淺析應(yīng)用于車載的無線射頻識別系統(tǒng)設(shè)計案例

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識別(RFID)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)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(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。

本項目針對車載物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集、傳輸與應(yīng)用的關(guān)鍵問題，展開研究，設(shè)計基于短距離無線射頻通信技術(shù)的新一代車載射頻識別系統(tǒng)。系統(tǒng)由短距離無線通訊車載單元(On-Board Unit，OBU)和基站系統(tǒng)(Base Station System，BSS)組成一個點對多點無線識別系統(tǒng)(Wireless identification system，WIS)，可用于在基站覆蓋范圍內(nèi)車輛識別和智能導(dǎo)引。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由控制部分、射頻部分和外部擴展應(yīng)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(fā)器，內(nèi)置優(yōu)化設(shè)計天線。采用先進(jìn)的光伏電池供電，實理高集成度短距離無線識別射頻終端(OBU)。本終端體積小、功耗低、適甩范圍廣，并且建立開放的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)接口，便于與已有系統(tǒng)或其他系統(tǒng)對接。

系統(tǒng)工作示意如圖1所示。

1.1 控制電路設(shè)計

控制單元采用業(yè)界低功耗應(yīng)用比較成熟的TI公司生產(chǎn)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號處理器(Mired Signal Proessor)，其針對實際應(yīng)用需求把許多模擬電路、數(shù)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(tǒng)中OBU和BSS中工作原理相同，所以重點介紹OBU部分設(shè)計，其控制部分原理圖如圖2所示。

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(guān)斷模式的最低功耗只有0.1μA.由于系統(tǒng)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(tǒng)功耗。

系統(tǒng)使用兩種時鐘系統(tǒng);基本時鐘系統(tǒng)和數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)(Digitally Controlled Oscillator，DCO)，使用一個外部晶體振蕩器(32 768Hz)。在上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動MCU(Microprogrammed Control Unit微程序控制器)，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)量適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作MCU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作;如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。本設(shè)計使用到了片上外圍模塊看門狗(WDT)、模擬比較器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(yè)界首例真正的單芯片窄帶超高頻收發(fā)器，有FSK/GFSK/OOK 3種調(diào)制方式，最小通道間隔為50 kHz，可滿足多通道窄帶應(yīng)用(402～470 MHz以及804～94O MHz頻帶)的嚴(yán)格要求，多個工作頻段可自由切換，工作電壓2.3～3.6 V，非常適合集成擴展到移動設(shè)備作為無線數(shù)傳或電子標(biāo)簽使用。該芯片遵從EN300 220.ARIB STD-T67以及FCC CFR47 part15規(guī)范?！　∵x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標(biāo)準(zhǔn)，無需申請頻點。采用FSK的調(diào)制方式，擁有較高的抗干擾能力和低誤碼率，采用前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，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(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)800 m.該RF芯片標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，增強了通訊穩(wěn)定性和抗干擾性。射頻部分原理圖如圖3所示。

1.3 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)供電部分由光伏電池作為日常工作供電和鋰亞電池作為備用電池相結(jié)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。適合經(jīng)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(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境如下：1)IAR Embedded Workbench fMSP430編譯器;2)PADS PCB Design Solutions 2007比思電路板設(shè)計工具。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計

程序采用模塊化設(shè)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(shù)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(fā)處理;外圍電路處理模塊主要對系統(tǒng)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(tǒng)中斷和記錄存儲。主程序流程如圖4所示。

3 RF通信流程

OBU與BSS通信流程分為3步：建立鏈接、信息交換和釋放鏈接，如圖5所示。

第1步：建立連接OBU所在位置的坐標(biāo)信息及其ID碼通過預(yù)置參數(shù)存儲在控制單元MCU的Flash中，并被長期保存。BSS(基站系統(tǒng))利用下行鏈路向OBU循環(huán)廣播發(fā)送定位(基站識別幀控制)信息，確定幀結(jié)構(gòu)同步信息和數(shù)據(jù)鏈路控制等信息，進(jìn)入有效通信區(qū)域內(nèi)的OBU被激活后即請求建立連接和進(jìn)行有效性確認(rèn)并發(fā)送響應(yīng)信息給對應(yīng)的OBU，否則不響應(yīng);

第2步：信息交換本設(shè)計采用探測射頻信號強度大小的方法來確定OBU是否進(jìn)入服務(wù)區(qū)，經(jīng)探測信號強度大于最大信號的1/2時，收發(fā)雙方實現(xiàn)無線握手，此時認(rèn)為OBU已經(jīng)進(jìn)入服務(wù)區(qū)。在此階段中，所有幀必須帶有OBU的私有鏈路標(biāo)識，并實施差錯控制。對于OBU上下行的判斷可以通過ID號來判斷是否屬于同一個系統(tǒng)，不是同一個系統(tǒng)的ID號的OBU從記錄中自動刪除。OBU上報信息時采用跳頻機制，隨機選擇所處服務(wù)區(qū)的某一固定信道進(jìn)行握手通信，防止發(fā)生信道堵塞。

第3步：釋放連接同樣采用探測信號強度小于最大強度的1/2時，認(rèn)為車子已經(jīng)離站。RSU與OBU完成所有應(yīng)用后，刪除和鏈路標(biāo)識，發(fā)出專用通信鏈路釋放指令，由連接釋放計時器根據(jù)應(yīng)用服務(wù)確認(rèn)釋放本次連接。

4 OBU與BSS通訊流程的開發(fā)

通訊協(xié)議依據(jù)開放系統(tǒng)互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)七層協(xié)議模型建立了三層的簡單協(xié)議結(jié)構(gòu)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

1)物理層 物理層主要是通信信遭標(biāo)準(zhǔn)，由于目前國際上尚未形成關(guān)于433 MHz短距離無線通訊統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層控制著OBU與BSS之間的信息交換過程，對數(shù)據(jù)鏈路連接的建立和釋放，數(shù)據(jù)幀的定義與幀同步，幀數(shù)據(jù)傳送的控制、容錯控制、數(shù)據(jù)鏈路層控制和鏈路連接的參數(shù)交換等作了規(guī)定。數(shù)據(jù)傳輸以數(shù)據(jù)幀傳輸進(jìn)行，如圖7所示。

3)應(yīng)用層 應(yīng)用層制定標(biāo)準(zhǔn)的用戶功能程序，定義各路應(yīng)用之間通信消息的格式，提供開放的消息接口，供其他數(shù)據(jù)庫或應(yīng)用程序調(diào)用。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)是基于數(shù)字通信原理、利用集成單芯片窄帶超高頻收發(fā)器構(gòu)建的無線識別系統(tǒng)。闡述了該無線射頻識別系統(tǒng)基本工作原理和硬件設(shè)計思路，并給出了程序設(shè)計方案的流程圖。從低功耗、高效識別和實用角度設(shè)計適用于車載的射頻識別標(biāo)簽。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)在復(fù)雜路面狀況(繁忙路面)的條件下可實現(xiàn)300m范圍內(nèi)有效識別，視距條件下可達(dá)到500 m范圍有效識別。

本文所設(shè)計的射頻識別系統(tǒng)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(shè)備低功耗所設(shè)計。射頻芯片也為TI公司CC1020，集成度高，可實現(xiàn)體積小、功耗低、易于安裝，適用于建設(shè)車輛免停車監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)。測試結(jié)果顯示在復(fù)雜路面狀況(繁忙路面)可實現(xiàn)300 m范圍內(nèi)有效果識別，視距情況可達(dá)到500 m范圍內(nèi)識別。