文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)05-0126-03
在車輛安監(jiān)預警類型的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中,確保RFID讀寫器能可靠地識讀到安裝在車輛內(nèi)部的電子標簽是系統(tǒng)正常運作的前提和基礎[1]。超高頻RFID讀寫器憑借其遠距離識讀能力占據(jù)了較大的應用市場[2],但是在實際部署過程中,讀寫器的發(fā)射功率通常是恒定的,系統(tǒng)的能耗表現(xiàn)不佳,且在惡劣天氣情況下,讀寫器不能靈活調(diào)節(jié)其發(fā)射功率,容易出現(xiàn)漏讀的情況。針對此問題,參考文獻[3]在分析前后兩次讀取標簽數(shù)量差值的基礎上,采用模糊控制算法來動態(tài)改變讀寫器的發(fā)射功率,但該方法只適用于連續(xù)、大批量標簽讀取業(yè)務,無法滿足間歇性小批量讀取系統(tǒng)的應用需求;參考文獻[4]設計并實現(xiàn)了一種基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器,可以在聯(lián)網(wǎng)模式下批量調(diào)節(jié)讀寫器的發(fā)射功率,大幅提高系統(tǒng)部署效率及使用過程中的靈活性,但該讀寫器未能引入自適應的控制策略,需要人工值守。本文在基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器的基礎上,利用雨量傳感、溫度傳感和雷達探測等模塊感知的信息,制定了一套簡單、靈活且可靠的讀寫器功率自適應調(diào)節(jié)策略。應用該調(diào)節(jié)策略和傳輸網(wǎng)絡,讀寫器的發(fā)射功率可雙重自適應控制,具有較高的識讀成功率和良好的節(jié)能效果。
1 系統(tǒng)的工作原理及整體結構概述
整個系統(tǒng)結構框架如圖1所示。主控機和物聯(lián)網(wǎng)多源信息終端通過3G、LAN、WiFi等多種通信方式來實現(xiàn)組網(wǎng)[5],它們是系統(tǒng)的傳輸與處理核心。每個物聯(lián)網(wǎng)多源信息終端可以連接最多16個讀寫器,通過多源信息終端來實現(xiàn)異構讀寫器協(xié)同工作,降低讀寫器在通信方面的復雜度,并提高系統(tǒng)部署的靈活性。為了實現(xiàn)讀寫器發(fā)射功率的自適應調(diào)節(jié),增加了溫度、雨量和雷達探測等傳感模塊,利用這些模塊采集到的信息作為自適應調(diào)節(jié)的原始數(shù)據(jù)。功率調(diào)節(jié)策略可以通過傳輸網(wǎng)絡由主控機遠程設定,如未遠程設定,則執(zhí)行讀寫器本地存儲的默認策略來控制射頻發(fā)射功率。
2 硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
功率自適應調(diào)節(jié)的超高頻RFID讀寫器硬件框架如圖2所示。
根據(jù)參考文獻[1]所述方案實現(xiàn)基本平臺,控制核心采用STM32F103ZET6 MCU,可通過本地按鍵進行控制。在規(guī)?;渴饡r也可以通過串行通信方式與信息終端連接,利用主控機進行集中控制、設置液晶顯示屏,用來顯示本地信息;系統(tǒng)的射頻模塊選用RMU900+[3-4],并通過SMA接口連接13 dBi增益的射頻天線;雨量傳感、溫度傳感和雷達探測模塊將檢測到的信息通過I/O口傳輸給MCU,MCU根據(jù)預先設定的調(diào)節(jié)策略實時地控制系統(tǒng)的射頻發(fā)射功率[6-8]。
2.1雷達探測模塊
在預警型園區(qū)車輛管理系統(tǒng)中,只有當車輛經(jīng)過時,相應的RFID讀寫器才需要工作;沒有車輛經(jīng)過時,讀寫器可以處在休眠狀態(tài),達到節(jié)省電能、延長讀寫器工作壽命的目的。在讀寫器兩邊分別布設10.525 GHz微波模塊來探測是否有車輛移動,如果有車輛移動,則啟動RFID模塊工作,準備識讀標簽(本系統(tǒng)同時也完成方向識別功能)。微波處理模塊電路如圖3所示,根據(jù)雷達測速原理,ft與fr的差值是計算車輛的移動速度的原始數(shù)據(jù),該輸出信號會送入圖4所示的驅(qū)動電路進行運算放大。
在本系統(tǒng)中,當IF端的頻率為72 Hz時,車輛移動速度大約為3.6 km/h,略高于成人正常的步行速度(在實際應用系統(tǒng)中,可以靈活調(diào)整)。
2.2 溫度傳感模塊
在本系統(tǒng)中,在沒有車輛經(jīng)過的情況下RFID讀寫器可能長時間處于休眠狀態(tài),且在極端氣候環(huán)境下,射頻模塊可能因溫度原因無法立即被喚醒并正常工作。因此,本文設計了溫度控制模塊, 將模塊溫度控制在0~+50℃之間。
溫度探測模塊直接使用2片DS18B20,該模塊在-10℃~+85℃范圍內(nèi)的精度可以滿足系統(tǒng)要求,當檢測溫度低于0℃時,給RFID模塊供電以保持其溫度不至于過低;當溫度高于5℃時,恢復休眠狀態(tài);當檢測到溫度高于50℃時,啟動散熱風扇工作,以免系統(tǒng)溫度過高。
2.3 雨量傳感模塊
UHF頻段的電磁波能量較容易被雨水吸收,因此,在雨量比較大的惡劣天氣狀況下,需要提高讀寫器的發(fā)射功率。本文設計了一個紅外散射式雨量傳感器系統(tǒng)以檢測降雨情況。
利用MCU內(nèi)的定時器輸出頻率為28 kHz的方波信號來驅(qū)動紅外發(fā)射管,紅外光以固定角度投射到玻璃上,反射光被紅外接收器接收。如果玻璃上無雨水,則接收器收到的紅外線總量穩(wěn)定且與發(fā)射器發(fā)出的紅外線基本相等;有降雨發(fā)生時,散射現(xiàn)象會導致接收到的紅外線總量小于發(fā)射總量,系統(tǒng)以此來判定是否有降雨發(fā)生。為盡量排除可見光的干擾,在玻璃下方疊加了一片濾光片。
3 軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
在基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器的基礎平臺上,發(fā)射功率自適應調(diào)節(jié)模塊主要包括雷達探測、溫度檢控、雨量檢控等功能。具體軟件實現(xiàn)流程如圖5所示。
參數(shù)預置模塊用于控制對應場景的射頻發(fā)射功率調(diào)節(jié)策略,可以通過網(wǎng)絡進行集中預置,也可以直接讀取本地存儲的預置參數(shù)。初始化并自檢通過后系統(tǒng)打開對應中斷,開始各功能模塊的檢測工作;否則轉(zhuǎn)向錯誤處理模塊進行處理并發(fā)出警告信息。
4 測試與分析
在模塊初始化成功后,能通過網(wǎng)絡讀取和預置調(diào)節(jié)參數(shù),人為斷開各功能模塊電路,錯誤處理模塊均能做出響應并向遠程集控機提交警告信息,系統(tǒng)進入應急工作模式。在基礎性模塊測試通過的基礎上逐項進行功能性測試。
4.1雷達探測模塊測試
雷達探測模塊主要用于將休眠中的射頻模塊喚醒,設定好喚醒的速度閾值,超過后就喚醒射頻模塊工作,發(fā)射功率則由雨量傳感模塊控制??紤]到在較低速度情況下汽車比較難于精確控制車速[9],設計用改裝的電控小車來模擬車輛行駛狀態(tài)。測試數(shù)據(jù)如表1所示。
按照理論計算,3.6 km/h應為射頻輸出控制的閾值,經(jīng)實際測得,車速在3.5 km/h時無射頻輸出,車速超過4.0 km/h時有射頻輸出,表明雷達探測模塊能夠正常工作并喚醒射頻模塊輸出。
4.2 溫度傳感模塊
由于受氣溫及實驗條件的限制,低溫環(huán)境最低只能測試到0℃,測試運行時臨時設定射頻模塊退出休眠的溫度為1℃,結果表明,溫度檢控模塊也能按照預期正常運作。測試數(shù)據(jù)如表2所示。
4.3 雨量傳感模塊
雨量傳感模塊主要用于控制射頻模塊的發(fā)射功率,以確??煽孔R讀車內(nèi)標簽。測試運行時,分別用霧化裝置和花灑來模擬4檔降雨量。測試數(shù)據(jù)如表3所示。
在正常工作狀態(tài)下,配合13 dBi增益的射頻天線,系統(tǒng)的射頻輸出功率約15 dBm,可以實現(xiàn)約3 m的識讀距離。在微量降雨(LL)至高強度降雨(HH)等4種狀態(tài)下,射頻輸出功率自動調(diào)節(jié)為20 dBm~30 dBm,基本實現(xiàn)了自適應調(diào)節(jié)功能。
本文通過多模塊協(xié)同工作,設計并實現(xiàn)了RFID讀寫器射頻發(fā)射功率的寬范圍自適應調(diào)節(jié),同時實現(xiàn)了調(diào)節(jié)策略本機單獨設定和網(wǎng)絡集中設定兩種模式,方便靈活部署。
參考文獻
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