نظام RFID للسيارات مع تقنية الاتصالات اللاسلكية قصيرة المدى

هذا النظام عبارة عن نظام تعريف لاسلكي يعتمد على مبدأ الاتصال الرقمي ويستخدم جهاز إرسال واستقبال متكامل ذو شريحة واحدة ضيقة النطاق وفائقة التردد. يتم شرح مبدأ العمل الأساسي وأفكار تصميم الأجهزة لنظام تحديد الترددات الراديوية، ويتم تقديم مخطط تدفق مخطط تصميم البرنامج. تصميم علامات تعريف الترددات الراديوية المناسبة للمركبات من منظور استهلاك الطاقة المنخفض والتحديد الفعال والتطبيق العملي. تظهر نتائج الاختبار أن هذا النظام يمكنه تحقيق التعرف الفعال ضمن نطاق 300 متر في ظل ظروف الطريق المعقدة (ظروف الطريق المزدحمة)، ويمكنه تحقيق التعرف الفعال ضمن نطاق 500 متر تحت ظروف خط البصر.

يشير إنترنت الأشياء إلى جمع أي معلومات تحتاج إلى مراقبتها في الوقت الفعلي، من خلال معدات استشعار المعلومات المختلفة، مثل أجهزة الاستشعار، وتقنية تحديد الترددات الراديوية (RFID)، وأنظمة تحديد المواقع العالمية، وأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء، وماسحات الليزر، وأجهزة استشعار الغاز. وغيرها من الأجهزة والتقنيات. إن ربط الأشياء أو العمليات وتفاعلها يجمع مختلف المعلومات المطلوبة مثل الصوت والضوء والكهرباء والأحياء والموقع وما إلى ذلك، ويجمعها مع الإنترنت لتكوين شبكة ضخمة. والغرض منه هو تحقيق العلاقة بين الأشياء والأشياء، والأشياء والأشخاص، وكل الأشياء والشبكة، وذلك لتسهيل التحديد والإدارة والتحكم. يركز هذا المشروع على القضايا الرئيسية المتعلقة بجمع البيانات ونقلها وتطبيقها في إنترنت الأشياء للمركبة، ويصمم جيلًا جديدًا من نظام تحديد الترددات الراديوية للمركبة استنادًا إلى تكنولوجيا الاتصالات بترددات الراديو اللاسلكية قصيرة المدى. يتكون النظام من وحدة اتصال لاسلكية قصيرة المدى على متن الطائرة (On-Board Unit, OBU) ونظام محطة قاعدة (Base Station System, BSS) لتشكيل نظام تعريف لاسلكي من نقطة إلى عدة نقاط (نظام تحديد الهوية اللاسلكي، WIS)، والتي يمكن استخدامها داخل منطقة تغطية المحطة الأساسية. تحديد المركبة والتوجيه الذكي.

1. تصميم أجهزة النظام

تتكون أجهزة النظام بشكل أساسي من جزء التحكم وجزء التردد اللاسلكي وجزء تطبيق التوسع الخارجي. يستخدم وحدة MCU منخفضة الطاقة كوحدة تحكم، ويدمج جهاز إرسال واستقبال عالي التردد ضيق النطاق ذو شريحة واحدة، ويحتوي على هوائي تصميم محسّن مدمج. يتم تشغيله بواسطة الخلايا الكهروضوئية المتقدمة وهو عبارة عن محطة ترددات راديوية متكاملة للغاية لتحديد الهوية اللاسلكية قصيرة المدى (OBU). تتميز هذه المحطة بحجم صغير واستهلاك منخفض للطاقة وقدرة على التكيف على نطاق واسع وبروتوكولات مفتوحة وواجهات قياسية لتسهيل الالتحام مع الأنظمة الحالية أو الأنظمة الأخرى.

1.1 تصميم دوائر التحكم

تعتمد وحدة التحكم سلسلة MSP430 التي تنتجها TI، وهي ناضجة نسبيًا في التطبيقات منخفضة الطاقة في الصناعة. هذه السلسلة عبارة عن معالج إشارات مختلطة منخفض الطاقة للغاية 16 بت (Mired Signal Processor) أطلقته TI في السوق في عام 1996. وهو يهدف إلى التطبيقات العملية. تدمج متطلبات التطبيق العديد من الدوائر التناظرية والدوائر الرقمية والمعالجات الدقيقة على شريحة واحدة لتوفير حل "متجانس". في نظام WIS، تكون مبادئ عمل OBU وBSS هي نفسها، لذلك نركز على تصميم جزء OBU.

جهد الإدخال لـ MSP430F2274 هو 1.8 ~ 3.6 فولت. عند التشغيل تحت حالة الساعة 1 ميجاهرتز، يكون استهلاك الطاقة للرقاقة حوالي 200~400μA، وأقل استهلاك للطاقة في وضع إيقاف تشغيل الساعة هو 0.1μA فقط. نظرًا لأن الوحدات الوظيفية التي يتم فتحها أثناء تشغيل النظام مختلفة، فقد تم اعتماد ثلاثة أوضاع عمل مختلفة وهي الاستعداد والتشغيل والإسبات، مما يقلل بشكل فعال من استهلاك طاقة النظام.

يستخدم النظام نظامين للساعة؛ نظام الساعة الأساسي ونظام الساعة المذبذب الذي يتم التحكم فيه رقميًا (DCO)، والذي يستخدم مذبذب بلوري خارجي (32768 هرتز). بعد إعادة ضبط التشغيل، يقوم DCOCLK أولاً بتشغيل MCU (وحدة التحكم المبرمجة ميكروما) للتأكد من أن البرنامج يبدأ في التنفيذ من الموضع الصحيح وأن المذبذب البلوري لديه وقت كافٍ لبدء التشغيل والتثبيت. يمكن للبرنامج بعد ذلك ضبط بتات التحكم في التسجيل المناسبة لتحديد تردد ساعة النظام النهائي. إذا فشل المذبذب البلوري عند استخدامه كساعة MCLK لساعة MCU، فسيبدأ DCO تلقائيًا لضمان التشغيل العادي للنظام؛ إذا هرب البرنامج، يمكن استخدام جهة رقابية لإعادة ضبطه. يستخدم هذا التصميم وحدة مراقبة الوحدة الطرفية على الرقاقة (WDT)، والمقارنة التناظرية A، والمؤقت A (Timer_A)، والمؤقت B (Timer_B)، والمنفذ التسلسلي USART، ومضاعف الأجهزة، وADC 10 بت/12 بت، وحافلة SPI، وما إلى ذلك . .

1.2 دائرة الترددات اللاسلكية

يستخدم جزء التردد اللاسلكي CC1020 من TI كوحدة التحكم في تردد الراديو. هذه الشريحة هي أول جهاز إرسال واستقبال حقيقي ذو شريحة واحدة وضيق النطاق وفائق التردد في الصناعة. لديها ثلاثة أوضاع تعديل: FSK/GFSK/OOK. الحد الأدنى لتباعد القنوات هو 50 كيلو هرتز، وهو ما يمكنه تلبية احتياجات القنوات المتعددة

متطلبات صارمة لتطبيقات النطاق الضيق (نطاقات التردد 402 ~ 470 ميجا هرتز و804 ~ 94 ميجا هرتز)، يمكن تبديل نطاقات تردد التشغيل المتعددة بحرية، وجهد التشغيل هو 2.3 ~ 3.6 فولت. وهو مناسب جدًا للتكامل والتوسع في الأجهزة المحمولة للاستخدام مثل نقل البيانات لاسلكيًا أو العلامات الإلكترونية. تتوافق الشريحة مع مواصفات EN300 220.ARIB STD-T67 وFCC CFR47 Part15.

حدد تردد الناقل 430 ميجا هرتز كنطاق تردد العمل. نطاق التردد هذا هو نطاق ISM ويتوافق مع معايير اللجنة الوطنية لإدارة الاتصالات اللاسلكية. ليست هناك حاجة لتقديم طلب للحصول على نقطة تردد. باستخدام طريقة تعديل FSK، فهو يتمتع بقدرة عالية على مقاومة التداخل ومعدل خطأ منخفض. إنها تعتمد تقنية ترميز قناة تصحيح الأخطاء الأمامية لتحسين قدرة البيانات على مقاومة تداخل الاندفاع والتداخل العشوائي. معدل خطأ بتات القناة هو 10-2 عندما يمكن الحصول على معدل خطأ البت الفعلي من 10-5 إلى 10-6. يمكن أن تصل مسافة نقل البيانات إلى 800 متر في ظل ظروف خط البصر في مجال مفتوح، ومعدل باود يبلغ 2 أمبير كيلو بايت في الثانية، وهوائي كبير بكأس الشفط (طول 2 متر، كسب 7.8 ديسيبل، ارتفاع 2 متر فوق الأرض). التكوين القياسي لرقاقة RF هذه يمكن أن يوفر 8 قنوات لتلبية طرق مجموعة الاتصالات المختلفة. بسبب استخدام تكنولوجيا الاتصالات ذات النطاق الضيق، يتم تعزيز استقرار الاتصالات ومكافحة التدخل. يظهر الرسم التخطيطي لجزء التردد الراديوي في الشكل 3.

1.3 نظام إمدادات الطاقة

يتم تشغيل جزء مصدر الطاقة في النظام من خلال مجموعة من الخلايا الكهروضوئية كمصدر طاقة يومي وبطارية ليثيوم فرعية كبطارية احتياطية. شحن بطارية تخزين الطاقة من خلال الطاقة الشمسية في ظل ظروف إضاءة جيدة، مما يضمن وقت إضاءة معين كل يوم يمكن أن يلبي بشكل أساسي احتياجات العمل اليومية لـ OBU، مما يزيد بشكل كبير من عمر خدمة البطارية الاحتياطية، وفي نفس الوقت يطيل عمر العمل من OBU. إنها مناسبة للمركبات التي تعمل غالبًا في الهواء الطلق ويمكنها جمع ما يكفي من ضوء الشمس لتشغيل الخلايا الكهروضوئية.

1.4 بيئة تطوير النظام

بيئة تطوير النظام هي كما يلي:

1) مترجم IAR Embedded Workbench formSP430؛

2) PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi أداة تصميم لوحة الدوائر.

2. برمجة النظام

يعتمد البرنامج تصميمًا معياريًا وهو مكتوب بلغة C. وهو يتألف بشكل رئيسي من 4 أجزاء: وحدة البرنامج الرئيسية، وحدة برنامج الاتصالات، وحدة معالجة الدوائر الطرفية، وحدة المقاطعة والتخزين. يكمل البرنامج الرئيسي بشكل أساسي تهيئة وحدة التحكم، وتكوين المعلمات المختلفة، وتكوين وتهيئة كل وحدة طرفية، وما إلى ذلك؛ تتعامل وحدة برنامج الاتصال بشكل أساسي مع تكوين شريحة التردد اللاسلكي ومعالجة جهاز الإرسال والاستقبال بتردد 433 ميجاهرتز؛ تتعامل وحدة معالجة الدوائر الطرفية بشكل أساسي مع مؤشر LED الخارجي والجهد الخاص بالنظام. الكشف، تتم معالجة المطالبات الصوتية عن طريق ضغطات المفاتيح والمعالجة الأخرى؛ تتعامل وحدة المقاطعة والتخزين بشكل أساسي مع مقاطعات النظام وتخزين السجلات. يظهر تدفق البرنامج الرئيسي في الشكل 4.

3 عملية الاتصال RF

تنقسم عملية الاتصال بين OBU وBSS إلى ثلاث خطوات: إنشاء الرابط وتبادل المعلومات وإصدار الرابط، كما هو موضح في الشكل 5.

نظام RFID للسيارات مع تقنية الاتصالات اللاسلكية قصيرة المدى

الخطوة 1: إنشاء اتصال. يتم تخزين المعلومات الإحداثية لموقع OBU ورمز التعريف الخاص به في فلاش وحدة التحكم MCU من خلال معلمات محددة مسبقًا ويتم حفظها لفترة طويلة. يستخدم BSS (نظام المحطة الأساسية) الوصلة الهابطة للبث الدوري وإرسال معلومات تحديد الموقع (التحكم في إطار تعريف المحطة الأساسية) إلى OBU، وتحديد معلومات مزامنة بنية الإطار ومعلومات التحكم في رابط البيانات، وطلب إنشاء اتصال بعد OBU في منطقة الاتصال الفعال يتم تفعيلها. تأكيد الصلاحية وإرسال معلومات الرد إلى OBU المقابل، وإلا فلن يستجيب؛

الخطوة الثانية: تبادل المعلومات. يستخدم هذا التصميم طريقة اكتشاف قوة إشارة التردد اللاسلكي لتحديد ما إذا كانت وحدة OBU قد دخلت منطقة الخدمة. عندما تكون قوة الإشارة المكتشفة أكبر من 1/2 من الحد الأقصى للإشارة، تقوم الأطراف المرسلة والمستقبلة بتنفيذ مصافحة لاسلكية. في هذا الوقت، يعتبر OBU قد دخل إلى منطقة الخدمة. يصرف. في هذه المرحلة، يجب أن تحمل كافة الإطارات تعريف الارتباط الخاص بـ OBU وتنفيذ التحكم في الأخطاء. بالنسبة لحكم OBU المنبع والمصب، يمكنك استخدام رقم المعرف لتحديد ما إذا كان ينتمي إلى نفس النظام. سيتم حذف وحدات OBU التي لها أرقام معرفات ليست نفس النظام تلقائيًا من السجل. يستخدم OBU آلية قفز التردد عند الإبلاغ عن المعلومات ويختار عشوائيًا قناة ثابتة في منطقة الخدمة للاتصال بالمصافحة لمنع القناة

ل. الازدحام.

الخطوة 3: حرر الاتصال. عندما تكون قوة إشارة الكشف أقل من نصف القوة القصوى، تعتبر السيارة قد غادرت المحطة. بعد إكمال RSU وOBU لجميع التطبيقات، يقومان بحذف معرف الارتباط وإصدار أمر مخصص لتحرير رابط الاتصال. يقوم مؤقت تحرير الاتصال بتحرير الاتصال وفقًا لتأكيد خدمة التطبيق.

4. تطوير عملية الاتصال بين OBU وBSS

ينشئ بروتوكول الاتصال بنية بروتوكول بسيطة مكونة من ثلاث طبقات استنادًا إلى نموذج البروتوكول المكون من سبع طبقات لبنية التوصيل البيني للنظام المفتوح، وهي الطبقة المادية وطبقة ارتباط البيانات وطبقة التطبيق.

1) الطبقة المادية الطبقة المادية هي في الأساس معيار إشارة الاتصال. نظرًا لعدم وجود معيار موحد حاليًا للاتصالات اللاسلكية قصيرة المدى بتردد 433 ميجاهرتز في العالم، فإن الطبقة المادية المحددة بمعايير مختلفة مختلفة أيضًا، كما هو موضح في الجدول 1. ويبين الشكل 6 طريقة تشفير مانشستر.

2) طبقة ربط البيانات تتحكم طبقة ربط البيانات في عملية تبادل المعلومات بين OBU وBSS، وإنشاء وإصدار اتصالات رابط البيانات، وتعريف إطارات البيانات وتزامنها، والتحكم في نقل بيانات الإطار، والتحكم في تحمل الخطأ، والبيانات الانتقال. تم تحديد التحكم في طبقة الارتباط وتبادل المعلمات لاتصالات الارتباط. يتم نقل البيانات عن طريق نقل إطار البيانات، كما هو مبين في الشكل 7.

3) طبقة التطبيق تقوم طبقة التطبيق بصياغة برامج وظائف المستخدم القياسية، وتحدد تنسيق رسائل الاتصال بين التطبيقات المختلفة، وتوفر واجهة رسائل مفتوحة للمكالمات بواسطة قواعد البيانات أو التطبيقات الأخرى.

5. الخلاصة

يستخدم نظام تحديد التردد اللاسلكي المصمم في هذه المقالة وحدة التحكم الدقيقة MSP430 من سلسلة TI منخفضة الطاقة، والتي تم تصميمها خصيصًا بواسطة TI للاستهلاك المنخفض للطاقة للمعدات التي تعمل بالبطارية. شريحة التردد اللاسلكي هي أيضًا CC1020 من TI. إنه ذو تكامل عالي، ويمكن أن يحقق حجمًا صغيرًا، واستهلاكًا منخفضًا للطاقة، وسهل التثبيت. إنها مناسبة لبناء أنظمة مراقبة ومراقبة خالية من مواقف السيارات. تظهر نتائج الاختبار أنه في ظروف الطريق المعقدة (الطرق المزدحمة)، يمكن تحقيق التعرف الفعال ضمن نطاق 300 متر، وفي ظروف خط البصر، يمكن تحقيق التعرف ضمن نطاق 500 متر.