物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識(shí)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(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)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(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。本項(xiàng)目針對(duì)車(chē)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(wèn)題，展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)基于短距離無(wú)線(xiàn)射頻通信技術(shù)的新一代車(chē)載射頻識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)由短距離無(wú)線(xiàn)通訊車(chē)載單元(On-Board Unit，OBU)和基站系統(tǒng)(Base Station System，BSS)組成一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)識(shí)別系統(tǒng)(Wireless identification system，WIS)，可用于在基站覆蓋范圍內(nèi)車(chē)輛識(shí)別和智能導(dǎo)引。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要由控制部分、射頻部分和外部擴(kuò)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(jì)天線(xiàn).采用先進(jìn)的光伏電池供電，實(shí)理高集成度短距離無(wú)線(xiàn)識(shí)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(kāi)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(duì)接。
系統(tǒng)工作示意如圖1所示。
1.1 控制電路設(shè)計(jì)
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(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器(Mired Signal Proessor)，其針對(duì)實(shí)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(gè)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(diǎn)介紹OBU部分設(shè)計(jì)，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1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的耗電在200～400μA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1μA。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開(kāi)的功能模塊不同，采用了待機(jī)、運(yùn)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(shí)鐘系統(tǒng)；基本時(shí)鐘系統(tǒng)和數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)(Digitally Controlled Oscillator，DCO)，使用一個(gè)外部晶體振蕩器(32 768Hz)。在上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動(dòng)MCU(Microprogrammed Control Unit微程序控制器)，以保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)量適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作MCU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門(mén)狗將其復(fù)位。本設(shè)計(jì)使用到了片上外圍模塊看門(mén)狗(WDT)、模擬比較器A、定時(shí)器A(Timer_A)、定時(shí)器B(Timer_B)、串口USART、硬件乘法器、10位/12位ADC、SPI總線(xiàn)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50kHz，可滿(mǎn)足多通道窄帶應(yīng)用(402～470MHz以及804～940MHz頻帶)的嚴(yán)格要求，多個(gè)工作頻段可自由切換，工作電壓2.3～3.6V，非常適合集成擴(kuò)展到移動(dòng)設(shè)備作為無(wú)線(xiàn)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。
選擇載頻頻率430MHz為工作頻段，此頻段為ISM頻段，符合國(guó)家無(wú)線(xiàn)管理委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)。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(cuò)信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力，在信道誤碼率為10-2時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率10-5～10-6。在開(kāi)闊地視距條件、波特率為2A Kbs、大吸盤(pán)天線(xiàn)(長(zhǎng)度2m，增益7.8dB距離地面高度2m)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)800m。該RF芯片標(biāo)準(zhǔn)配置可提供8個(gè)信道能夠滿(mǎn)足多種通信組合方式。由于采用窄帶通訊技術(shù)，增強(qiáng)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(guò)太陽(yáng)能給蓄能電池充電，每天保證一定的光照時(shí)間可基本滿(mǎn)足OBU日常工作需要，極大地延長(zhǎng)了備用電池的使用壽命，同時(shí)延長(zhǎng)了OBU的工作壽命。適合經(jīng)常在室外運(yùn)行的車(chē)輛使用，可采集到充足的陽(yáng)光供光伏電池工作。
1.4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境
系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境如下：1)IAR Embedded Workbench for MSP430編譯器；2)PADS PCB Design Solutions 2007比思電路板設(shè)計(jì)工具。
2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
程序采用模塊化設(shè)計(jì)，用C語(yǔ)言編寫(xiě)。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(chǔ)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(duì)RF芯片的配置以及433MHz收發(fā)處理；外圍電路處理模塊主要對(duì)系統(tǒng)外部LED指示、電壓檢測(cè)、聲音提示以按鍵及其他處理；中斷和存儲(chǔ)模塊主要處理系統(tǒng)中斷和記錄存儲(chǔ)。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(guò)預(yù)置參數(shù)存儲(chǔ)在控制單元MCU的Flash中，并被長(zhǎng)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(shí)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(qǐng)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(duì)應(yīng)的OBU，否則不響應(yīng)；
第2步：信息交換本設(shè)計(jì)采用探測(cè)射頻信號(hào)強(qiáng)度大小的方法來(lái)確定OBU是否進(jìn)入服務(wù)區(qū)，經(jīng)探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度大于最大信號(hào)的1/2時(shí)，收發(fā)雙方實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)握手，此時(shí)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(shí)，并實(shí)施差錯(cuò)控制。對(duì)于OBU上下行的判斷可以通過(guò)ID號(hào)來(lái)判斷是否屬于同一個(gè)系統(tǒng)，不是同一個(gè)系統(tǒng)的ID號(hào)的OBU從記錄中自動(dòng)刪除。OBU上報(bào)信息時(shí)采用跳頻機(jī)制，隨機(jī)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(cè)信號(hào)強(qiáng)度小于最大強(qiáng)度的1/2時(shí)，認(rèn)為車(chē)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(shí)，發(fā)出專(zhuān)用通信鏈路釋放指令，由連接釋放計(jì)時(shí)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(kāi)發(fā)
通訊協(xié)議依據(jù)開(kāi)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(jiǎn)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(guó)際上尚未形成關(guān)于433 MHz短距離無(wú)線(xiàn)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(guò)程，對(duì)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(cuò)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(hù)功能程序，定義各路應(yīng)用之間通信消息的格式，提供開(kāi)放的消息接口，供其他數(shù)據(jù)庫(kù)或應(yīng)用程序調(diào)用。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文所設(shè)計(jì)的射頻識(shí)別系統(tǒng)采用TI低功耗系列的MSP430微控制器，是TI公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)電池供電設(shè)備低功耗所設(shè)計(jì)。射頻芯片也為T(mén)I公司CC1020，集成度高，可實(shí)現(xiàn)體積小、功耗低、易于安裝，適用于建設(shè)車(chē)輛免停車(chē)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果顯示在復(fù)雜路面狀況(繁忙路面)可實(shí)現(xiàn)300m范圍內(nèi)有效果識(shí)別，視距情況可達(dá)到500m范圍內(nèi)識(shí)別。