Kısa menzilli kablosuz iletişim teknolojisine sahip otomotiv RFID sistemi

Bu sistem, dijital iletişim ilkesine dayanan ve entegre tek çipli dar bantlı ultra yüksek frekanslı alıcı-verici kullanan kablosuz bir tanımlama sistemidir. Radyo frekansı tanımlama sisteminin temel çalışma prensibi ve donanım tasarım fikirleri açıklanmakta ve program tasarım şemasının akış şeması verilmektedir. Düşük güç tüketimi, verimli tanımlama ve pratiklik perspektiflerinden araçlara uygun radyo frekansı tanımlama etiketleri tasarlayın. Test sonuçları, bu sistemin karmaşık yol koşullarında (yoğun yol koşulları) 300 m'lik bir menzil içinde etkili tanıma elde edebileceğini ve görüş hattı koşullarında 500 m'lik bir menzil içinde etkili tanıma elde edebileceğini göstermektedir.

Nesnelerin İnterneti, sensörler, radyo frekansı tanımlama (RFID) teknolojisi, küresel konumlandırma sistemleri, kızılötesi sensörler, lazer tarayıcılar, gaz sensörleri ve diğer cihazlar ve teknolojiler gibi çeşitli bilgi algılama ekipmanları aracılığıyla izlenmesi gereken herhangi bir bilginin gerçek zamanlı olarak toplanmasını ifade eder. Nesneleri veya süreçleri birbirine bağlamak ve etkileşimde bulunmak, ses, ışık, elektrik, biyoloji, konum vb. gibi çeşitli gerekli bilgileri toplar ve bunları İnternet ile birleştirerek devasa bir ağ oluşturur. Amacı, nesneler ve nesneler, nesneler ve insanlar ve tüm nesneler ve ağ arasındaki bağlantıyı gerçekleştirmek, böylece tanımlamayı, yönetimi ve kontrolü kolaylaştırmaktır. Bu proje, araç Nesnelerin İnterneti'nde veri toplama, iletimi ve uygulamasının temel sorunlarına odaklanır ve kısa menzilli kablosuz radyo frekansı iletişim teknolojisine dayalı yeni nesil bir araç radyo frekansı tanımlama sistemi tasarlar. Sistem, baz istasyonunun kapsama alanı içinde kullanılabilen bir noktadan çok noktaya kablosuz tanımlama sistemi (Kablosuz tanımlama sistemi, WIS) oluşturmak için kısa mesafeli kablosuz iletişim yerleşik bir birimden (Yerleşik Birim, OBU) ve bir baz istasyonu sisteminden (Base Station System, BSS) oluşur. Araç tanımlama ve akıllı rehberlik.

1. Sistem donanım tasarımı

Sistem donanımı esas olarak kontrol parçası, radyo frekansı parçası ve harici genişleme uygulama parçasından oluşur. Kontrol ünitesi olarak düşük güçlü bir MCU kullanır, tek çipli dar bantlı ultra yüksek frekanslı bir alıcı-verici entegre eder ve dahili optimize edilmiş tasarım antenine sahiptir. Gelişmiş fotovoltaik hücreler tarafından desteklenir ve son derece entegre kısa menzilli kablosuz tanımlama radyo frekansı terminalidir (OBU). Bu terminal küçük boyuta, düşük güç tüketimine, geniş uyarlanabilirliğe ve mevcut sistemlerle veya diğer sistemlerle yerleştirmeyi kolaylaştırmak için yerleşik açık protokollere ve standart arayüzlere sahiptir.

1.1 Kontrol devresi tasarımı

Kontrol ünitesi, endüstride düşük güç uygulamalarında nispeten olgun olan TI tarafından üretilen MSP430 serisini benimser. Bu seri, TI tarafından 1996 yılında piyasaya sürülen 16 bitlik ultra düşük güç karma sinyal işlemcisidir (Mired Sinyal İşlemcisi). Pratik uygulamalara yöneliktir. Uygulama gereksinimleri, "monolitik" bir çözüm sağlamak için birçok analog devreyi, dijital devreyi ve mikroişlemciyi tek bir çipte birleştirir. WIS sisteminde, OBU ve BSS'nin çalışma prensipleri aynıdır, bu nedenle OBU parçasının tasarımına odaklanıyoruz.

MSP430F2274'ün giriş voltajı 1,8~3,6V'tur. 1mHz saat koşulunda çalışırken, çipin güç tüketimi yaklaşık 200~400μA'dır ve saat kapatma modunda en düşük güç tüketimi yalnızca 0,1μA'dır. Sistem çalışırken açılan işlevsel modüller farklı olduğundan, bekleme, çalışma ve hazırda bekletme olmak üzere üç farklı çalışma modu benimsenmiştir ve bu da sistem güç tüketimini etkili bir şekilde azaltır.

Sistem iki saat sistemi kullanır; temel saat sistemi ve harici bir kristal osilatör (32 768Hz) kullanan Dijital Kontrollü Osilatör (DCO) saat sistemi. Güç açık sıfırlamasından sonra, DCOCLK önce programın doğru konumdan yürütülmeye başlamasını ve kristal osilatörün yeterli başlatma ve stabilizasyon süresine sahip olmasını sağlamak için MCU'yu (Mikroprogramlanmış Kontrol Ünitesi) başlatır. Yazılım daha sonra son sistem saat frekansını belirlemek için uygun kayıt kontrol bitlerini ayarlayabilir. Kristal osilatör MCU saati MCLK olarak kullanıldığında arızalanırsa, DCO sistemin normal çalışmasını sağlamak için otomatik olarak başlayacaktır; program kaçarsa, onu sıfırlamak için bir watchdog kullanılabilir. Bu tasarım, çip üzerindeki çevresel modül watchdog'unu (WDT), analog karşılaştırıcı A'yı, zamanlayıcı A'yı (Timer_A), zamanlayıcı B'yi (Timer_B), seri port USART'ı, donanım çarpanını, 10 bit/12 bit ADC'yi, SPI veri yolunu vb. kullanır. .

1.2 RF devresi

Radyo frekansıparça, radyo frekansı kontrol ünitesi olarak TI'nin CC1020'sini kullanır. Bu çip, endüstrinin ilk gerçek tek çipli dar bantlı ultra yüksek frekanslı alıcı-vericisidir. Üç modülasyon moduna sahiptir: FSK/GFSK/OOK. Minimum kanal aralığı, çok kanallı dar bant uygulamaları için sıkı gereksinimleri (402~470mHz ve 804~94OmHz frekans bantları) karşılayabilen 50 kHz'dir, birden fazla çalışma frekans bandı serbestçe değiştirilebilir ve çalışma voltajı 2,3~3,6 V'tur. Kablosuz veri iletimi veya elektronik etiketler olarak kullanılmak üzere mobil cihazlara entegrasyon ve genişletme için çok uygundur. Çip, EN300 220.ARIB STD-T67 ve FCC CFR47 part15 özelliklerine uygundur.

Çalışma frekans bandı olarak taşıyıcı frekansı 430mHz'i seçin. Bu frekans bandı ISM bandıdır ve Ulusal Kablosuz Yönetim Komitesi standartlarına uygundur. Frekans noktası için başvuruda bulunmaya gerek yoktur. FSK modülasyon yöntemini kullanarak yüksek anti-parazit yeteneğine ve düşük bit hata oranına sahiptir. Verilerin patlama parazitine ve rastgele parazite karşı koyma yeteneğini geliştirmek için ileri hata düzeltme kanal kodlama teknolojisini benimser. Kanal bit hata oranı 10-2 iken, gerçek bit hata oranı 10-5 ila 10-6 arasında elde edilebilir. Veri iletim mesafesi açık alanda görüş hattı koşullarında 800 m'ye, 2A Kbs baud hızına ve büyük bir vantuzlu antene (uzunluk 2 m, kazanç 7,8 dB, yerden yükseklik 2 m) ulaşabilir. Bu RF çipinin standart konfigürasyonu çeşitli iletişim kombinasyon yöntemlerini karşılamak için 8 kanal sağlayabilir. Dar bant iletişim teknolojisinin kullanılması nedeniyle iletişim kararlılığı ve anti-parazit artırılmıştır. Radyo frekans kısmının şematik diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir.

1.3 Sistem güç kaynağı

Sistemin güç kaynağı kısmı, günlük güç kaynağı olarak fotovoltaik hücreler ve yedek pil olarak lityum alt pil kombinasyonuyla çalıştırılır. Enerji depolama pilini iyi aydınlatma koşullarında güneş enerjisiyle şarj etmek, her gün belirli bir aydınlatma süresi sağlamak temelde OBU'nun günlük çalışma ihtiyaçlarını karşılayabilir, yedek pilin hizmet ömrünü büyük ölçüde uzatır ve aynı zamanda OBU'nun çalışma ömrünü uzatır. Genellikle açık havada çalışan ve fotovoltaik hücrelerin çalışması için yeterli güneş ışığını toplayabilen araçlar için uygundur.

1.4 Sistem geliştirme ortamı

Sistem geliştirme ortamı şu şekildedir:

1) IAR Embedded Workbench formSP430 derleyicisi;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi devre kartı tasarım aracı.

2. Sistem programlama

Program modüler tasarıma sahiptir ve C dilinde yazılmıştır. Temel olarak 4 bölümden oluşur: ana program modülü, iletişim program modülü, çevresel devre işleme modülü, kesme ve depolama modülü. Ana program esas olarak kontrol ünitesinin başlatılmasını, çeşitli parametrelerin yapılandırılmasını, her bir çevresel modülün yapılandırılmasını ve başlatılmasını vb. tamamlar; iletişim program modülü esas olarak RF çipinin ve 433mHz alıcı-verici işleminin yapılandırılmasını ele alır; çevresel devre işleme modülü esas olarak harici LED göstergesini ve sistemin voltajını ele alır. Algılama, ses istemleri tuş vuruşları ve diğer işlemlerle gerçekleştirilir; kesme ve depolama modülü esas olarak sistem kesmelerini ve kayıt depolama işlemlerini ele alır. Ana program akışı Şekil 4'te gösterilmiştir.

3 RF iletişim süreci

OBU ile BSS arasındaki iletişim süreci, Şekil 5'te gösterildiği gibi, bağlantı kurma, bilgi alışverişi ve bağlantının serbest bırakılması olmak üzere üç adıma ayrılmıştır.

Kısa menzilli kablosuz iletişim teknolojisine sahip otomotiv RFID sistemi

1. Adım: Bağlantı kurun. OBU konumunun koordinat bilgileri ve kimlik kodu, önceden ayarlanmış parametreler aracılığıyla kontrol ünitesi MCU'sunun Flash'ında saklanır ve uzun süre saklanır. BSS (Baz İstasyonu Sistemi), aşağı bağlantıyı kullanarak OBU'ya konumlandırma (baz istasyonu tanımlama çerçeve kontrolü) bilgilerini döngüsel olarak yayınlar ve gönderir, çerçeve yapısı senkronizasyon bilgilerini ve veri bağlantısı kontrol bilgilerini belirler ve etkili iletişim alanındaki OBU etkinleştirildikten sonra bir bağlantı kurulmasını ister. Geçerliliği onaylayın ve yanıt bilgilerini ilgili OBU'ya gönderin, aksi takdirde yanıt vermeyecektir;

2. Adım: Bilgi alışverişi. Bu tasarım, OBU'nun servis alanına girip girmediğini belirlemek için radyo frekans sinyalinin gücünü algılama yöntemini kullanır. Algılanan sinyal gücü büyük olduğundaMaksimum sinyalin 1/2'sinden fazla olduğunda, gönderen ve alan taraflar kablosuz bir el sıkışma uygular. Bu sırada, OBU'nun servis alanına girdiği kabul edilir. bölge. Bu aşamada, tüm çerçeveler OBU'nun özel bağlantı kimliğini taşımalı ve hata denetimini uygulamalıdır. OBU'nun yukarı ve aşağı akışının yargılanması için, aynı sisteme ait olup olmadığını belirlemek üzere kimlik numarasını kullanabilirsiniz. Aynı sistem olmayan kimlik numaralarına sahip OBU'lar kayıttan otomatik olarak silinecektir. OBU, bilgi bildirirken bir frekans atlama mekanizması kullanır ve kanal tıkanıklığını önlemek için el sıkışma iletişimi için servis alanında sabit bir kanalı rastgele seçer.

3. Adım: Bağlantıyı serbest bırakın. Algılama sinyali gücü maksimum gücün 1/2'sinden az olduğunda, aracın istasyondan ayrıldığı kabul edilir. RSU ve OBU tüm uygulamaları tamamladıktan sonra, bağlantı tanımlayıcısını siler ve özel bir iletişim bağlantısı serbest bırakma komutu verir. Bağlantı serbest bırakma zamanlayıcısı, bağlantıyı uygulama hizmeti onayına göre serbest bırakır.

4. OBU ile BSS arasındaki iletişim sürecinin geliştirilmesi

İletişim protokolü, açık sistem bağlantı mimarisinin yedi katmanlı protokol modeline dayalı üç katmanlı basit bir protokol yapısı oluşturur: fiziksel katman, veri bağlantı katmanı ve uygulama katmanı.

1) Fiziksel katman Fiziksel katman esas olarak bir iletişim sinyali standardıdır. Dünyada şu anda 433mHz kısa mesafe kablosuz iletişim için birleşik bir standart olmadığından, çeşitli standartlar tarafından tanımlanan fiziksel katman da farklıdır, Tablo 1'de gösterildiği gibi. Şekil 6, Manchester kodlama yöntemini göstermektedir.

2) Veri bağlantı katmanı Veri bağlantı katmanı, OBU ile BSS arasındaki bilgi alışverişi sürecini, veri bağlantı bağlantılarının kurulmasını ve serbest bırakılmasını, veri çerçevelerinin tanımlanmasını ve çerçeve senkronizasyonunu, çerçeve veri iletimi denetimini, hata toleransı denetimini ve veri iletimini kontrol eder. Bağlantı katmanı denetimi ve bağlantı bağlantılarının parametre değişimi belirtilir. Veri iletimi, Şekil 7'de gösterildiği gibi veri çerçeve iletimi ile gerçekleştirilir.

3) Uygulama katmanı Uygulama katmanı, standart kullanıcı işlev programlarını formüle eder, çeşitli uygulamalar arasındaki iletişim mesajlarının biçimini tanımlar ve diğer veritabanları veya uygulamalar tarafından yapılan çağrılar için açık bir mesaj arayüzü sağlar.

5 Sonuç

Bu makalede tasarlanan radyo frekansı tanımlama sistemi, TI tarafından pille çalışan ekipmanların düşük güç tüketimi için özel olarak tasarlanmış olan TI'nin düşük güç serisi MSP430 mikrodenetleyicisini kullanır. Radyo frekansı çipi de TI'nin CC1020'sidir. Yüksek entegrasyona sahiptir, küçük boyuta, düşük güç tüketimine ulaşabilir ve kurulumu kolaydır. Araç park yeri olmayan izleme ve gözetim sistemleri oluşturmak için uygundur. Test sonuçları, karmaşık yol koşullarında (yoğun yollar) 300 m'lik bir menzil içinde etkili tanıma sağlanabileceğini ve görüş hattı koşullarında 500 m'lik bir menzil içinde tanıma sağlanabileceğini göstermektedir.