Système RFID automobile avec technologie de communication sans fil à courte portée

Ce système est un système d'identification sans fil basé sur le principe de la communication numérique et utilisant un émetteur-récepteur ultra-haute fréquence à bande étroite monopuce intégré. Le principe de fonctionnement de base et les idées de conception matérielle du système d'identification par radiofréquence sont expliqués, et le schéma de conception du programme est donné. Concevez des étiquettes d'identification par radiofréquence adaptées aux véhicules du point de vue de la faible consommation d'énergie, de l'identification efficace et de la praticité. Les résultats des tests montrent que ce système peut réaliser une reconnaissance efficace dans une portée de 300 m dans des conditions routières complexes (états routiers très fréquentés) et peut réaliser une reconnaissance efficace dans une portée de 500 m dans des conditions de visibilité directe.

L'Internet des objets fait référence à la collecte en temps réel de toute information devant être surveillée, grâce à divers équipements de détection d'informations, tels que des capteurs, la technologie d'identification par radiofréquence (RFID), des systèmes de positionnement global, des capteurs infrarouges, des scanners laser, des capteurs de gaz et d'autres appareils et technologies. La connexion et l'interaction d'objets ou de processus collectent diverses informations requises telles que le son, la lumière, l'électricité, la biologie, la localisation, etc., et les combinent avec Internet pour former un immense réseau. Son objectif est de réaliser la connexion entre les choses et les choses, les choses et les personnes, et toutes les choses et le réseau, afin de faciliter l'identification, la gestion et le contrôle. Ce projet se concentre sur les questions clés de la collecte, de la transmission et de l'application des données dans l'Internet des objets des véhicules, et conçoit une nouvelle génération de système d'identification par radiofréquence de véhicule basé sur la technologie de communication par radiofréquence sans fil à courte portée. Le système se compose d'une unité embarquée de communication sans fil à courte distance (On-Board Unit, OBU) et d'un système de station de base (Base Station System, BSS) pour former un système d'identification sans fil point à multipoint (Wireless identification system, WIS), qui peut être utilisé dans la zone de couverture de la station de base. Identification du véhicule et guidage intelligent.

1. Conception matérielle du système

Le matériel du système est principalement composé de la partie contrôle, de la partie radiofréquence et de la partie application d'extension externe. Il utilise un microcontrôleur à faible consommation comme unité de contrôle, intègre un émetteur-récepteur ultra-haute fréquence à bande étroite monopuce et dispose d'une antenne de conception optimisée intégrée. Il est alimenté par des cellules photovoltaïques avancées et est un terminal radiofréquence d'identification sans fil à courte portée (OBU) hautement intégré. Ce terminal a une petite taille, une faible consommation d'énergie, une grande adaptabilité et des protocoles ouverts établis et des interfaces standard pour faciliter l'amarrage avec des systèmes existants ou d'autres systèmes.

1.1 Conception du circuit de contrôle

L'unité de contrôle adopte la série MSP430 produite par TI, qui est relativement mature dans les applications à faible consommation dans l'industrie. Cette série est un processeur à signaux mixtes à très faible consommation 16 bits (Mired Signal Processor) lancé par TI sur le marché en 1996. Il est destiné aux applications pratiques. Les exigences d'application intègrent de nombreux circuits analogiques, circuits numériques et microprocesseurs sur une seule puce pour fournir une solution « monolithique ». Dans le système WIS, les principes de fonctionnement de l'OBU et du BSS sont les mêmes, nous nous concentrons donc sur la conception de la partie OBU.

La tension d'entrée du MSP430F2274 est de 1,8 à 3,6 V. Lorsqu'elle fonctionne dans des conditions d'horloge de 1 MHz, la consommation électrique de la puce est d'environ 200 à 400 μA, et la consommation électrique la plus faible en mode d'arrêt d'horloge n'est que de 0,1 μA. Étant donné que les modules fonctionnels ouverts lorsque le système fonctionne sont différents, trois modes de fonctionnement différents de veille, de fonctionnement et d'hibernation sont adoptés, ce qui réduit efficacement la consommation électrique du système.

Le système utilise deux systèmes d'horloge : le système d'horloge de base et le système d'horloge à oscillateur à commande numérique (DCO), qui utilise un oscillateur à cristal externe (32 768 Hz). Après la réinitialisation à la mise sous tension, DCOCLK démarre d'abord le MCU (Microprogrammed Control Unit) pour garantir que le programme commence à s'exécuter à partir de la position correcte et que l'oscillateur à cristal dispose d'un temps de démarrage et de stabilisation suffisant. Le logiciel peut ensuite définir les bits de contrôle de registre appropriés pour déterminer la fréquence d'horloge finale du système. Si l'oscillateur à cristal tombe en panne lorsqu'il est utilisé comme horloge MCU MCLK, le DCO démarre automatiquement pour assurer le fonctionnement normal du système ; si le programme s'emballe, un chien de garde peut être utilisé pour le réinitialiser. Cette conception utilise le module périphérique intégré watchdog (WDT), le comparateur analogique A, le temporisateur A (Timer_A), le temporisateur B (Timer_B), le port série USART, le multiplicateur matériel, l'ADC 10 bits/12 bits, le bus SPI, etc. .

1.2 Circuit RF

La fréquence radioLa partie utilise le CC1020 de TI comme unité de contrôle de fréquence radio. Cette puce est le premier véritable émetteur-récepteur ultra-haute fréquence à bande étroite à puce unique de l'industrie. Il dispose de trois modes de modulation : FSK/GFSK/OOK. L'espacement minimal des canaux est de 50 kHz, ce qui peut répondre aux besoins des applications multicanaux à bande étroite (bandes de fréquences 402~470mHz et 804~94OmHz), plusieurs bandes de fréquences de fonctionnement peuvent être librement commutées et la tension de fonctionnement est de 2,3~3,6 V. Il est très adapté à l'intégration et à l'extension dans des appareils mobiles pour une utilisation comme transmission de données sans fil ou étiquettes électroniques. La puce est conforme aux spécifications EN300 220.ARIB STD-T67 et FCC CFR47 part15.

Sélectionnez la fréquence porteuse 430mHz comme bande de fréquence de travail. Cette bande de fréquence est la bande ISM et est conforme aux normes du National Wireless Management Committee. Il n'est pas nécessaire de demander un point de fréquence. En utilisant la méthode de modulation FSK, il a une capacité anti-interférence élevée et un faible taux d'erreur binaire. Il adopte la technologie de codage de canal de correction d'erreur directe pour améliorer la capacité des données à résister aux interférences en rafale et aux interférences aléatoires. Le taux d'erreur binaire du canal est de 10-2 Lorsque, le taux d'erreur binaire réel peut être obtenu de 10-5 à 10-6. La distance de transmission des données peut atteindre 800 m dans des conditions de visibilité directe en champ libre, un débit en bauds de 2A Kbs et une grande antenne à ventouse (longueur 2 m, gain 7,8 dB, hauteur 2 m au-dessus du sol). La configuration standard de cette puce RF peut fournir 8 canaux pour répondre à diverses méthodes de combinaison de communication. En raison de l'utilisation de la technologie de communication à bande étroite, la stabilité de la communication et l'anti-interférence sont améliorées. Le schéma de principe de la partie radiofréquence est illustré à la figure 3.

1.3 Alimentation du système

La partie alimentation du système est alimentée par une combinaison de cellules photovoltaïques comme alimentation quotidienne et d'une sous-batterie au lithium comme batterie de secours. Le chargement de la batterie de stockage d'énergie par l'énergie solaire dans de bonnes conditions d'éclairage, en garantissant un certain temps d'éclairage chaque jour, peut essentiellement répondre aux besoins de travail quotidiens de l'OBU, prolonger considérablement la durée de vie de la batterie de secours et en même temps prolonger la durée de vie de l'OBU. Il convient aux véhicules qui fonctionnent souvent à l'extérieur et peut collecter suffisamment de lumière solaire pour que les cellules photovoltaïques fonctionnent.

1.4 Environnement de développement système

L'environnement de développement système est le suivant :

1) Compilateur IAR Embedded Workbench formSP430 ;

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Outil de conception de circuits imprimés Bisi.

2. Programmation système

Le programme adopte une conception modulaire et est écrit en langage C. Il est principalement composé de 4 parties : module de programme principal, module de programme de communication, module de traitement de circuit périphérique, module d'interruption et de stockage. Le programme principal effectue principalement l'initialisation de l'unité de commande, la configuration de divers paramètres, la configuration et l'initialisation de chaque module périphérique, etc. Le module de programme de communication gère principalement la configuration de la puce RF et le traitement de l'émetteur-récepteur 433 MHz. Le module de traitement du circuit périphérique gère principalement l'indication LED externe et la tension du système. La détection, les invites sonores sont gérées par des frappes de touches et d'autres traitements. Le module d'interruption et de stockage gère principalement les interruptions du système et le stockage des enregistrements. Le flux du programme principal est illustré à la figure 4.

3 Processus de communication RF

Le processus de communication entre l'OBU et le BSS est divisé en trois étapes : l'établissement de la liaison, l'échange d'informations et la libération de la liaison, comme illustré à la figure 5.

Système RFID automobile avec technologie de communication sans fil à courte portée

Étape 1 : Établir une connexion. Les informations de coordonnées de l'emplacement de l'OBU et son code d'identification sont stockées dans la mémoire Flash de l'unité de commande MCU via des paramètres prédéfinis et sont enregistrées pendant une longue période. Le BSS (Base Station System) utilise la liaison descendante pour diffuser et envoyer de manière cyclique des informations de positionnement (contrôle de trame d'identification de station de base) à l'OBU, déterminer les informations de synchronisation de la structure de trame et les informations de contrôle de liaison de données, et demander l'établissement d'une connexion après l'activation de l'OBU dans la zone de communication effective. Confirmez la validité et envoyez les informations de réponse à l'OBU correspondant, sinon il ne répondra pas ;

Étape 2 : Échange d'informations. Cette conception utilise la méthode de détection de la force du signal radiofréquence pour déterminer si l'OBU est entré dans la zone de service. Lorsque la force du signal détecté est supérieurer plus de la moitié du signal maximum, les parties émettrice et réceptrice mettent en œuvre une poignée de main sans fil. À ce moment, l'OBU est considéré comme étant entré dans la zone de service. district. Dans cette phase, toutes les trames doivent porter l'identification de liaison privée de l'OBU et mettre en œuvre le contrôle des erreurs. Pour le jugement de l'OBU en amont et en aval, vous pouvez utiliser le numéro d'identification pour déterminer s'il appartient au même système. Les OBU avec des numéros d'identification qui ne sont pas du même système seront automatiquement supprimés de l'enregistrement. L'OBU utilise un mécanisme de saut de fréquence lors de la communication des informations et sélectionne au hasard un canal fixe dans la zone de service pour la communication de poignée de main afin d'éviter la congestion du canal.

Étape 3 : Libérez la connexion. Lorsque la force du signal de détection est inférieure à la moitié de la force maximale, la voiture est considérée comme ayant quitté la station. Une fois que le RSU et l'OBU ont terminé toutes les applications, ils suppriment l'identifiant de liaison et émettent une commande de libération de liaison de communication dédiée. Le temporisateur de libération de connexion libère la connexion en fonction de la confirmation du service d'application.

4. Développement du processus de communication entre l'OBU et le BSS

Le protocole de communication établit une structure de protocole simple à trois couches basée sur le modèle de protocole à sept couches de l'architecture d'interconnexion de systèmes ouverts, à savoir la couche physique, la couche de liaison de données et la couche d'application.

1) Couche physique La couche physique est principalement une norme de signal de communication. Comme il n'existe actuellement aucune norme unifiée pour la communication sans fil à courte distance de 433 MHz dans le monde, la couche physique définie par diverses normes est également différente, comme le montre le tableau 1. La figure 6 montre la méthode de codage Manchester.

2) Couche de liaison de données La couche de liaison de données contrôle le processus d'échange d'informations entre l'OBU et le BSS, l'établissement et la libération des connexions de liaison de données, la définition et la synchronisation des trames de données, le contrôle de la transmission des données de trame, le contrôle de la tolérance aux pannes et la transmission des données. Le contrôle de la couche de liaison et l'échange de paramètres des connexions de liaison sont spécifiés. La transmission des données est effectuée par transmission de trame de données, comme illustré à la figure 7.

3) Couche d'application La couche d'application formule des programmes de fonctions utilisateur standard, définit le format des messages de communication entre diverses applications et fournit une interface de message ouverte pour les appels par d'autres bases de données ou applications.

5 Conclusion

Le système d'identification par radiofréquence conçu dans cet article utilise le microcontrôleur MSP430 de la série basse consommation de TI, spécialement conçu par TI pour la faible consommation d'énergie des équipements alimentés par batterie. La puce de radiofréquence est également la CC1020 de TI. Elle présente une intégration élevée, peut atteindre une petite taille, une faible consommation d'énergie et est facile à installer. Elle convient à la construction de systèmes de surveillance et de contrôle sans stationnement de véhicules. Les résultats des tests montrent que dans des conditions routières complexes (routes très fréquentées), une reconnaissance efficace peut être obtenue dans un rayon de 300 m, et dans des conditions de visibilité directe, une reconnaissance peut être obtenue dans un rayon de 500 m.