Hệ thống RFID ô tô với công nghệ truyền thông không dây tầm ngắn

Hệ thống này là hệ thống nhận dạng không dây dựa trên nguyên tắc truyền thông Kỹ thuật số và sử dụng bộ thu phát tần số cực cao băng thông hẹp tích hợp một chip. Nguyên lý làm việc cơ bản và ý tưởng thiết kế phần cứng của hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến được giải thích và đưa ra sơ đồ của sơ đồ thiết kế chương trình. Thiết kế thẻ nhận dạng tần số vô tuyến phù hợp với phương tiện trên quan điểm tiêu thụ điện năng thấp, nhận dạng hiệu quả và thiết thực. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống này có thể đạt được khả năng nhận dạng hiệu quả trong phạm vi 300m trong điều kiện đường phức tạp (điều kiện đường đông đúc) và có thể đạt được khả năng nhận dạng hiệu quả trong phạm vi 500m trong điều kiện tầm nhìn thẳng.

Internet of Things đề cập đến việc thu thập theo thời gian thực bất kỳ thông tin nào cần được theo dõi, thông qua các thiết bị cảm biến thông tin khác nhau, chẳng hạn như cảm biến, công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID), hệ thống định vị toàn cầu, cảm biến hồng ngoại, máy quét laser, cảm biến khí và các thiết bị, công nghệ khác. Việc kết nối và tương tác các đối tượng hoặc quy trình sẽ thu thập nhiều thông tin cần thiết khác nhau như âm thanh, ánh sáng, điện, sinh học, vị trí, v.v. và kết hợp nó với Internet để tạo thành một mạng lưới khổng lồ. Mục đích của nó là nhận ra mối liên hệ giữa đồ vật và đồ vật, đồ vật và con người, đồ vật và mạng lưới, để tạo điều kiện thuận lợi cho việc nhận dạng, quản lý và kiểm soát. Dự án này tập trung vào các vấn đề chính về thu thập, truyền tải và ứng dụng dữ liệu trong Internet of Things trên ô tô, đồng thời thiết kế hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến trên ô tô thế hệ mới dựa trên công nghệ truyền thông tần số vô tuyến không dây tầm ngắn. Hệ thống bao gồm một thiết bị liên lạc không dây khoảng cách ngắn trên bo mạch (On-Board Unit, OBU) và hệ thống trạm gốc (Base Station System, BSS) để tạo thành hệ thống nhận dạng không dây điểm-đa điểm (Hệ thống nhận dạng không dây, WIS), có thể được sử dụng trong vùng phủ sóng của trạm gốc. Nhận dạng xe và hướng dẫn thông minh.

1. Thiết kế phần cứng hệ thống

Phần cứng hệ thống chủ yếu bao gồm phần điều khiển, phần tần số vô tuyến và phần ứng dụng mở rộng bên ngoài. Nó sử dụng MCU công suất thấp làm bộ điều khiển, tích hợp bộ thu phát tần số cực cao băng tần hẹp một chip và có ăng-ten thiết kế tối ưu tích hợp. Nó được cung cấp năng lượng bởi các tế bào quang điện tiên tiến và là thiết bị đầu cuối tần số vô tuyến nhận dạng không dây tầm ngắn (OBU) tích hợp cao. Thiết bị đầu cuối này có kích thước nhỏ, mức tiêu thụ điện năng thấp, khả năng thích ứng rộng và các giao thức mở và giao diện tiêu chuẩn được thiết lập để tạo điều kiện kết nối với các hệ thống hiện có hoặc các hệ thống khác.

1.1 Thiết kế mạch điều khiển

Bộ điều khiển sử dụng dòng MSP430 do TI sản xuất, dòng này tương đối hoàn thiện trong các ứng dụng năng lượng thấp trong công nghiệp. Dòng sản phẩm này là bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp công suất cực thấp 16-bit (Bộ xử lý tín hiệu Mired) được TI tung ra thị trường vào năm 1996. Nó hướng đến các ứng dụng thực tế. Yêu cầu ứng dụng tích hợp nhiều mạch tương tự, mạch kỹ thuật số và bộ vi xử lý trên một chip để cung cấp cấu hình "nguyên khối" giải pháp. Trong hệ thống WIS, nguyên lý hoạt động của OBU và BSS là giống nhau nên chúng tôi tập trung vào việc thiết kế bộ phận OBU.

Điện áp đầu vào của MSP430F2274 là 1,8 ~ 3,6V. Khi chạy ở điều kiện xung nhịp 1mHz, mức tiêu thụ điện năng của chip khoảng 200 ~ 400μA và mức tiêu thụ điện năng thấp nhất ở chế độ tắt đồng hồ chỉ là 0,1μA. Do các mô-đun chức năng được mở khi hệ thống đang chạy là khác nhau nên ba chế độ làm việc khác nhau là chờ, chạy và ngủ đông được áp dụng, giúp giảm mức tiêu thụ điện năng của hệ thống một cách hiệu quả.

Hệ thống sử dụng hai hệ thống đồng hồ; hệ thống đồng hồ cơ bản và hệ thống đồng hồ Bộ tạo dao động điều khiển kỹ thuật số (DCO), sử dụng bộ tạo dao động tinh thể bên ngoài (32 768Hz). Sau khi khởi động lại nguồn, DCOCLK trước tiên khởi động MCU (Bộ điều khiển vi lập trình) để đảm bảo rằng chương trình bắt đầu thực thi từ đúng vị trí và bộ tạo dao động tinh thể có đủ thời gian khởi động và ổn định. Sau đó, phần mềm có thể đặt các bit điều khiển thanh ghi thích hợp để xác định tần số xung nhịp cuối cùng của hệ thống. Nếu bộ dao động tinh thể bị lỗi khi được sử dụng làm đồng hồ MCU MCLK, DCO sẽ tự động khởi động để đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường; nếu chương trình chạy mất, có thể sử dụng cơ quan giám sát để thiết lập lại nó. Thiết kế này sử dụng cơ quan giám sát mô-đun ngoại vi trên chip (WDT), bộ so sánh tương tự A, bộ định thời A (Timer_A), bộ định thời B (Timer_B), cổng nối tiếp USART, hệ số nhân phần cứng, ADC 10 bit/12 bit, bus SPI, v.v. .

1.2 mạch RF

Tần số vô tuyếnbộ phận sử dụng CC1020 của TI làm bộ điều khiển tần số vô tuyến. Con chip này là bộ thu phát siêu cao tần đơn chip thực sự đầu tiên trong ngành. Nó có ba chế độ điều chế: FSK/GFSK/OOK. Khoảng cách kênh tối thiểu là 50 kHz, có thể đáp ứng nhu cầu đa kênh. Yêu cầu nghiêm ngặt đối với các ứng dụng băng thông hẹp (dải tần 402 ~ 470mHz và 804 ~ 94OmHz), nhiều dải tần hoạt động có thể được chuyển đổi tự do và điện áp hoạt động là 2,3 ~ 3.6 V. Nó rất thích hợp để tích hợp và mở rộng vào các thiết bị di động để sử dụng làm truyền dữ liệu không dây hoặc thẻ điện tử. Con chip này tuân thủ các thông số kỹ thuật EN300 220.ARIB STD-T67 và FCC CFR47 part15.

Chọn tần số sóng mang 430 MHz làm dải tần làm việc. Dải tần này là băng tần ISM và tuân thủ các tiêu chuẩn của Ủy ban quản lý mạng vô tuyến quốc gia. Không cần phải xin điểm tần số. Sử dụng phương pháp điều chế FSK, nó có khả năng chống nhiễu cao và tỷ lệ lỗi bit thấp. Nó áp dụng công nghệ mã hóa kênh sửa lỗi chuyển tiếp để cải thiện khả năng chống nhiễu liên tục và nhiễu ngẫu nhiên của dữ liệu. Tỷ lệ lỗi bit của kênh là 10-2 Khi đó, tỷ lệ lỗi bit thực tế có thể đạt được từ 10-5 đến 10-6. Khoảng cách truyền dữ liệu có thể đạt tới 800m trong điều kiện tầm nhìn trong trường mở, tốc độ truyền 2A Kbs và ăng-ten cốc hút lớn (dài 2m, tăng 7,8 dB, cao 2m so với mặt đất). Cấu hình tiêu chuẩn của chip RF này có thể cung cấp 8 kênh để đáp ứng các phương thức kết hợp truyền thông khác nhau. Do sử dụng công nghệ truyền thông băng thông hẹp, độ ổn định truyền thông và khả năng chống nhiễu được nâng cao. Sơ đồ nguyên lý của phần tần số vô tuyến được thể hiện trong Hình 3.

1.3 Nguồn điện hệ thống

Phần cung cấp năng lượng của hệ thống được cung cấp năng lượng từ sự kết hợp của các tế bào quang điện làm nguồn cung cấp năng lượng hàng ngày và pin phụ lithium làm pin dự phòng. Sạc pin lưu trữ năng lượng bằng năng lượng mặt trời trong điều kiện ánh sáng tốt, đảm bảo thời gian chiếu sáng nhất định mỗi ngày về cơ bản có thể đáp ứng nhu cầu làm việc hàng ngày của OBU, giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin dự phòng, đồng thời kéo dài tuổi thọ làm việc của OBU. Nó phù hợp cho các phương tiện thường xuyên hoạt động ngoài trời và có thể thu đủ ánh sáng mặt trời để tế bào quang điện hoạt động.

1.4 Môi trường phát triển hệ thống

Môi trường phát triển hệ thống như sau:

1) Trình biên dịch IAR Embedded Workbench formSP430;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Công cụ thiết kế bảng mạch Bisi.

2. Lập trình hệ thống

Chương trình áp dụng thiết kế mô-đun và được viết bằng ngôn ngữ C. Nó chủ yếu bao gồm 4 phần: mô-đun chương trình chính, mô-đun chương trình truyền thông, mô-đun xử lý mạch ngoại vi, mô-đun ngắt và lưu trữ. Chương trình chính chủ yếu hoàn thành việc khởi tạo bộ điều khiển, cấu hình các tham số khác nhau, cấu hình và khởi tạo từng mô-đun ngoại vi, v.v.; mô-đun chương trình truyền thông chủ yếu xử lý cấu hình của chip RF và xử lý bộ thu phát 433 MHz; mô-đun xử lý mạch ngoại vi chủ yếu xử lý đèn LED bên ngoài và điện áp của hệ thống. Việc phát hiện, nhắc nhở bằng âm thanh được xử lý bằng cách nhấn phím và xử lý khác; mô-đun lưu trữ và ngắt chủ yếu xử lý các ngắt hệ thống và lưu trữ bản ghi. Luồng chương trình chính được thể hiện trong Hình 4.

3 quá trình truyền thông RF

Quá trình liên lạc giữa OBU và BSS được chia thành ba bước: thiết lập liên kết, trao đổi thông tin và giải phóng liên kết, như trong Hình 5.

Hệ thống RFID ô tô với công nghệ truyền thông không dây tầm ngắn

Bước 1: Thiết lập kết nối. Thông tin tọa độ của vị trí OBU và mã ID của nó được lưu trữ trong Flash của bộ điều khiển MCU thông qua các tham số cài sẵn và được lưu trong thời gian dài. BSS (Hệ thống trạm gốc) sử dụng đường xuống để phát quảng bá theo chu kỳ và gửi thông tin định vị (điều khiển khung nhận dạng trạm gốc) đến OBU, xác định thông tin đồng bộ hóa cấu trúc khung và thông tin điều khiển liên kết dữ liệu, đồng thời yêu cầu thiết lập kết nối sau OBU trong khu vực giao tiếp hiệu quả được kích hoạt. Xác nhận tính hợp lệ và gửi thông tin phản hồi đến OBU tương ứng, nếu không nó sẽ không phản hồi;

Bước 2: Trao đổi thông tin. Thiết kế này sử dụng phương pháp phát hiện cường độ tín hiệu tần số vô tuyến để xác định xem OBU đã vào vùng dịch vụ hay chưa. Khi cường độ tín hiệu được phát hiện lớn hơnr hơn 1/2 tín hiệu tối đa, bên gửi và bên nhận sẽ thực hiện bắt tay không dây. Lúc này, OBU được coi là đã vào vùng phục vụ. huyện. Trong giai đoạn này, tất cả các khung phải mang nhận dạng liên kết riêng của OBU và thực hiện kiểm soát lỗi. Để đánh giá OBU ngược dòng và hạ lưu, bạn có thể sử dụng số ID để xác định xem nó có thuộc cùng một hệ thống hay không. OBU có số ID không cùng hệ thống sẽ tự động bị xóa khỏi hồ sơ. OBU sử dụng cơ chế nhảy tần khi báo cáo thông tin và chọn ngẫu nhiên một kênh cố định trong vùng dịch vụ để liên lạc bắt tay nhằm tránh tắc nghẽn kênh.

Bước 3: Ngắt kết nối. Khi cường độ tín hiệu phát hiện nhỏ hơn 1/2 cường độ tối đa, ô tô được coi là đã rời khỏi trạm. Sau khi RSU và OBU hoàn thành tất cả các ứng dụng, chúng sẽ xóa mã định danh liên kết và đưa ra lệnh giải phóng liên kết truyền thông chuyên dụng. Bộ hẹn giờ giải phóng kết nối sẽ giải phóng kết nối theo xác nhận dịch vụ ứng dụng.

4. Xây dựng quy trình giao tiếp giữa OBU và BSS

Giao thức truyền thông thiết lập cấu trúc giao thức đơn giản ba lớp dựa trên mô hình giao thức bảy lớp của kiến trúc kết nối hệ thống mở, cụ thể là lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu và lớp ứng dụng.

1) Lớp vật lý Lớp vật lý chủ yếu là một chuẩn tín hiệu truyền thông. Do hiện tại không có tiêu chuẩn thống nhất cho giao tiếp không dây khoảng cách ngắn 433mHz trên thế giới nên lớp vật lý được xác định theo các tiêu chuẩn khác nhau cũng khác nhau, như được hiển thị trong Bảng 1. Hình 6 cho thấy phương pháp mã hóa Manchester.

2) Lớp liên kết dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu kiểm soát quá trình trao đổi thông tin giữa OBU và BSS, thiết lập và giải phóng các kết nối liên kết dữ liệu, định nghĩa và đồng bộ hóa khung của các khung dữ liệu, điều khiển truyền dữ liệu khung, kiểm soát khả năng chịu lỗi và dữ liệu. quá trình lây truyền. Kiểm soát lớp liên kết và trao đổi tham số của các kết nối liên kết được chỉ định. Việc truyền dữ liệu được thực hiện bằng cách truyền khung dữ liệu, như trong Hình 7.

3) Lớp ứng dụng Lớp ứng dụng xây dựng các chương trình chức năng người dùng tiêu chuẩn, xác định định dạng của các tin nhắn liên lạc giữa các ứng dụng khác nhau và cung cấp giao diện tin nhắn mở cho các cuộc gọi của cơ sở dữ liệu hoặc ứng dụng khác.

5. Kết luận

Hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến được thiết kế trong bài viết này sử dụng bộ vi điều khiển MSP430 dòng công suất thấp của TI, được TI thiết kế đặc biệt để tiêu thụ điện năng thấp cho thiết bị chạy bằng pin. Chip tần số vô tuyến cũng là CC1020 của TI. Nó có khả năng tích hợp cao, có thể đạt được kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp và dễ lắp đặt. Nó phù hợp để xây dựng hệ thống giám sát và giám sát không đỗ xe. Kết quả thử nghiệm cho thấy trong điều kiện đường phức tạp (đường đông đúc), có thể đạt được khả năng nhận dạng hiệu quả trong phạm vi 300m và trong điều kiện tầm nhìn, có thể đạt được khả năng nhận dạng trong phạm vi 500m.