基于RFID車輛信息交換系統(tǒng)的射頻模塊設(shè)計(jì)

引言

基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)的車路信息交換系統(tǒng)可利用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)車輛的位置信息進(jìn)行采集和相關(guān)電子收費(fèi)等操作。該系統(tǒng)可分為前端信息采集、數(shù)據(jù)處理中心、終端服務(wù)等幾個(gè)模塊。其中RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其原理是利用射頻信號(hào)和空間(電感或電磁耦合)傳輸特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。本文通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)的精準(zhǔn)率和效率。

1射頻模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，超高頻段的典型應(yīng)用頻率為433MHz、869MHz和915MHz(902~928MHz)，微波段的典型應(yīng)用頻率為2.45GHz和5.8GHz。目前的主流系統(tǒng)一般都采取915MHz、2.45GHz和5.8GHz，因此，本文在頻率的選擇上，綜合考慮到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難易程度和系統(tǒng)對(duì)通信質(zhì)量的要求，并根據(jù)具體應(yīng)用，選用915MHz和5.8GHz作為閱讀工作頻率。工作時(shí)序方式采用RTF方式，供電方式采用無(wú)源電子標(biāo)簽。事實(shí)上，實(shí)際應(yīng)用中的讀寫(xiě)器大多只適合單機(jī)工作，不適合組網(wǎng)，不便于集中控制，因而不能應(yīng)用到多點(diǎn)高密度數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合。而基于RS485標(biāo)準(zhǔn)并利用超高頻RFID讀寫(xiě)器構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò),由于其遵循IS018000—6B協(xié)議的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，因而可以很好地解決多點(diǎn)高密度數(shù)據(jù)采集的難題。

本設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合靈活設(shè)置,最多可以拓展至256個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備還配置有USB接口、LCD顯示、聲光提示、時(shí)鐘模塊等，也可以脫機(jī)使用；而作為通用的RFID讀寫(xiě)器，可完成讀、寫(xiě)標(biāo)簽、記錄操作時(shí)間等功能。該系統(tǒng)選用的RS485器件MAX1483可以使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大達(dá)到256個(gè)。其系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

1.1讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備的設(shè)計(jì)，即超高頻RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)。讀寫(xiě)器的主要功能是發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，選擇能量場(chǎng)內(nèi)的應(yīng)答器，建立數(shù)據(jù)通信鏈路并對(duì)應(yīng)答器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。超高頻RFID讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)采集距離較遠(yuǎn)，可達(dá)到1~30m,通過(guò)軟件設(shè)置射頻收發(fā)模塊增益大小可以控制讀寫(xiě)距離，以便靈活地滿足實(shí)際要求。讀寫(xiě)器硬件按照不同的功能可劃分為主控模塊、射頻收發(fā)模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、接口部分、時(shí)鐘模塊、LCD顯示模塊、聲光提示模塊及調(diào)試電路等，其具體的讀寫(xiě)器硬件模塊框圖如圖2所示。

圖2讀寫(xiě)器硬件模塊框圖

1.2軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)軟件主要針對(duì)計(jì)算機(jī)平臺(tái)，可采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，主要用于控制節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備和接收節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，以及進(jìn)一步的處理。考慮到網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模最大為256節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)采用輪詢方式控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備，以維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

控制節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備的命令主要有：

（1）發(fā)送數(shù)據(jù)命令：下位機(jī)接收到該命令的響應(yīng)是發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，即緩存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)；

（2）寫(xiě)標(biāo)簽命令:下位機(jī)接收到該命令的響應(yīng)是向感應(yīng)區(qū)內(nèi)的標(biāo)簽寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)；

（3）時(shí)間設(shè)置命令：該命令可在下位機(jī)中根據(jù)參數(shù)更新DS1302的數(shù)據(jù)；

（4）設(shè)置功率命令：用于設(shè)置射頻收發(fā)模塊的發(fā)射功率,以調(diào)節(jié)讀寫(xiě)標(biāo)簽的距離；

（5）寫(xiě)分機(jī)號(hào)命令：該命令為單機(jī)命令，可為每個(gè)節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備寫(xiě)入一個(gè)唯一的分機(jī)號(hào)，以便區(qū)別不同的終端設(shè)備。

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)單片機(jī)平臺(tái),可采用C語(yǔ)言編寫(xiě),主要是各功能模塊的驅(qū)動(dòng)程序，如射頻模塊的控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、時(shí)鐘模塊的輸出、LCD顯示模塊的數(shù)據(jù)顯示程序、USB接口驅(qū)動(dòng)程序等。圖3所示是下位機(jī)軟件流程圖。

2通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)正常工作必不可少的，主要是對(duì)計(jì)算機(jī)和節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備間通信幀格式進(jìn)行具體的規(guī)范與統(tǒng)一，例如確定幀長(zhǎng)度、命令字意義、參數(shù)長(zhǎng)度、幀起始標(biāo)志、結(jié)束標(biāo)志等。本設(shè)計(jì)中的具體幀格式規(guī)定為每幀數(shù)據(jù)23字節(jié)，其中起始位1字節(jié)，固定為Oxaa；分機(jī)號(hào)1字節(jié)，可設(shè)置范圍為0?255；命令1字節(jié)，包括5個(gè)命令：OxOf、Ox2f、Ox4f、Ox8f、Oxaf，依次為發(fā)送數(shù)據(jù)命令、寫(xiě)數(shù)據(jù)命令、時(shí)間設(shè)置命令、功率設(shè)置命令、寫(xiě)分機(jī)號(hào)；數(shù)據(jù)17字節(jié)，包括標(biāo)簽數(shù)據(jù)12字節(jié)和時(shí)間數(shù)據(jù)5字節(jié)；CRE校驗(yàn)采用CRC-16,共2字節(jié)，是起始位到數(shù)據(jù)位之間所有數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)值；停止位1字節(jié)，固定為Ox55。

圖3下位機(jī)軟件流程圖

本系統(tǒng)通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。計(jì)算機(jī)根據(jù)分機(jī)號(hào)選擇不同節(jié)點(diǎn)的終端設(shè)備，選擇命令代碼可實(shí)現(xiàn)各命令和數(shù)據(jù)部分的操作響應(yīng)(“0”標(biāo)識(shí)操作失敗，“1”標(biāo)識(shí)操作成功)、相關(guān)參數(shù)(如時(shí)間設(shè)置命令中的時(shí)間參數(shù))或返回具體數(shù)據(jù)(如標(biāo)簽數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù))。

3數(shù)據(jù)的完整性設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)的傳輸中，不管是閱讀器和電子標(biāo)簽之間的無(wú)線通信，還是閱讀器與應(yīng)用系統(tǒng)之間的通信，都難免會(huì)遇到干擾而使數(shù)據(jù)發(fā)生改變，這是在通信中極不愿意但又無(wú)法避免的情況，為此，數(shù)據(jù)的接收方都必須對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，以用來(lái)識(shí)別傳輸錯(cuò)誤。一般的校驗(yàn)有奇偶校驗(yàn)法、縱向冗余校驗(yàn)(LRC)法和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC)法。

奇偶校驗(yàn)法和LRC法由于其算法都比較簡(jiǎn)單，所以只能校驗(yàn)很小的數(shù)據(jù)塊，而且對(duì)同一數(shù)據(jù)塊內(nèi)的字節(jié)順序的互換,它們是無(wú)法檢驗(yàn)出來(lái)的，因此，本文對(duì)數(shù)據(jù)塊采用的校驗(yàn)法為CRC法。CRC法原來(lái)用于磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，能夠以很大的可靠性識(shí)別傳輸錯(cuò)誤，但不能校正錯(cuò)誤。CRC法的計(jì)算是一種循環(huán)過(guò)程。所以，CRC的計(jì)算包括了要計(jì)算其CRC值的數(shù)據(jù)字節(jié)以及前面數(shù)據(jù)字節(jié)的CRC值，數(shù)據(jù)塊中每一個(gè)被校驗(yàn)過(guò)的字節(jié)都用來(lái)計(jì)算整個(gè)數(shù)據(jù)塊的CRC值。

當(dāng)一數(shù)據(jù)塊被傳輸時(shí)，發(fā)送方計(jì)算數(shù)據(jù)的CRC值，并將 此值附在數(shù)據(jù)塊后一起傳輸，接收方則計(jì)算接收數(shù)據(jù)(包括 附加的CRC字節(jié))的CRC值，然后判斷結(jié)果是否為零。如 果為零，說(shuō)明數(shù)據(jù)無(wú)誤，否則，說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)誤。

4結(jié)論

由于RFID車輛信息交換系統(tǒng)中的射頻模塊設(shè)計(jì)是其最 基本的部分，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要采集精準(zhǔn)的交通信息，而且還要 將控制中心的信息傳給車輛，因此，此模塊不僅要進(jìn)行軟硬件 的基本設(shè)計(jì)，還要考慮交通信息的巨大信息量與快速性，同時(shí) 還要進(jìn)行標(biāo)簽的防碰撞設(shè)計(jì)。

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