ระบบ RFID สำหรับรถยนต์พร้อมเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายระยะสั้น

ระบบนี้คือระบบระบุตัวตนแบบไร้สายที่ยึดหลักการสื่อสารแบบดิจิทัลและใช้ตัวรับส่งสัญญาณความถี่สูงพิเศษแบบแนร์โรว์แบนด์แบบชิปตัวเดียวในตัว มีการอธิบายหลักการทำงานพื้นฐานและแนวคิดการออกแบบฮาร์ดแวร์ของระบบระบุความถี่วิทยุ พร้อมแสดงผังงานของโครงร่างการออกแบบโปรแกรม ออกแบบแท็กระบุความถี่วิทยุที่เหมาะสมสำหรับยานพาหนะจากมุมมองของการใช้พลังงานต่ำ การระบุตัวตนที่มีประสิทธิภาพ และการใช้งานจริง ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าระบบนี้สามารถรับรู้ได้อย่างมีประสิทธิภาพภายในระยะ 300 ม. ภายใต้สภาพถนนที่ซับซ้อน (สภาพถนนที่พลุกพล่าน) และสามารถรับรู้ได้อย่างมีประสิทธิภาพภายในระยะ 500 ม. ภายใต้สภาพแนวสายตา

Internet of Things หมายถึงการรวบรวมข้อมูลใดๆ ที่ต้องตรวจสอบแบบเรียลไทม์ผ่านอุปกรณ์ตรวจจับข้อมูลต่างๆ เช่น เซ็นเซอร์ เทคโนโลยีการระบุความถี่วิทยุ (RFID) ระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก เซ็นเซอร์อินฟราเรด สแกนเนอร์เลเซอร์ เซ็นเซอร์ก๊าซ และอุปกรณ์และเทคโนโลยีอื่นๆ การเชื่อมต่อและการโต้ตอบวัตถุหรือกระบวนการรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นต่างๆ เช่น เสียง แสง ไฟฟ้า ชีววิทยา ตำแหน่ง ฯลฯ และรวมเข้ากับอินเทอร์เน็ตเพื่อสร้างเครือข่ายขนาดใหญ่ จุดประสงค์คือเพื่อให้ตระหนักถึงความเชื่อมโยงระหว่างสิ่งของกับสิ่งของ สิ่งของกับผู้คน และสรรพสิ่งและเครือข่าย เพื่ออำนวยความสะดวกในการระบุตัวตน การจัดการ และการควบคุม โครงการนี้มุ่งเน้นไปที่ประเด็นสำคัญของการรวบรวม การส่งผ่าน และการประยุกต์ใช้ในอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่งในรถยนต์ และออกแบบระบบระบุความถี่วิทยุในรถยนต์รุ่นใหม่ที่ใช้เทคโนโลยีการสื่อสารความถี่วิทยุไร้สายระยะสั้น ระบบประกอบด้วยยูนิตออนบอร์ดการสื่อสารไร้สายระยะสั้น (ยูนิตออนบอร์ด, OBU) และระบบสถานีฐาน (ระบบสถานีฐาน, BSS) เพื่อสร้างระบบระบุตัวตนไร้สายแบบจุดต่อหลายจุด (ระบบระบุตัวตนไร้สาย, WIS) ซึ่งสามารถใช้งานได้ภายในพื้นที่ครอบคลุมของสถานีฐาน การระบุยานพาหนะและระบบนำทางอัจฉริยะ

1. การออกแบบฮาร์ดแวร์ระบบ

ฮาร์ดแวร์ระบบส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนควบคุม ส่วนความถี่วิทยุ และส่วนแอปพลิเคชันส่วนขยายภายนอก โดยจะใช้ MCU ที่ใช้พลังงานต่ำเป็นหน่วยควบคุม ผสานรวมตัวรับส่งสัญญาณความถี่สูงพิเศษย่านความถี่แคบแบบชิปตัวเดียว และมีเสาอากาศที่ออกแบบให้เหมาะสมที่สุดในตัว ใช้พลังงานจากเซลล์แสงอาทิตย์ขั้นสูง และเป็นเทอร์มินัลความถี่วิทยุระบุตัวตนแบบไร้สายระยะสั้น (OBU) ที่มีการบูรณาการสูง จอเทอร์มินัลนี้มีขนาดเล็ก ใช้พลังงานต่ำ ปรับเปลี่ยนได้กว้าง และมีโปรโตคอลแบบเปิดและอินเทอร์เฟซมาตรฐานที่จัดตั้งขึ้นเพื่ออำนวยความสะดวกในการเชื่อมต่อกับระบบที่มีอยู่หรือระบบอื่นๆ

1.1 การออกแบบวงจรควบคุม

หน่วยควบคุมใช้ซีรีส์ MSP430 ที่ผลิตโดย TI ซึ่งค่อนข้างเติบโตในการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำในอุตสาหกรรม ซีรีส์นี้เป็นโปรเซสเซอร์สัญญาณผสมพลังงานต่ำพิเศษ 16 บิต (Mired Signal Processor) ที่เปิดตัวโดย TI สู่ตลาดในปี 1996 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อการใช้งานจริง ข้อกำหนดการใช้งานรวมวงจรแอนะล็อก วงจรดิจิทัล และไมโครโปรเซสเซอร์จำนวนมากไว้ในชิปตัวเดียวเพื่อให้มี "เสาหิน" สารละลาย. ในระบบ WIS หลักการทำงานของ OBU และ BSS จะเหมือนกัน เราจึงเน้นไปที่การออกแบบชิ้นส่วน OBU

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าของ MSP430F2274 คือ 1.8~3.6V เมื่อทำงานภายใต้สภาวะนาฬิกาที่ 1mHz การใช้พลังงานของชิปจะอยู่ที่ประมาณ 200~400μA และการใช้พลังงานต่ำสุดในโหมดปิดนาฬิกาคือเพียง0.1μA เนื่องจากโมดูลการทำงานที่เปิดเมื่อระบบกำลังทำงานแตกต่างกัน จึงมีการนำโหมดการทำงานที่แตกต่างกันสามโหมด ได้แก่ สแตนด์บาย การทำงาน และไฮเบอร์เนตมาใช้ ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานของระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ระบบใช้ระบบนาฬิกาสองระบบ ระบบนาฬิกาพื้นฐานและระบบนาฬิกา Digitally Controlled Oscillator (DCO) ซึ่งใช้คริสตัลออสซิลเลเตอร์ภายนอก (32 768Hz) หลังจากการรีเซ็ตการเปิดเครื่อง DCOCLK จะเริ่ม MCU (หน่วยควบคุมไมโครโปรแกรม) ก่อนเพื่อให้แน่ใจว่าโปรแกรมเริ่มทำงานจากตำแหน่งที่ถูกต้อง และคริสตัลออสซิลเลเตอร์มีเวลาเริ่มต้นและความเสถียรที่เพียงพอ ซอฟต์แวร์สามารถตั้งค่าบิตควบคุมรีจิสเตอร์ที่เหมาะสมเพื่อกำหนดความถี่สัญญาณนาฬิกาของระบบสุดท้าย หากคริสตัลออสซิลเลเตอร์ไม่ทำงานเมื่อใช้เป็นนาฬิกา MCU MCLK DCO จะเริ่มโดยอัตโนมัติเพื่อให้แน่ใจว่าระบบการทำงานปกติ หากโปรแกรมทำงานออกไป สามารถใช้ Watchdog เพื่อรีเซ็ตได้ การออกแบบนี้ใช้ Watchdog โมดูลต่อพ่วงบนชิป (WDT), ตัวเปรียบเทียบอะนาล็อก A, ตัวจับเวลา A (Timer_A), ตัวจับเวลา B (Timer_B), พอร์ตอนุกรม USART, ตัวคูณฮาร์ดแวร์, ADC 10 บิต/12 บิต, บัส SPI ฯลฯ .

1.2 วงจรคลื่นความถี่วิทยุ

ความถี่วิทยุส่วนหนึ่งใช้ CC1020 ของ TI เป็นชุดควบคุมความถี่วิทยุ ชิปนี้เป็นตัวรับส่งสัญญาณความถี่สูงพิเศษแบบชิปเดี่ยวตัวแรกของอุตสาหกรรม มีโหมดการปรับสามโหมด: FSK/GFSK/OOK ระยะห่างช่องขั้นต่ำคือ 50 kHz ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของข้อกำหนดที่เข้มงวดแบบหลายช่องสัญญาณสำหรับแอปพลิเคชันย่านความถี่แคบ (ย่านความถี่ 402~470mHz และ 804~94OmHz) สามารถเปลี่ยนย่านความถี่การทำงานหลายย่านได้อย่างอิสระ และแรงดันไฟฟ้าในการทำงานอยู่ที่ 2.3~ 3.6 V. เหมาะมากสำหรับการบูรณาการและขยายไปยังอุปกรณ์เคลื่อนที่เพื่อใช้เป็นการรับส่งข้อมูลแบบไร้สายหรือแท็กอิเล็กทรอนิกส์ ชิปนี้เป็นไปตามข้อกำหนด EN300 220.ARIB STD-T67 และ FCC CFR47 part15

เลือกความถี่พาหะ 430mHz เป็นย่านความถี่ในการทำงาน ย่านความถี่นี้คือย่าน ISM และเป็นไปตามมาตรฐานของคณะกรรมการจัดการระบบไร้สายแห่งชาติ ไม่จำเป็นต้องสมัครจุดความถี่ โดยใช้วิธีการมอดูเลต FSK มีความสามารถในการป้องกันการรบกวนสูงและมีอัตราข้อผิดพลาดบิตต่ำ ใช้เทคโนโลยีการเข้ารหัสช่องการแก้ไขข้อผิดพลาดไปข้างหน้าเพื่อปรับปรุงความสามารถของข้อมูลในการต้านทานการรบกวนแบบ Burst และการรบกวนแบบสุ่ม อัตราความผิดพลาดบิตของช่องสัญญาณคือ 10-2 เมื่ออัตราความผิดพลาดบิตจริงสามารถรับได้ตั้งแต่ 10-5 ถึง 10-6 ระยะการส่งข้อมูลสามารถเข้าถึง 800 ม. ภายใต้สภาวะแนวสายตาในสนามเปิด อัตรารับส่งข้อมูล 2A Kbs และเสาอากาศถ้วยดูดขนาดใหญ่ (ความยาว 2 ม. ได้รับ 7.8 dB ความสูง 2 ม. เหนือพื้นดิน) การกำหนดค่ามาตรฐานของชิป RF นี้สามารถมีช่องสัญญาณได้ 8 ช่องเพื่อตอบสนองวิธีการสื่อสารแบบต่างๆ เนื่องจากการใช้เทคโนโลยีการสื่อสารแบบแนโรว์แบนด์ เสถียรภาพในการสื่อสารและการป้องกันการรบกวนจึงได้รับการปรับปรุง แผนผังของส่วนความถี่วิทยุแสดงในรูปที่ 3

1.3 แหล่งจ่ายไฟของระบบ

ส่วนจ่ายไฟของระบบนั้นใช้พลังงานจากการรวมกันของเซลล์แสงอาทิตย์เป็นแหล่งจ่ายไฟรายวันและแบตเตอรี่ย่อยลิเธียมเป็นแบตเตอรี่สำรอง การชาร์จแบตเตอรี่เก็บพลังงานผ่านพลังงานแสงอาทิตย์ภายใต้สภาพแสงที่ดี เพื่อให้แน่ใจว่าเวลาแสงสว่างที่แน่นอนทุกวันสามารถตอบสนองความต้องการในการทำงานประจำวันของ OBU ได้ ช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่สำรองได้อย่างมาก และในขณะเดียวกันก็ช่วยยืดอายุการทำงานอีกด้วย ของสอศ. เหมาะสำหรับยานพาหนะที่ทำงานกลางแจ้งบ่อยครั้งและสามารถสะสมแสงแดดเพียงพอเพื่อให้เซลล์แสงอาทิตย์ทำงานได้

1.4 สภาพแวดล้อมการพัฒนาระบบ

สภาพแวดล้อมการพัฒนาระบบมีดังนี้:

1) คอมไพเลอร์ IAR Embedded Workbench formSP430

2) เครื่องมือออกแบบแผงวงจร PADS PCB Design Solutions 2007 Bisi

2. การเขียนโปรแกรมระบบ

โปรแกรมใช้การออกแบบโมดูลาร์และเขียนด้วยภาษา C โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วย 4 ส่วน ได้แก่ โมดูลโปรแกรมหลัก โมดูลโปรแกรมการสื่อสาร โมดูลประมวลผลวงจรต่อพ่วง โมดูลขัดจังหวะ และโมดูลจัดเก็บข้อมูล โปรแกรมหลักส่วนใหญ่จะเสร็จสิ้นการเริ่มต้นของชุดควบคุม การกำหนดค่าพารามิเตอร์ต่างๆ การกำหนดค่าและการเริ่มต้นของแต่ละโมดูลต่อพ่วง ฯลฯ โมดูลโปรแกรมการสื่อสารส่วนใหญ่จัดการการกำหนดค่าของชิป RF และการประมวลผลตัวรับส่งสัญญาณ 433mHz; โมดูลประมวลผลวงจรต่อพ่วงจะจัดการกับสัญญาณไฟ LED ภายนอกและแรงดันไฟฟ้าของระบบเป็นหลัก การตรวจจับ เสียงแจ้งได้รับการจัดการโดยการกดแป้นพิมพ์และการประมวลผลอื่นๆ โมดูลขัดจังหวะและหน่วยเก็บข้อมูลส่วนใหญ่จะจัดการกับการขัดจังหวะของระบบและที่เก็บข้อมูลบันทึก โฟลว์โปรแกรมหลักแสดงในรูปที่ 4

3 กระบวนการสื่อสาร RF

กระบวนการสื่อสารระหว่าง OBU และ BSS แบ่งออกเป็น 3 ขั้นตอน ได้แก่ การสร้างลิงก์ การแลกเปลี่ยนข้อมูล และการปล่อยลิงก์ ดังแสดงในรูปที่ 5

ระบบ RFID สำหรับรถยนต์พร้อมเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายระยะสั้น

ขั้นตอนที่ 1: สร้างการเชื่อมต่อ ข้อมูลพิกัดของตำแหน่ง OBU และรหัส ID จะถูกจัดเก็บไว้ในแฟลชของ MCU ของชุดควบคุมผ่านพารามิเตอร์ที่ตั้งไว้ล่วงหน้า และจะถูกบันทึกไว้เป็นเวลานาน BSS (ระบบสถานีฐาน) ใช้ดาวน์ลิงก์เพื่อออกอากาศแบบวนรอบและส่งข้อมูลตำแหน่ง (การควบคุมเฟรมการระบุสถานีฐาน) ไปยัง OBU กำหนดข้อมูลการซิงโครไนซ์โครงสร้างเฟรมและข้อมูลการควบคุมลิงค์ข้อมูล และขอสร้างการเชื่อมต่อหลังจาก OBU ในพื้นที่การสื่อสารที่มีประสิทธิภาพถูกเปิดใช้งาน ยืนยันความถูกต้องและส่งข้อมูลการตอบกลับไปยัง OBU ที่เกี่ยวข้อง มิฉะนั้นจะไม่ตอบสนอง

ขั้นตอนที่ 2: การแลกเปลี่ยนข้อมูล การออกแบบนี้ใช้วิธีการตรวจจับความแรงของสัญญาณความถี่วิทยุเพื่อตรวจสอบว่า OBU เข้าสู่พื้นที่ให้บริการแล้วหรือไม่ เมื่อความแรงของสัญญาณที่ตรวจพบมีมากขึ้นมากกว่า 1/2 ของสัญญาณสูงสุด ผู้ส่งและผู้รับจะใช้การจับมือแบบไร้สาย ขณะนี้ สพฉ. ถือว่าได้เข้าสู่พื้นที่ให้บริการแล้ว เขต. ในขั้นตอนนี้ เฟรมทั้งหมดจะต้องมีการระบุลิงก์ส่วนตัวของ OBU และใช้การควบคุมข้อผิดพลาด สำหรับการตัดสิน OBU ต้นน้ำและปลายน้ำ คุณสามารถใช้หมายเลข ID เพื่อพิจารณาว่าเป็นของระบบเดียวกันหรือไม่ OBU ที่มีหมายเลข ID ที่ไม่ใช่ระบบเดียวกันจะถูกลบออกจากบันทึกโดยอัตโนมัติ OBU ใช้กลไกการข้ามความถี่เมื่อรายงานข้อมูลและสุ่มเลือกช่องสัญญาณคงที่ในพื้นที่ให้บริการสำหรับการสื่อสารแบบจับมือกันเพื่อป้องกันความแออัดของช่องสัญญาณ

ขั้นตอนที่ 3: ปล่อยการเชื่อมต่อ เมื่อความแรงของสัญญาณการตรวจจับน้อยกว่า 1/2 ของความแรงสูงสุด จะถือว่ารถออกจากสถานีแล้ว หลังจากที่ RSU และ OBU ดำเนินการแอปพลิเคชันทั้งหมดเสร็จแล้ว จะลบตัวระบุลิงก์และออกคำสั่งปล่อยลิงก์การสื่อสารเฉพาะ ตัวจับเวลาการปล่อยการเชื่อมต่อจะปล่อยการเชื่อมต่อตามการยืนยันบริการแอปพลิเคชัน

4. การพัฒนากระบวนการสื่อสารระหว่าง OBU และ BSS

โปรโตคอลการสื่อสารสร้างโครงสร้างโปรโตคอลแบบง่ายสามชั้นโดยอิงตามโมเดลโปรโตคอลเจ็ดชั้นของสถาปัตยกรรมการเชื่อมต่อโครงข่ายระบบเปิด ได้แก่ ชั้นกายภาพ ชั้นลิงก์ข้อมูล และชั้นแอปพลิเคชัน

1) ชั้นกายภาพ ชั้นกายภาพส่วนใหญ่เป็นมาตรฐานสัญญาณการสื่อสาร เนื่องจากปัจจุบันไม่มีมาตรฐานรวมสำหรับการสื่อสารไร้สายระยะสั้นความถี่ 433mHz ในโลก เลเยอร์ทางกายภาพที่กำหนดโดยมาตรฐานต่างๆ จึงแตกต่างกัน ดังแสดงในตารางที่ 1 รูปที่ 6 แสดงวิธีการเข้ารหัสของแมนเชสเตอร์

2) ชั้นการเชื่อมโยงข้อมูล ชั้นการเชื่อมโยงข้อมูลควบคุมกระบวนการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่าง OBU และ BSS การสร้างและการเปิดตัวการเชื่อมต่อการเชื่อมโยงข้อมูล การกำหนดและการซิงโครไนซ์เฟรมของเฟรมข้อมูล การควบคุมการส่งข้อมูลเฟรม การควบคุมความทนทานต่อข้อผิดพลาด และข้อมูล การแพร่เชื้อ. มีการระบุการควบคุมเลเยอร์ลิงก์และการแลกเปลี่ยนพารามิเตอร์ของการเชื่อมต่อลิงก์ การส่งข้อมูลทำได้โดยการส่งเฟรมข้อมูล ดังแสดงในรูปที่ 7

3) ชั้นแอปพลิเคชัน ชั้นแอปพลิเคชันกำหนดโปรแกรมฟังก์ชันผู้ใช้มาตรฐาน กำหนดรูปแบบของข้อความการสื่อสารระหว่างแอปพลิเคชันต่างๆ และจัดเตรียมอินเทอร์เฟซข้อความแบบเปิดสำหรับการโทรโดยฐานข้อมูลหรือแอปพลิเคชันอื่น

5. สรุป

ระบบระบุความถี่วิทยุที่ออกแบบในบทความนี้ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ MSP430 ซีรีส์พลังงานต่ำของ TI ซึ่งออกแบบเป็นพิเศษโดย TI สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ซึ่งใช้พลังงานต่ำ ชิปความถี่วิทยุก็เป็น TI's CC1020 เช่นกัน มีการบูรณาการสูง สามารถบรรลุขนาดที่เล็ก ใช้พลังงานต่ำ และติดตั้งง่าย เหมาะสำหรับการสร้างระบบติดตามและเฝ้าระวังบริเวณปลอดที่จอดรถ ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าในสภาพถนนที่ซับซ้อน (ถนนที่พลุกพล่าน) การจดจำที่มีประสิทธิภาพสามารถทำได้ภายในระยะ 300 ม. และในสภาพแนวสายตา การจดจำสามารถทำได้ภายในระยะ 500 ม.