Sistem RFID otomotif dengan teknologi komunikasi nirkabel jarak pendek

Sistem ini adalah sistem identifikasi nirkabel berdasarkan prinsip komunikasi digital dan menggunakan transceiver frekuensi ultra-tinggi pita sempit chip tunggal yang terintegrasi. Prinsip kerja dasar dan ide desain perangkat keras dari sistem identifikasi frekuensi radio dijelaskan, dan diagram alir skema desain program diberikan. Rancang tag identifikasi frekuensi radio yang cocok untuk kendaraan dari sudut pandang konsumsi daya yang rendah, identifikasi yang efisien, dan kepraktisan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem ini dapat mencapai pengenalan efektif dalam jarak 300m dalam kondisi jalan yang kompleks (kondisi jalan sibuk), dan dapat mencapai pengenalan efektif dalam jarak 500m dalam kondisi saling berhadapan.

Internet of Things mengacu pada pengumpulan informasi apa pun secara real-time yang perlu dipantau, melalui berbagai perAlatan penginderaan informasi, seperti sensor, teknologi identifikasi frekuensi radio (RFID), sistem penentuan posisi global, sensor inframerah, pemindai laser, sensor gas. dan perangkat serta teknologi lainnya. Menghubungkan dan berinteraksi objek atau proses mengumpulkan berbagai informasi yang dibutuhkan seperti suara, cahaya, listrik, biologi, lokasi, dll, dan menggabungkannya dengan Internet untuk membentuk jaringan besar. Tujuannya adalah untuk mewujudkan hubungan antara benda dan benda, benda dan manusia, serta segala sesuatu dan jaringan, sehingga memudahkan identifikasi, pengelolaan, dan pengendalian. Proyek ini berfokus pada isu-isu utama pengumpulan, transmisi, dan penerapan data pada Internet of Things kendaraan, dan merancang sistem identifikasi frekuensi radio kendaraan generasi baru berdasarkan teknologi komunikasi frekuensi radio nirkabel jarak pendek. Sistem ini terdiri dari unit on-board komunikasi nirkabel jarak pendek (On-Board Unit, OBU) dan sistem stasiun pangkalan (Base Station System, BSS) untuk membentuk sistem identifikasi nirkabel point-to-multipoint (Sistem identifikasi nirkabel, WIS), yang dapat digunakan dalam cakupan area base station. Identifikasi kendaraan dan panduan cerdas.

1. Desain perangkat keras sistem

Perangkat keras sistem terutama terdiri dari bagian kontrol, bagian frekuensi radio, dan bagian aplikasi ekspansi eksternal. Ia menggunakan MCU berdaya rendah sebagai unit kontrol, mengintegrasikan transceiver frekuensi ultra-tinggi pita sempit chip tunggal, dan memiliki antena desain bawaan yang dioptimalkan. Ini didukung oleh sel fotovoltaik canggih dan merupakan terminal frekuensi radio identifikasi nirkabel (OBU) jarak pendek yang sangat terintegrasi. Terminal ini memiliki ukuran kecil, konsumsi daya rendah, kemampuan beradaptasi luas, dan proTokol terbuka serta antarmuka standar yang mapan untuk memfasilitasi docking dengan sistem yang ada atau sistem lain.

1.1 Desain rangkaian kontrol

Unit kontrol mengadopsi seri MSP430 yang diproduksi oleh TI, yang relatif matang dalam aplikasi berdaya rendah di industri. Seri ini adalah prosesor sinyal campuran berdaya ultra rendah 16-bit (Mired Signal Processor) yang diluncurkan oleh TI di pasaran pada tahun 1996. Seri ini ditujukan untuk aplikasi praktis. Persyaratan aplikasi mengintegrasikan banyak sirkuit analog, sirkuit digital, dan mikroprosesor dalam satu chip untuk menyediakan solusi "monolitik" larutan. Pada sistem WIS, prinsip kerja OBU dan BSS sama, sehingga kami fokus pada desain bagian OBU.

Tegangan masukan MSP430F2274 adalah 1,8~3,6V. Saat berjalan di bawah kondisi jam 1mHz, konsumsi daya chip sekitar 200~400μA, dan konsumsi daya terendah dalam mode mematikan jam hanya 0,1μA. Karena modul fungsional yang dibuka saat sistem sedang berjalan berbeda, tiga mode kerja berbeda yaitu siaga, berjalan, dan hibernasi diadopsi, yang secara efektif mengurangi konsumsi daya sistem.

Sistem ini menggunakan dua sistem jam; sistem jam dasar dan sistem jam Digitally Controlled Oscillator (DCO), yang menggunakan osilator kristal eksternal (32 768Hz). Setelah power-on reset, DCOCLK pertama-tama memulai MCU (Microprogrammed Control Unit) untuk memastikan bahwa program mulai dijalankan dari posisi yang benar dan osilator kristal memiliki waktu start-up dan stabilisasi yang cukup. Perangkat lunak kemudian dapat mengatur bit kontrol register yang sesuai untuk menentukan frekuensi jam sistem akhir. Jika osilator kristal gagal saat digunakan sebagai jam MCU MCLK, DCO akan secara otomatis mulai untuk memastikan pengoperasian normal sistem; jika program berjalan, pengawas dapat digunakan untuk meresetnya. Desain ini menggunakan pengawas modul periferal (WDT) on-chip, komparator analog A, timer A (Timer_A), timer B (Timer_B), port serial USART, pengganda perangkat keras, ADC 10-bit/12-bit, bus SPI, dll. . .

1.2 sirkuit RF

Frekuensi radiobagiannya menggunakan CC1020 TI sebagai unit kontrol frekuensi radio. Chip ini adalah transceiver frekuensi ultra-tinggi pita sempit chip tunggal pertama di industri. Ini memiliki tiga mode modulasi: FSK/GFSK/OOK. Jarak saluran minimum adalah 50 kHz, yang dapat memenuhi kebutuhan multi-saluran Persyaratan ketat untuk aplikasi pita sempit (pita frekuensi 402~470mHz dan 804~94OmHz), beberapa pita frekuensi pengoperasian dapat dialihkan secara bebas, dan tegangan pengoperasian adalah 2,3~ 3,6 V. Sangat cocok untuk integrasi dan ekspansi ke perangkat seluler untuk digunakan sebagai transmisi data nirkabel atau tag elektronik. Chip ini mematuhi spesifikasi EN300 220.ARIB STD-T67 dan FCC CFR47 part15.

Pilih frekuensi pembawa 430mHz sebagai pita frekuensi kerja. Pita frekuensi ini adalah pita ISM dan mematuhi standar Komite Manajemen Nirkabel Nasional. Tidak perlu Mengajukan permohonan titik frekuensi. Menggunakan metode modulasi FSK, ia memiliki kemampuan anti-interferensi yang tinggi dan tingkat kesalahan bit yang rendah. Ini mengadopsi teknologi pengkodean saluran koreksi kesalahan maju untuk meningkatkan kemampuan data dalam menahan interferensi burst dan interferensi acak. Tingkat kesalahan bit saluran adalah 10-2 Kapan, tingkat kesalahan bit aktual dapat diperoleh dari 10-5 hingga 10-6. Jarak transmisi data dapat mencapai 800m dalam kondisi saling berhadapan di lapangan terbuka, baud rate 2A Kbs, dan antena suction cup besar (panjang 2m, gain 7,8 dB, tinggi 2m di atas tanah). Konfigurasi standar chip RF ini dapat menyediakan 8 saluran untuk memenuhi berbagai metode kombinasi komunikasi. Karena penggunaan teknologi komunikasi pita sempit, stabilitas komunikasi dan anti-interferensi ditingkatkan. Diagram skema bagian frekuensi radio ditunjukkan pada Gambar 3.

1.3 Catu daya sistem

Bagian catu daya sistem ini ditenagai oleh kombinasi sel fotovoltaik sebagai catu daya harian dan sub-baterai litium sebagai baterai cadangan. Mengisi daya baterai penyimpan energi melalui energi matahari dalam kondisi pencahayaan yang baik, memastikan waktu pencahayaan tertentu setiap hari pada dasarnya dapat memenuhi kebutuhan kerja harian OBU, sangat memperpanjang masa pakai baterai cadangan, dan pada saat yang sama memperpanjang masa kerja. dari OBU. Sangat cocok untuk kendaraan yang sering beroperasi di luar ruangan dan dapat mengumpulkan cukup sinar matahari agar sel fotovoltaik dapat bekerja.

1.4 Lingkungan pengembangan sistem

Lingkungan pengembangan sistem adalah sebagai berikut:

1) Kompiler formSP430 Meja Kerja Tertanam IAR;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Alat desain papan sirkuit Bisi.

2. Pemrograman sistem

Program ini mengadopsi desain modular dan ditulis dalam bahasa C. Ini terutama terdiri dari 4 bagian: modul program utama, modul program komunikasi, modul pemrosesan sirkuit periferal, modul interupsi dan penyimpanan. Program utama terutama menyelesaikan inisialisasi unit kontrol, konfigurasi berbagai parameter, konfigurasi dan inisialisasi setiap modul periferal, dll.; modul program komunikasi terutama menangani konfigurasi chip RF dan pemrosesan transceiver 433MHz; modul pemrosesan sirkuit periferal terutama menangani indikasi LED eksternal dan tegangan sistem. Deteksi, perintah suara ditangani dengan penekanan tombol dan pemrosesan lainnya; modul interupsi dan penyimpanan terutama menangani interupsi sistem dan penyimpanan rekaman. Alur program utama ditunjukkan pada Gambar 4.

3 proses komunikasi RF

Proses komunikasi antara OBU dan BSS dibagi menjadi tiga langkah: pembuatan tautan, pertukaran informasi, dan pelepasan tautan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

Sistem RFID otomotif dengan teknologi komunikasi nirkabel jarak pendek

Langkah 1: Buat koneksi. Informasi koordinat lokasi OBU dan kode ID-nya disimpan dalam Flash unit kontrol MCU melalui parameter yang telah ditetapkan dan disimpan untuk waktu yang lama. BSS (Base Station System) menggunakan downlink untuk menyiarkan secara siklis dan mengirim informasi posisi (kontrol bingkai identifikasi stasiun pangkalan) ke OBU, menentukan informasi sinkronisasi struktur bingkai dan informasi kontrol tautan data, dan meminta pembuatan koneksi setelah OBU di area komunikasi efektif diaktifkan. Konfirmasikan validitas dan kirimkan informasi respons ke OBU terkait, jika tidak maka OBU tidak akan merespons;

Langkah 2: Pertukaran informasi. Perancangan ini menggunakan metode pendeteksian kekuatan sinyal frekuensi radio untuk mengetahui apakah OBU telah memasuki area layanan. Ketika kekuatan sinyal yang terdeteksi besarr dari 1/2 sinyal maksimum, pihak pengirim dan penerima menerapkan jabat tangan nirkabel. Saat ini, OBU tersebut dianggap sudah memasuki wilayah pelayanan. daerah. Pada fase ini, semua frame harus membawa identifikasi tautan pribadi OBU dan menerapkan kontrol kesalahan. Untuk penilaian OBU hulu dan hilir, Anda dapat menggunakan nomor ID untuk menentukan apakah OBU tersebut termasuk dalam sistem yang sama. OBU dengan nomor ID yang tidak sama dengan sistem akan otomatis terhapus dari catatan. OBU menggunakan mekanisme lompatan frekuensi saat melaporkan informasi dan secara acak memilih saluran tetap di area layanan untuk komunikasi jabat tangan guna mencegah kemacetan saluran.

Langkah 3: Lepaskan koneksi. Bila kekuatan sinyal deteksi kurang dari 1/2 kekuatan maksimum, mobil dianggap telah meninggalkan stasiun. Setelah RSU dan OBU menyelesaikan semua aplikasi, mereka menghapus pengidentifikasi tautan dan mengeluarkan perintah pelepasan tautan komunikasi khusus. Pengatur waktu pelepasan koneksi melepaskan koneksi sesuai dengan konfirmasi layanan aplikasi.

4. Perkembangan proses komunikasi antara OBU dan BSS

Protokol komunikasi membentuk struktur protokol sederhana tiga lapis berdasarkan model protokol tujuh lapis arsitektur interkoneksi sistem terbuka, yaitu lapisan fisik, lapisan data link, dan lapisan aplikasi.

1) Lapisan fisik Lapisan fisik terutama merupakan standar sinyal komunikasi. Karena saat ini tidak ada standar terpadu untuk komunikasi nirkabel jarak pendek 433mHz di dunia, lapisan fisik yang ditentukan oleh berbagai standar juga berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Gambar 6 menunjukkan metode pengkodean Manchester.

2) Lapisan data link Lapisan data link mengontrol proses pertukaran informasi antara OBU dan BSS, pembentukan dan pelepasan koneksi data link, definisi dan sinkronisasi frame frame data, kontrol transmisi data frame, kontrol toleransi kesalahan, dan data penularan. Kontrol lapisan tautan dan pertukaran parameter koneksi tautan ditentukan. Transmisi data dilakukan dengan transmisi data frame, seperti terlihat pada Gambar 7.

3) Lapisan Aplikasi Lapisan aplikasi merumuskan program fungsi pengguna standar, mendefinisikan format pesan komunikasi antara berbagai aplikasi, dan menyediakan antarmuka pesan terbuka untuk panggilan oleh database atau aplikasi lain.

5. Kesimpulan

Sistem identifikasi frekuensi radio yang dirancang dalam artikel ini menggunakan mikrokontroler seri MSP430 berdaya rendah TI, yang dirancang khusus oleh TI untuk konsumsi daya rendah pada peralatan bertenaga baterai. Chip frekuensi radio juga merupakan CC1020 TI. Ini memiliki integrasi tinggi, dapat mencapai ukuran kecil, konsumsi daya rendah, dan mudah dipasang. Sangat cocok untuk membangun sistem pemantauan dan pengawasan bebas parkir kendaraan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa dalam kondisi jalan yang kompleks (jalan sibuk), pengenalan efektif dapat dicapai dalam jarak 300m, dan dalam kondisi saling berhadapan, pengenalan dapat dicapai dalam jarak 500m.