Automotive-RFID-System mit drahtloser Kommunikationstechnologie für kurze Entfernungen

Bei diesem System handelt es sich um ein drahtloses Identifikationssystem, das auf dem Prinzip der digitalen Kommunikation basiert und einen integrierten Single-Chip-Schmalband-Ultrahochfrequenz-Transceiver verwendet. Das grundlegende Funktionsprinzip und die Hardware-Designideen des Radiofrequenz-Identifikationssystems werden erläutert und das Flussdiagramm des Programmdesignschemas wird angegeben. Entwerfen Sie Radiofrequenz-Identifikationsetiketten, die für Fahrzeuge geeignet sind, und zwar im Hinblick auf geringen Stromverbrauch, effiziente Identifizierung und Praktikabilität. Die Testergebnisse zeigen, dass dieses System unter komplexen Straßenbedingungen (stark befahrene Straßen) eine effektive Erkennung innerhalb einer Reichweite von 300 m und bei Sichtverbindungsbedingungen eine effektive Erkennung innerhalb einer Reichweite von 500 m erreichen kann.

Das Internet der Dinge bezieht sich auf die Echtzeiterfassung aller zu überwachenden Informationen durch verschiedene Informationserfassungsgeräte wie Sensoren, Radiofrequenz-Identifikationstechnologie (RFID), globale Positionierungssysteme, Infrarotsensoren, Laserscanner und Gassensoren und andere Geräte und Technologien. Durch die Verbindung und Interaktion von Objekten oder Prozessen werden verschiedene erforderliche Informationen wie Ton, Licht, Elektrizität, Biologie, Standort usw. gesammelt und mit dem Internet zu einem riesigen Netzwerk kombiniert. Sein Zweck besteht darin, die Verbindung zwischen Dingen und Dingen, Dingen und Menschen sowie allen Dingen und dem Netzwerk zu erkennen, um so die Identifizierung, Verwaltung und Kontrolle zu erleichtern. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Schlüsselthemen der Datenerfassung, -übertragung und -anwendung im Fahrzeug-Internet der Dinge und entwirft eine neue Generation von Fahrzeug-Radiofrequenz-Identifikationssystemen, die auf drahtloser Radiofrequenz-Kommunikationstechnologie mit kurzer Reichweite basieren. Das System besteht aus einer drahtlosen Kurzstrecken-Kommunikations-Bordeinheit (On-Board Unit, OBU) und einem Basisstationssystem (Base Station System, BSS), um ein drahtloses Punkt-zu-Mehrpunkt-Identifikationssystem (Wireless Identification System, WIS), das innerhalb des Abdeckungsbereichs der Basisstation genutzt werden kann. Fahrzeugidentifikation und intelligente Führung.

1. System-Hardware-Design

Die Systemhardware besteht hauptsächlich aus dem Steuerteil, dem Hochfrequenzteil und dem externen Erweiterungsanwendungsteil. Es verwendet eine stromsparende MCU als Steuereinheit, integriert einen Single-Chip-Schmalband-Ultrahochfrequenz-Transceiver und verfügt über eine integrierte Antenne mit optimiertem Design. Es wird von fortschrittlichen Photovoltaikzellen angetrieben und ist ein hochintegriertes drahtloses Identifikations-Radiofrequenzterminal (OBU) für kurze Entfernungen. Dieses Terminal zeichnet sich durch geringe Größe, geringen Stromverbrauch, große Anpassungsfähigkeit und etablierte offene Protokolle und Standardschnittstellen aus, um das Andocken an bestehende Systeme oder andere Systeme zu erleichtern.

1.1 Entwurf des Steuerkreises

Die Steuereinheit übernimmt die von TI hergestellte MSP430-Serie, die in der Branche für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch relativ ausgereift ist. Bei dieser Serie handelt es sich um einen 16-Bit-Mixed-Signal-Prozessor mit extrem geringem Stromverbrauch (Mired Signal Processor), der 1996 von TI auf den Markt gebracht wurde. Sie ist auf praktische Anwendungen ausgerichtet. Anwendungsanforderungen integrieren viele analoge Schaltkreise, digitale Schaltkreise und Mikroprozessoren auf einem Chip, um eine „monolithische“ Lösung bereitzustellen. Lösung. Im WIS-System sind die Funktionsprinzipien von OBU und BSS dieselben, daher konzentrieren wir uns auf das Design der OBU-Teile.

Die Eingangsspannung des MSP430F2274 beträgt 1,8–3,6 V. Beim Betrieb unter der Taktbedingung von 1 MHz beträgt der Stromverbrauch des Chips etwa 200 bis 400 μA, und der niedrigste Stromverbrauch im Taktabschaltmodus beträgt nur 0,1 μA. Da die Funktionsmodule, die bei laufendem System geöffnet werden, unterschiedlich sind, werden drei verschiedene Arbeitsmodi verwendet: Standby, Betrieb und Ruhezustand, wodurch der Stromverbrauch des Systems effektiv reduziert wird.

Das System verwendet zwei Taktsysteme; das Basistaktsystem und das Digitally Controlled Oscillator (DCO)-Taktsystem, das einen externen Quarzoszillator (32.768 Hz) verwendet. Nach dem Power-On-Reset startet DCOCLK zunächst die MCU (Microprogrammed Control Unit), um sicherzustellen, dass das Programm an der richtigen Position ausgeführt wird und der Quarzoszillator über ausreichend Start- und Stabilisierungszeit verfügt. Die Software kann dann die entsprechenden Registersteuerbits setzen, um die endgültige Systemtaktfrequenz zu bestimmen. Wenn der Quarzoszillator ausfällt, wenn er als MCU-Takt MCLK verwendet wird, startet der DCO automatisch, um den normalen Betrieb des Systems sicherzustellen; Läuft das Programm ab, kann es mit einem Watchdog zurückgesetzt werden. Dieses Design verwendet den On-Chip-Peripheriemodul-Watchdog (WDT), den Analogkomparator A, den Timer A (Timer_A), den Timer B (Timer_B), den seriellen Port USART, den Hardware-Multiplikator, 10-Bit/12-Bit-ADC, SPI-Bus usw . .

1.2 HF-Schaltung

Die RadiofrequenzTeil verwendet den CC1020 von TI als Funkfrequenz-Steuereinheit. Dieser Chip ist der branchenweit erste echte Single-Chip-Schmalband-Ultrahochfrequenz-Transceiver. Es verfügt über drei Modulationsmodi: FSK/GFSK/OOK. Der minimale Kanalabstand beträgt 50 kHz, was den Anforderungen von Mehrkanalanwendungen gerecht werden kann. Strenge Anforderungen für Schmalbandanwendungen (Frequenzbänder 402–470 MHz und 804–94 MHz), mehrere Betriebsfrequenzbänder können frei umgeschaltet werden und die Betriebsspannung beträgt 2,3 ~ 3,6 V. Es eignet sich sehr gut für die Integration und Erweiterung in mobile Geräte zur Verwendung als drahtlose Datenübertragung oder elektronische Tags. Der Chip entspricht den Spezifikationen EN300 220.ARIB STD-T67 und FCC CFR47 Teil15.

Wählen Sie als Arbeitsfrequenzband die Trägerfrequenz 430 MHz. Dieses Frequenzband ist das ISM-Band und entspricht den Standards des National Wireless Management Committee. Es ist nicht erforderlich, einen Frequenzpunkt zu beantragen. Dank der FSK-Modulationsmethode verfügt es über eine hohe Entstörungsfähigkeit und eine niedrige Bitfehlerrate. Es nutzt die Vorwärtsfehlerkorrektur-Kanalcodierungstechnologie, um die Fähigkeit der Daten zu verbessern, Burst-Interferenzen und zufälligen Interferenzen zu widerstehen. Die Bitfehlerrate des Kanals beträgt 10-2. Die tatsächliche Bitfehlerrate kann zwischen 10-5 und 10-6 liegen. Die Datenübertragungsentfernung kann bei Sichtverbindung im offenen Feld, einer Baudrate von 2 A Kbs und einer großen Saugnapfantenne (Länge 2 m, Gewinn 7,8 dB, Höhe 2 m über dem Boden) bis zu 800 m betragen. Die Standardkonfiguration dieses HF-Chips kann 8 Kanäle bereitstellen, um verschiedene Kommunikationskombinationsmethoden zu erfüllen. Durch den Einsatz der Schmalband-Kommunikationstechnologie werden Kommunikationsstabilität und Anti-Interferenz verbessert. Das schematische Diagramm des Hochfrequenzteils ist in Abbildung 3 dargestellt.

1.3 Stromversorgung des Systems

Der Stromversorgungsteil des Systems wird von einer Kombination aus Photovoltaikzellen als tägliche Stromversorgung und einer Lithium-Unterbatterie als Backup-Batterie gespeist. Das Aufladen der Energiespeicherbatterie durch Solarenergie bei guten Lichtverhältnissen und die Sicherstellung einer bestimmten Beleuchtungszeit jeden Tag kann grundsätzlich den täglichen Arbeitsbedarf der OBU decken, wodurch die Lebensdauer der Backup-Batterie erheblich verlängert und gleichzeitig die Lebensdauer verlängert wird der OBU. Es eignet sich für Fahrzeuge, die häufig im Freien fahren, und kann ausreichend Sonnenlicht sammeln, damit die Photovoltaikzellen funktionieren.

1.4 Systementwicklungsumgebung

Die Systementwicklungsumgebung ist wie folgt:

1) IAR Embedded Workbench formSP430-Compiler;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi-Leiterplatten-Designtool.

2. Systemprogrammierung

Das Programm ist modular aufgebaut und in der Sprache C geschrieben. Es besteht hauptsächlich aus 4 Teilen: Hauptprogrammmodul, Kommunikationsprogrammmodul, Peripherieschaltkreisverarbeitungsmodul, Interrupt- und Speichermodul. Das Hauptprogramm vervollständigt hauptsächlich die Initialisierung der Steuereinheit, die Konfiguration verschiedener Parameter, die Konfiguration und Initialisierung jedes Peripheriemoduls usw.; Das Kommunikationsprogrammmodul kümmert sich hauptsächlich um die Konfiguration des HF-Chips und die Verarbeitung des 433-MHz-Transceivers. Das Peripherieschaltkreis-Verarbeitungsmodul verwaltet hauptsächlich die externe LED-Anzeige und die Spannung des Systems. Erkennung und akustische Eingabeaufforderungen werden durch Tastenanschläge und andere Verarbeitungsschritte verarbeitet. Das Interrupt- und Speichermodul kümmert sich hauptsächlich um Systeminterrupts und die Datensatzspeicherung. Der Hauptprogrammablauf ist in Abbildung 4 dargestellt.

3 RF-Kommunikationsprozess

Der Kommunikationsprozess zwischen OBU und BSS ist in drei Schritte unterteilt: Verbindungsaufbau, Informationsaustausch und Verbindungsfreigabe, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Automotive-RFID-System mit drahtloser Kommunikationstechnologie für kurze Entfernungen

Schritt 1: Stellen Sie eine Verbindung her. Die Koordinateninformationen des OBU-Standorts und sein ID-Code werden über voreingestellte Parameter im Flash der Steuereinheit MCU gespeichert und für lange Zeit gespeichert. Das BSS (Basisstationssystem) verwendet den Downlink, um zyklisch Positionierungsinformationen (Basisstationsidentifikationsrahmensteuerung) an die OBU zu senden und zu senden, die Rahmenstruktursynchronisationsinformationen und Datenverbindungssteuerungsinformationen zu bestimmen und den Aufbau einer Verbindung nach der OBU anzufordern im effektiven Kommunikationsbereich aktiviert ist. Bestätigen Sie die Gültigkeit und senden Sie Antwortinformationen an die entsprechende OBU, andernfalls antwortet diese nicht;

Schritt 2: Informationsaustausch. Dieses Design verwendet die Methode der Erkennung der Stärke des Funkfrequenzsignals, um festzustellen, ob die OBU den Servicebereich betreten hat. Wenn die erkannte Signalstärke groß istr als die Hälfte des maximalen Signals implementieren die sendende und empfangende Partei einen drahtlosen Handshake. Zu diesem Zeitpunkt wird davon ausgegangen, dass die OBU den Servicebereich betreten hat. Bezirk. In dieser Phase müssen alle Frames die Private-Link-Identifikation der OBU tragen und eine Fehlerkontrolle implementieren. Für die Beurteilung der OBU vor- und nachgeLagert können Sie anhand der ID-Nummer feststellen, ob sie zum selben System gehört. OBUs mit ID-Nummern, die nicht demselben System entsprechen, werden automatisch aus dem Datensatz gelöscht. Die OBU verwendet einen Frequenzsprungmechanismus beim Melden von Informationen und wählt zufällig einen festen Kanal im Servicebereich für die Handshake-Kommunikation aus, um eine Kanalüberlastung zu verhindern.

Schritt 3: Lösen Sie die Verbindung. Wenn die Stärke des Erkennungssignals weniger als die Hälfte der maximalen Stärke beträgt, wird davon ausgegangen, dass das Fahrzeug die Station verlassen hat. Nachdem RSU und OBU alle Anwendungen abgeschlossen haben, löschen sie die Verbindungskennung und geben einen dedizierten Befehl zur Freigabe der Kommunikationsverbindung aus. Der Verbindungsfreigabe-Timer gibt die Verbindung entsprechend der Anwendungsdienstbestätigung frei.

4. Entwicklung des Kommunikationsprozesses zwischen OBU und BSS

Das Kommunikationsprotokoll legt eine dreischichtige einfache Protokollstruktur fest, die auf dem siebenschichtigen Protokollmodell der offenen Systemverbindungsarchitektur basiert, nämlich der physikalischen Schicht, der Datenverbindungsschicht und der Anwendungsschicht.

1) Physikalische Schicht Die physikalische Schicht ist hauptsächlich ein Kommunikationssignalstandard. Da es derzeit weltweit keinen einheitlichen Standard für die drahtlose 433-MHz-Kurzstreckenkommunikation gibt, ist auch die durch verschiedene Standards definierte physikalische Schicht unterschiedlich, wie in Tabelle 1 dargestellt. Abbildung 6 zeigt die Manchester-Kodierungsmethode.

2) Datenverbindungsschicht Die Datenverbindungsschicht steuert den Informationsaustauschprozess zwischen OBU und BSS, den Aufbau und die Freigabe von Datenverbindungsverbindungen, die Definition und Rahmensynchronisierung von Datenrahmen, die Steuerung der Rahmendatenübertragung, die Fehlertoleranzkontrolle und die Daten Übertragung. Die Link-Layer-Steuerung und der Parameteraustausch von Link-Verbindungen werden spezifiziert. Die Datenübertragung erfolgt durch Datenrahmenübertragung, wie in Abbildung 7 dargestellt.

3) Anwendungsschicht Die Anwendungsschicht formuliert Standardbenutzerfunktionsprogramme, definiert das Format von Kommunikationsnachrichten zwischen verschiedenen Anwendungen und stellt eine offene Nachrichtenschnittstelle für Aufrufe durch andere Datenbanken oder Anwendungen bereit.

5. Schlussfolgerung

Das in diesem Artikel entwickelte Radiofrequenz-Identifikationssystem verwendet den stromsparenden MSP430-Mikrocontroller der TI-Serie, der von TI speziell für den geringen Stromverbrauch batteriebetriebener Geräte entwickelt wurde. Der Hochfrequenzchip ist ebenfalls der CC1020 von TI. Es verfügt über eine hohe Integration, eine geringe Größe, einen geringen Stromverbrauch und ist einfach zu installieren. Es eignet sich zum Aufbau parkfreier Überwachungs- und Überwachungssysteme für Fahrzeuge. Die Testergebnisse zeigen, dass bei komplexen Straßenverhältnissen (stark befahrene Straßen) eine effektive Erkennung innerhalb einer Reichweite von 300 m und bei Sichtverbindungsbedingungen innerhalb einer Reichweite von 500 m erreicht werden kann.