBU.

A tensão de entrada do MSP430F2274 é de 1,8 a 3,6 V. Ao executar sob a condição de clock de 1 mHz, o consumo de energia do chip é de cerca de 200 ~ 400 μA, e o menor consumo de energia no modo de desligamento do clock é de apenas 0,1 μA. Como os módulos funcionais abertos quando o sistema está em execução são diferentes, três modos de trabalho diferentes de espera, execução e hibernação são adotados, o que reduz efetivamente o consumo de energia do sistema.

O sistema usa dois sistemas de clock; o sistema de clock básico e o sistema de clock Digitally Controlled Oscillator (DCO), que usa um oscilador de cristal externo (32 768 Hz). Após a reinicialização da inicialização, o DCOCLK primeiro inicia a MCU (Microprogrammed Control Unit) para garantir que o programa comece a ser executado da posição correta e que o oscilador de cristal tenha tempo de inicialização e estabilização suficiente. O software pode então definir os bits de controle de registro apropriados para determinar a frequência final do clock do sistema. Se o oscilador de cristal falhar quando usado como o relógio MCU MCLK, o DCO iniciará automaticamente para garantir a operação normal do sistema; se o programa fugir, um watchdog pode ser usado para reiniciá-lo. Este projeto usa o watchdog do módulo periférico no chip (WDT), comparador analógico A, temporizador A (Timer_A), temporizador B (Timer_B), porta serial USART, multiplicador de hardware, ADC de 10 bits/12 bits, barramento SPI, etc. .

1.2 Circuito RF

A radiofrequênciaparte usa o CC1020 da TI como unidade de controle de radiofrequência. Este chip é o primeiro transceptor de ultra-alta frequência de banda estreita de chip único da indústria. Ele tem três modos de modulação: FSK/GFSK/OOK. O espaçamento mínimo do canal é de 50 kHz, o que pode atender às necessidades de multicanal Requisitos rigorosos para aplicações de banda estreita (bandas de frequência de 402~470mHz e 804~94OmHz), várias bandas de frequência de operação podem ser alternadas livremente e a tensão de operação é de 2,3~3,6 V. É muito adequado para integração e expansão em dispositivos móveis para uso como transmissão de dados sem fio ou etiquetas eletrônicas. O chip está em conformidade com as especificações EN300 220.ARIB STD-T67 e FCC CFR47 parte 15.

Selecione a frequência portadora de 430mHz como a banda de frequência de trabalho. Esta banda de frequência é a banda ISM e está em conformidade com os padrões do National Wireless Management Committee. Não há necessidade de solicitar um ponto de frequência. Usando o método de modulação FSK, ele tem alta capacidade anti-interferência e baixa taxa de erro de bit. Ele adota a tecnologia de codificação de canal de correção de erro de avanço para melhorar a capacidade dos dados de resistir à interferência de estouro e à interferência aleatória. A taxa de erro de bit do canal é de 10-2 Quando, a taxa de erro de bit real pode ser obtida de 10-5 a 10-6. A distância de transmissão de dados pode atingir 800 m em condições de linha de visão em um campo aberto, uma taxa de transmissão de 2 A Kbs e uma grande antena de ventosa (comprimento de 2 m, ganho de 7,8 dB, altura de 2 m acima do solo). A configuração padrão deste chip RF pode fornecer 8 canais para atender a vários métodos de combinação de comunicação. Devido ao uso da tecnologia de comunicação de banda estreita, a estabilidade da comunicação e a anti-interferência são aprimoradas. O diagrama esquemático da parte de radiofrequência é mostrado na Figura 3.

1.3 Fonte de alimentação do sistema

A parte de fonte de alimentação do sistema é alimentada por uma combinação de células fotovoltaicas como fonte de alimentação diária e subbateria de lítio como bateria de reserva. Carregar a bateria de armazenamento de energia por meio de energia solar em boas condições de iluminação, garantindo um certo tempo de iluminação todos os dias, pode basicamente atender às necessidades diárias de trabalho da OBU, estendendo muito a vida útil da bateria de reserva e, ao mesmo tempo, estendendo a vida útil da OBU. É adequado para veículos que geralmente operam ao ar livre e podem coletar luz solar suficiente para que as células fotovoltaicas funcionem.

1.4 Ambiente de desenvolvimento do sistema

O ambiente de desenvolvimento do sistema é o seguinte:

1) Compilador IAR Embedded Workbench formSP430;

2) Ferramenta de design de placa de circuito PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi.

2. Programação do sistema

O programa adota design modular e é escrito em linguagem C. É composto principalmente de 4 partes: módulo de programa principal, módulo de programa de comunicação, módulo de processamento de circuito periférico, módulo de interrupção e armazenamento. O programa principal conclui principalmente a inicialização da unidade de controle, a configuração de vários parâmetros, a configuração e inicialização de cada módulo periférico, etc.; o módulo do programa de comunicação lida principalmente com a configuração do chip RF e processamento do transceptor de 433 mHz; o módulo de processamento do circuito periférico lida principalmente com a indicação de LED externo e a voltagem do sistema. Detecção, avisos sonoros são manipulados por pressionamentos de tecla e outros processamentos; o módulo de interrupção e armazenamento lida principalmente com interrupções do sistema e armazenamento de registros. O fluxo do programa principal é mostrado na Figura 4.

3 Processo de comunicação RF

O processo de comunicação entre OBU e BSS é dividido em três etapas: estabelecimento de link, troca de informações e liberação de link, conforme mostrado na Figura 5.

Sistema RFID automotivo com tecnologia de comunicação sem fio de curto alcance

Etapa 1: Estabeleça uma conexão. As informações de coordenadas da localização da OBU e seu código de ID são armazenadas no Flash da unidade de controle MCU por meio de parâmetros predefinidos e são salvas por um longo tempo. O BSS (Base Station System) usa o downlink para transmitir e enviar ciclicamente informações de posicionamento (controle de quadro de identificação da estação base) para a OBU, determinar as informações de sincronização da estrutura do quadro e as informações de controle do link de dados e solicitar o estabelecimento de uma conexão após a OBU na área de comunicação efetiva ser ativada. Confirme a validade e envie informações de resposta para a OBU correspondente, caso contrário, ela não responderá;

Etapa 2: Troca de informações. Este projeto usa o método de detecção da intensidade do sinal de radiofrequência para determinar se a OBU entrou na área de serviço. Quando a intensidade do sinal detectado é maiorr do que 1/2 do sinal máximo, as partes de envio e recebimento implementam um handshake sem fio. Neste momento, a OBU é considerada como tendo entrado na área de serviço. distrito. Nesta fase, todos os quadros devem carregar a identificação do link privado da OBU e implementar o controle de erros. Para o julgamento da OBU upstream e downstream, você pode usar o número de ID para determinar se ele pertence ao mesmo sistema. OBUs com números de ID que não são do mesmo sistema serão automaticamente excluídos do registro. A OBU usa um mecanismo de salto de frequência ao relatar informações e seleciona aleatoriamente um canal fixo na área de serviço para comunicação de handshake para evitar congestionamento de canal.

Etapa 3: Libere a conexão. Quando a intensidade do sinal de detecção for menor que 1/2 da intensidade máxima, o carro é considerado como tendo saído da estação. Após a RSU e a OBU concluírem todas as aplicações, elas excluem o identificador do link e emitem um comando de liberação do link de comunicação dedicado. O temporizador de liberação de conexão libera a conexão de acordo com a confirmação do serviço de aplicAtivo.

4. Desenvolvimento do processo de comunicação entre OBU e BSS

O protocolo de comunicação estabelece uma estrutura de protocolo simples de três camadas com base no modelo de protocolo de sete camadas da arquitetura de interconexão de sistema aberto, ou seja, a camada física, a camada de enlace de dados e a camada de aplicativo.

1) Camada física A camada física é principalmente um padrão de sinal de comunicação. Como atualmente não há um padrão unificado para comunicação sem fio de curta distância de 433 mHz no mundo, a camada física definida por vários padrões também é diferente, conforme mostrado na Tabela 1. A Figura 6 mostra o método de codificação Manchester.

2) Camada de enlace de dados A camada de enlace de dados controla o processo de troca de informações entre OBU e BSS, o estabelecimento e a liberação de conexões de enlace de dados, a definição e sincronização de quadros de dados, o controle da transmissão de dados de quadros, o controle de tolerância a falhas e a transmissão de dados. O controle da camada de enlace e a troca de parâmetros de conexões de enlace são especificados. A transmissão de dados é realizada pela transmissão de quadros de dados, conforme mostrado na Figura 7.

3) Camada de aplicação A camada de aplicação formula programas de função de usuário padrão, define o formato de mensagens de comunicação entre vários aplicativos e fornece uma interface de mensagem aberta para chamadas por outros bancos de dados ou aplicativos.

5 Conclusão

O sistema de identificação por radiofrequência projetado neste artigo usa o microcontrolador MSP430 da série de baixa potência da TI, que foi especialmente projetado pela TI para baixo consumo de energia de equipamentos alimentados por bateria. O chip de radiofrequência também é o CC1020 da TI. Ele tem alta integração, pode atingir tamanho pequeno, baixo consumo de energia e é fácil de instalar. É adequado para construir sistemas de monitoramento e vigilância sem estacionamento de veículos. Os resultados do teste mostram que em condições complexas de estrada (estradas movimentadas), o reconhecimento efetivo pode ser alcançado em um alcance de 300 m e, em condições de linha de visão, o reconhecimento pode ser alcançado em um alcance de 500 m.