來源：中電網
本系統是基於數位通信原理、利用整合單晶片窄頻寬超高頻收發器構建的無線辨識系統。闡述了該無線射頻辨識系統基本工作原理和硬件設計思路，並給出了 程序設計方案的流程圖。從低功耗、高效辨識和實用角度設計適用於車載的射頻辨識標籤。測試結果表明，本系統在複雜路面狀況(繁忙路面)的條件下可實現 300m範圍內有效辨識，視距條件下可達到500 m範圍有效辨識。
物聯網是指通過各種資訊傳感設備，如傳感器、射頻辨識(RFID)技術、全球定位系統、紅外線感應器、雷射掃描器、氣體感 應器等各種裝置與技術，實時採集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，採集其聲、光、電、生物、位置等各種需要的資訊，與互聯網結合形成的一個巨大網路。
其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便辨識、管理和控制。本項目針對車載物聯網中的數據採集、傳輸與應用的關鍵問題，展開研究， 設計基於短距離無線射頻通信技術的新一代車載射頻辨識系統。系統由短距離無線通訊車載單元(On-Board Unit，OBU)和基站系統(Base Station System，BSS)組成一個點對多點無線辨識系統(Wireless identification system，WIS)，可用於在基站覆蓋範圍內車輛辨識和智慧導引。
1 系統硬件設計
系統硬體主要由控制部分、射頻部分和外部擴展應用部分組成。以低功耗MCU為控制單元，整合單晶片窄頻寬超高頻收發器，內置優化設計天線.採用先進的光伏電池 供電，實理高整合度短距離無線辨識射頻終端(OBU)。本終端體積小、功耗低、適甩範圍廣，並且建立開放的協議和標準接口，便於與已有系統或其他系統對接。
系統工作示意如圖1所示
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.1 控制電路設計
控制單元採用業界低功耗應用比較成熟的TI公司生產的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)，其針對實際應用需求把許多模擬電路、數位電路和微處理器集成在一個晶片上，提供「單晶片」解決方案。在WIS系統中OBU和BSS中工作原理相同，所以重點介紹OBU部分設計，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，晶片的耗電在200～400μA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.1μA。由於系統運行時打開的功能模塊不同，採用了待機、運行和休眠3種不同的工作模式，有效地降低了系統功耗。
系統使用兩種時鐘系統;基本時鐘系統和數位振蕩器時鐘系統(Digitally Controlled
Oscillator，DCO)，使用一個外部晶體振蕩器(32
768Hz)。在上電復位後，首先由DCOCLK啓動MCU(Microprogrammed
Control Unit微程序控制器)，以保證程序從正確的位置開始執行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩定時間。然後軟件可設量適當的寄存器的控制位來確定最後的系統 時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作MCU時鐘MCLK時發生故障，DCO會自動啓動，以保證系統正常工作;如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。本設計使用到 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
射頻部分採用TI公司CC1020作為射頻控制單元，該晶片為業界首例真正的單晶片窄頻寬超高頻收發器，有FSK/GFSK/OOK 3種調制方式，最小通道間隔為50 kHz，可滿足多通道窄帶應用(402～470 MHz以及804～94O MHz頻帶)的嚴格要求，多個工作頻段可自由切換，工作電壓2.3～3.6 V，非常適合整合擴展到行動設備作為無線數傳或電子標籤使用。該晶片遵從EN300 220.ARIB STD-T67以及FCC CFR47 part15規範。
選擇載頻頻率430 MHz為工作頻段，此頻段為ISM頻段，符合對岸中國的國家無線管理委員會標準，無需申請頻點。採用FSK的調制方式，擁有較高的抗干擾能力和低誤碼率，採用前向糾 錯信道編碼技術，提高了數據抗突發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)時數據傳輸距離可達800 m。
該RF芯片標準配置可提供8個信道能夠滿足多種通信組合方式。由於採用窄帶通訊技術，增強了通訊穩定性和抗干擾性。射頻部分原理圖如圖3所示
1.3 系統供電
系統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。適合經常在室外運行的車輛使用，可採集到充足的陽光供光伏電池工作。
1.4 系統開發環境
系統開發環境如下：1)IAR Embedded Workbench for MSP430編譯器;2)PADS
PCB Design Solutions 2007比思電路板設計工具。
2 系統程序設計
程序採用模塊化設計，用C語言編寫。主要由4部分在組成：主程序模組、通信程序模組、外圍電路處理模組、中斷和儲存模組。主程序主要完成控制單元的初始化、各種參數的配置及各外圍模組配置和初始化等;通信程序模塊主要處理對RF晶片的配置，以及433 MHz收發處理;外圍電路處理模組主要對系統外部LED指示、電壓檢測、聲音提示以按鍵及其他處理;中斷和儲存模塊主要處理系統中斷和記錄儲存。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所在位置的坐標資訊，及其ID碼通過預置參數儲存在控制單元MCU的Flash中，並被長期保存。BSS(基站系統)利用下行鏈路向 OBU循環廣播發送定位(基站辨識幀控制)資訊，確定幀結構同步信息和數據鏈路控制等資訊，進入有效通信區域內的OBU被激活後即請求建立連接和進行有效 性確認併發送響應資訊給對應的OBU，否則不響應;
第2步：資訊交換本設計採用探測射頻信號強度大小的方法來確定OBU是否進入服務區，經 探測信號強度大於最大信號的1/2時，收發雙方實現無線握手，此時認為OBU已經進入服務區。在此階段中，所有幀必須帶有OBU的私有鏈路標識，並實施差 錯控制。對於OBU上下行的判斷可以通過ID號來判斷是否屬於同一個系統，不是同一個系統的ID號的OBU從記錄中自動刪除。OBU上報信息時採用跳頻機 制，隨機選擇所處服務區的某一固定信道進行握手通信，防止發生信道堵塞。
第3步：釋放連接同樣採用探測信號強度小於最大強度的1/2時，認為車子已經離站。RSU與OBU完成所有應用後，刪除和鏈路標識，發出專用通信鏈路釋放指令，由連接釋放計時器根據應用服務確認釋放本次連接。
4. OBU與BSS通訊流程的開發
通訊協議依據開放系統互聯體系結構七層協議模型建立了三層的簡單協議結構，即物理層、數據鏈路層和應用層。
1)物理層 物理層主要是通信信遭標準，由於目前國際上尚未形成關於433 MHz短距離無線通訊統一的標準，各種標準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)數據鏈路層 數據鏈路層控制著OBU與BSS之間的信息交換過程，對數據鏈路連接的建立和釋放，數據幀的定義與幀同步，幀數據傳送的控制、容錯控制、數據鏈路層控制和鏈路連接的參數交換等作了規定。數據傳輸以數據幀傳輸進行，如圖7所示。
3)應用層 應用層制定標準的用戶功能程序，定義各路應用之間通信消息的格式，提供開放的消息接口，供其他數據庫或應用程序調用。
5 結語
本文所設計的射頻辨識系統採用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備低功耗所設計。射頻晶片也為TI公司CC1020，整合度高，可實現體積小、功耗低、易於安裝，適用於建設車輛免停車監測與監控系統。測試結果顯示在複雜路面狀況(繁忙路面)可實現300 m範圍內有效果辨識，視距情況可達到500 m範圍內辨識。
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