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基于短距離無線通訊技術的汽車無線射頻識别系統設計 [2014/9/25]

  本系統是基于數字通信原理、利用集成單芯片窄帶超高頻收發器構建的無線識别系統。闡述了該無線射頻識别系統基本工作原理和硬件設計思路,并給出了 程序設計方案的流程圖。從低功耗、高效識别和實用角度設計适
  本系統是基于數字通信原理、利用集成單芯片窄帶超高頻收發器構建的無線識别系統。闡述了該無線射頻識别系統基本工作原理和硬件設計思路,并給出了 程序設計方案的流程圖。從低功耗、高效識别和實用角度設計适用于車載的射頻識别标簽。測試結果表明,本系統在複雜路面狀況(繁忙路面)的條件下可實現 300m範圍内有效識别,視距條件下可達到500 m範圍有效識别。

  物聯網是指通過各種信息傳感設備,如(液位計物位計物位變送器液位變送器電容式物位計電容式液位計電容式物位變送器電容式液位變送器電容液位計電容物位計液位儀表物位儀表電容液位變送器電容物位變送器液位開關物位開關音叉開關)等傳感器、射頻識别(RFID)技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器、氣體感 應器等各種裝置與技術,實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程,采集其聲、光、電、生物、位置等各種需要的信息,與互聯網結合形成的一個巨大網 絡。其目的是實現物與物、物與人,所有的物品與網絡的連接,方便識别、管理和控制。本項目針對車載物聯網中的數據采集、傳輸與應用的關鍵問題,展開研究, 設計基于短距離無線射頻通信技術的新一代車載射頻識别系統。系統由短距離無線通訊車載單元(On-Board Unit,OBU)和基站系統(Base Station System,BSS)組成一個點對多點無線識别系統(Wireless identification system,WIS),可用于在基站覆蓋範圍内車輛識别和智能導引。

 

  1 系統硬件設計

  系統硬件主要由控制部分、射頻部分和外部擴展應用部分組成。以低功耗MCU為控制單元,集成單芯片窄帶超高頻收發器,内置優化設計天線.采用先進的光伏電池 供電,實理高集成度短距離無線識别射頻終端(OBU)。本終端體積小、功耗低、适甩範圍廣,并且建立開放的協議和标準接口,便于與已有系統或其他系統對接。

  

  1.1 控制電路設計

  控制單元采用業界低功耗應用比較成熟的TI公司生産的MSP430系列,該系列是TI1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信号處理器(Mired Signal Proessor),其針對實際應用需求把許多模拟電路、數字電路和微處理器集成在一個芯片上,提供“單片”解決方案。在WIS系統中OBU和BSS中工作原理相同,所以重點介紹OBU部分設計。

  MSP430F2274的輸入電壓為1.8~3.6V電壓.在1 MHz的時鐘條件下運行時,芯片的耗電在200~400μA左右,時鐘關斷模式的最低功耗隻有0.1μA。由于系統運行時打開的功能模塊不同,采用了待機、運行和休眠3種不同的工作模式,有效地降低了系統功耗。

  系統使用兩種時鐘系統;基本時鐘系統和數字振蕩器時鐘系統(Digitally Controlled Oscillator,DCO),使用一個外部晶體振蕩器(32 768Hz)。在上電複位後,首先由DCOCLK啟動MCU(Microprogrammed Control Unit微程序控制器),以保證程序從正确的位置開始執行,保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩定時間。然後軟件可設量适當的寄存器的控制位來确定最後的系統 時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作MCU時鐘MCLK時發生故障,DCO會自動啟動,以保證系統正常工作;如果程序跑飛,可用看門狗将其複位。本設計使用到 了片上外圍模塊看門狗(WDT)、模拟比較器A、定時器A(Timer_A)、定時器B(Timer_B)、串口USART、硬件乘法器、10位/12位 ADC、SPI總線等。

  1.2 射頻電路

  射頻部分采用TI公司CC1020作為射頻控制單元,該芯片為業界首例真正的單芯片窄帶超高頻收發器,有FSK/GFSK/OOK 3種調制方式,最小通道間隔為50 kHz,可滿足多通道窄帶應用(402~470 MHz以及804~94O MHz頻帶)的嚴格要求,多個工作頻段可自由切換,工作電壓2.3~3.6 V,非常适合集成擴展到移動設備作為無線數傳或電子标簽使用。該芯片遵從EN300 220.ARIB STD-T67以及FCC CFR47 part15規範。
  選擇載頻頻率430 MHz為工作頻段,此頻段為ISM頻段,符合國家無線管理委員會标準,無需申請頻點。采用FSK的調制方式,擁有較高的抗幹擾能力和低誤碼率,采用前向糾 錯信道編碼技術,提高了數據抗突發幹擾和随機幹擾的能力,在信道誤碼率為10-2時,可得到實際誤碼率10-5~10-6。在開闊地視距條件、波特率為 2A Kbs、大吸盤天線(長度2m,增益7.8 dB距離地面高度2m)時數據傳輸距離可達800 m。該RF芯片标準配置可提供8個信道能夠滿足多種通信組合方式。由于采用窄帶通訊技術,增強了通訊穩定性和抗幹擾性。

  

  1.3 系統供電

  系 統供電部分由光伏電池作為日常工作供電和锂亞電池作為備用電池相結合供電方式。在光照較好的條件下通過太陽能給蓄能電池充電,每天保證一定的光照時間可基 本滿足OBU日常工作需要,極大地延長了備用電池的使用壽命,同時延長了OBU的工作壽命。适合經常在室外運行的車輛使用,可采集到充足的陽光供光伏電池 工作。
 1.4 系統開發環境


  系統開發環境如下:1)IAR Embedded Workbench for MSP430編譯器;2)PADS PCB Design Solutions 2007比思電路闆設計工具。


  2 系統程序設計


  程序采用模塊化設計,用C語言編寫。主要由4部分在組成:主程序模塊、通信程序模塊、外圍電路處理模塊、中斷和存儲模塊。主程序主要完成控制單元的初始化、各種參數的配置及各外圍模塊配置和初始化等;通信程序模塊主要處理對RF芯片的配置以及433 MHz收發處理;外圍電路處理模塊主要對系統外部LED指示、電壓檢測、聲音提示以按鍵及其他處理;中斷和存儲模塊主要處理系統中斷和記錄存儲。  


  3 RF通信流程


  OBU與BSS通信流程分為3步:建立鍊接、信息交換和釋放鍊接,如圖5所示。

 


  


  第 1步:建立連接OBU所在位置的坐标信息及其ID碼通過預置參數存儲在控制單元MCU的Flash中,并被長期保存。BSS(基站系統)利用下行鍊路向 OBU循環廣播發送定位(基站識别幀控制)信息,确定幀結構同步信息和數據鍊路控制等信息,進入有效通信區域内的OBU被激活後即請求建立連接和進行有效 性确認并發送響應信息給對應的OBU,否則不響應;

  第2步:信息交換本設計采用探測射頻信号強度大小的方法來确定OBU是否進入服務區,經 探測信号強度大于最大信号的1/2時,收發雙方實現無線握手,此時認為OBU已經進入服務區。在此階段中,所有幀必須帶有OBU的私有鍊路标識,并實施差 錯控制。對于OBU上下行的判斷可以通過ID号來判斷是否屬于同一個系統,不是同一個系統的ID号的OBU從記錄中自動删除。OBU上報信息時采用跳頻機 制,随機選擇所處服務區的某一固定信道進行握手通信,防止發生信道堵塞。  第3步:釋放連接同樣采用探測信号強度小于最大強度的1/2時,認為車子已經離站。RSU與OBU完成所有應用後,删除和鍊路标識,發出專用通信鍊路釋放指令,由連接釋放計時器根據應用服務确認釋放本次連接。

  4 OBU與BSS通訊流程的開發


  通訊協議依據開放系統互聯體系結構七層協議模型建立了三層的簡單協議結構,即物理層、數據鍊路層和應用層。


  1)物理層 物理層主要是通信信遭标準,由于目前國際上尚未形成關于433 MHz短距離無線通訊統一的标準,各種标準定義的物理層也不盡相同,如表1所示。圖6為曼徹斯特編碼方式。

  


  2)數據鍊路層 數據鍊路層控制着OBU與BSS之間的信息交換過程,對數據鍊路連接的建立和釋放,數據幀的定義與幀同步,幀數據傳送的控制、容錯控制、數據鍊路層控制和鍊路連接的參數交換等作了規定。數據傳輸以數據幀傳輸進行。


  3)應用層 應用層制定标準的用戶功能程序,定義各路應用之間通信消息的格式,提供開放的消息接口,供其他數據庫或應用程序調用。


  5 結束語


  本文所設計的射頻識别系統采用TI低功耗系列的MSP430微控制器,是TI公司專門針對電池供電設備低功耗所設計。射頻芯片也為TI公司CC1020,集 成度高,可實現體積小、功耗低、易于安裝,适用于建設車輛免停車監測與監控系統。測試結果顯示在複雜路面狀況(繁忙路面)可實現300 m範圍内有效果識别,視距情況可達到500 m範圍内識别。
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