“تقدم هذه الورقة تصميم علامات RFID النشطة بناءً على MSP430F2012 و nRF24L01 بالتفصيل. يتم تحليل الأداء المنخفض لاستهلاك الطاقة للشريحتين واقتراح مخطط تصميم استهلاك الطاقة المنخفض الخاص به ؛ جنبًا إلى جنب مع خصائص تحديد موقع RFID ، يتم تقديم طريقة تصميم العلامة التي تختلف عن الغرض العام لتحديد الهوية ، و يتم تحليل طريقة التصميم ، عملية تصميم البرنامج ، يتم تقديم القدرة المضادة للتصادم للنظام وفقًا لخصائص العديد من الأهداف المحددة في الفضاء العام وغالبًا ما تكون في حالة متحركة.
“
مقدمة: تقدم هذه الورقة تصميم علامات RFID النشطة بناءً على MSP430F2012 و nRF24L01 بالتفصيل. يتم تحليل الأداء المنخفض لاستهلاك الطاقة للشريحتين واقتراح مخطط تصميم استهلاك الطاقة المنخفض الخاص به ؛ جنبًا إلى جنب مع خصائص تحديد موقع RFID ، يتم تقديم طريقة تصميم العلامة التي تختلف عن الغرض العام لتحديد الهوية ، و يتم تحليل طريقة التصميم ، عملية تصميم البرنامج ، يتم تقديم القدرة المضادة للتصادم للنظام وفقًا لخصائص العديد من الأهداف المحددة في الفضاء العام وغالبًا ما تكون في حالة متحركة.
1 المقدمة
تستخدم تقنية تحديد الترددات الراديوية (RFID) الترددات الراديوية لتحقيق تبادل البيانات في اتجاهين وتحديد الهويات. يستفيد تحديد موقع RFID من ميزة التعريف هذه ويستخدم معلمات مثل قوة إشارة الاتصال بين القارئ والعلامة لتحديد المواقع المكانية.
تنقسم علامات RFID إلى نوعين: نشط وخامل وفقًا لوضع مصدر الطاقة[1]، تحصل العلامات السلبية على الطاقة عن طريق التقاط الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من القارئ ، والتي تتميز بمزايا التكلفة المنخفضة والحجم الصغير ؛ عادةً ما يتم تشغيل العلامات النشطة بواسطة البطاريات ، والتي تتمتع بمزايا مسافة الاتصال الطويلة وسرعة القراءة السريعة والموثوقية الجيدة .[2]، ولكن من أجل تلبية المواقع تحت الأرض لمناجم الفحم ، من الضروري النظر في تصميم منخفض الطاقة لتعزيز عمر البطارية. بدءًا من مفهوم تصميم العلامات النشطة ، تصمم هذه الورقة علامات RFID وفقًا لمبادئ الاستهلاك المنخفض للطاقة والكفاءة العالية لاحتياجات تحديد موقع RFID للفضاء الصغير الحجم ، وتوضح تكوين الأجهزة وعملية البرامج والقدرة على مقاومة الاصطدام.
2. تصميم أجهزة النظام
2.1 هيكل النظام
بالإضافة إلى مراعاة التكلفة المنخفضة والتصغير في تصميم العلامات النشطة ، فإن الشيء الأكثر أهمية هو اعتماد تصميم منخفض الطاقة.
من منظور الهيكل العام ، تشتمل علامة RFID عادةً على جزأين: طرف التحكم ونهاية التردد اللاسلكي. لذلك ، عند اختيار شريحة التحكم وشريحة التردد اللاسلكي ، من الضروري إعطاء الأولوية لأداء استهلاكها المنخفض للطاقة . على هذا الأساس ، تحدد هذه الورقة شريحة التحكم MSP430F2012 وشريحة تردد الراديو nRF24L01 ؛ يختار الهوائي هوائي Nordic’s PCB أحادي الطرف ؛ يستخدم الملصق بطارية زر 3V-500mAh لإمداد الطاقة. يعمل النظام في نطاق تردد 2.4 جيجا هرتز. يظهر الرسم التخطيطي لهيكل النظام في الشكل 1.
2.2 اختيار رقاقة وتصميم منخفض الطاقة
المتحكمات الدقيقة من سلسلة MSP430 التي قدمتها TI هي وحدات تحكم دقيقة لمجموعة تعليمات RISC من نوع فلاش 16 بت.[3]، المعروفة في الصناعة باستهلاكها المنخفض للغاية للطاقة.
جهد العمل لشريحة MSP430F2012 هو 1.8 ~ 3.6V فقط ، والاستهلاك الحالي في وضع خفض الطاقة هو 0.1μA ، والاستهلاك الحالي في وضع الانتظار هو 0.5μA فقط. في هذا التصميم ، يتم وضع MSP430F2012 في وضع الانتظار لفترة طويلة الوقت ، ويستيقظ بطريقة المقاطعة لجعله يدخل حالة العمل لفترة وجيزة لتوفير الطاقة. يحتوي MSP430F2012 على 3 مجموعات من مصادر الساعة المستقلة: VLO على الرقاقة ، مذبذب بلوري خارج الرقاقة ، DCO. من بينها ، تعتمد الساعة خارج الرقاقة على مذبذب بلوري خارجي ؛ يتم إنشاء DCO على الرقاقة ويكون التردد قابل للتعديل. من الواضح أن تردد ساعة النظام الرئيسي يحدد استهلاك الطاقة للنظام ، خاصة عند تحديد مذبذب بلوري عالي السرعة خارج الشريحة ، لذلك يوفر MSP430F2012 وظيفة التبديل بين مصادر الساعة المختلفة. في التصميم الفعلي ، يتم تحقيق التبديل بين ساعة النظام الرئيسية وساعة النظام الإضافية من خلال إعادة تكوين سجل التحكم الأساسي في الساعة في الوقت الفعلي ، والذي لا يوفر الأداء فحسب ، بل يوفر أيضًا استهلاك الطاقة.
يحتوي MSP430F2012 على خمسة أوضاع منخفضة لاستهلاك الطاقة هي LPM0 ~ LPM4. يعد الاستخدام المعقول لهذه الأوضاع الخمسة المحددة مسبقًا هو المفتاح لتقليل استهلاك طاقة MCU. في هذا التصميم ، سيدخل MSP430F2012 مباشرةً إلى وضع LPM3 بعد تهيئة التشغيل وتمكين المقاطعات في نفس الوقت . ، في انتظار إشارة المقاطعة الخارجية. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن MSP430F2012 هو كمبيوتر صغير متعدد الوظائف للأغراض العامة برقاقة واحدة ، فإنه يدمج العديد من الوحدات الوظيفية على الرقاقة.حتى إذا تم إيقاف جميع الوحدات الوظيفية غير المستخدمة أثناء تكوين التشغيل ، يمكن تقليل استهلاك طاقة النظام.
nRF24L01 عبارة عن شريحة جهاز إرسال واستقبال لاسلكية أحادية الشريحة منخفضة الطاقة بسرعة 2.4 جيجا هرتز تم تطويرها بواسطة شركة Nordic. تحتوي الشريحة على 125 نقطة تردد ، والتي يمكنها تحقيق اتصال لاسلكي من نقطة إلى نقطة ومن نقطة إلى عدة نقاط.يمكن أن يصل الحد الأقصى لمعدل الإرسال 2Mbps ، والجهد العامل هو 1.9 ~ 3.6 فولت[4]من أجل تسليط الضوء على أداء استهلاك الطاقة المنخفض ، تقوم الرقاقة بضبط وضعي الاستعداد ووضع واحد لخفض الطاقة.تجدر الإشارة إلى وضع ShockBurstTM ووضع ShockBurst المحسّن لـ nRF24L01[4]، يتم تحقيق المدخلات منخفضة السرعة والمخرجات عالية السرعة حقًا ، أي أن MCU ترسل البيانات إلى FIFO على الشريحة nRF24L01 بسرعة منخفضة ، ولكنها تنقلها بسرعة عالية تبلغ 1 ميجابت في الثانية أو 2 ميجابت في الثانية. يستخدم هذا التصميم وضع ShockBurstTM المحسن ، بحيث يمكن لـ MSP430F2012 نقل البيانات بسرعة عالية من خلال طرف التردد اللاسلكي حتى تحت مذبذب الكريستال منخفض السرعة البالغ 32768 هرتز ، والذي لا يقلل من استهلاك الطاقة فحسب ، بل يحسن أيضًا الكفاءة ، ويعزز نظام مضاد للتصادم والتعامل مع قدرة الهدف المتحرك.
2.3 تصميم الدوائر
يستخدم هذا النظام بشكل أساسي في تحديد موقع RFID. بالإضافة إلى التحديد البسيط ، ينصب التركيز على قياس قوة إشارة العلامة من قبل القارئ. لذلك ، لن تكون هناك عمليات قراءة وكتابة متكررة بكميات كبيرة من البيانات بين القارئ والعلامة ، والتي يمكن حذفها في تصميم الدائرة EEPROM خارج الشريحة في نفس الوقت ، يمكن حذف دائرة منظم الجهد لتوفير استهلاك التيار الهادئ. يظهر الرسم التخطيطي للأجهزة في الشكل 2.
3. تصميم برمجيات النظام
3.1 عملية البرنامج
ينتمي هذا النظام إلى نظام اتصال ثنائي الاتجاه. تكون العلامة في حالة الاستماع قبل إرسال البيانات ، ويتم تشغيل وظيفة الاستقبال في nRF24L01 ، ويكون MSP430F2012 في وضع LPM3 حتى يتلقى أمر “البدء” الذي يبثه القارئ ، ويستيقظ MSP430F2012 من خلال مقاطعة. بعد إيقاظ MSP430F2012 بواسطة المقاطعة ، يبدأ في الحكم على ما إذا كانت التعليمات صحيحة أم لا. إذا كانت صحيحة ، فإنها تدخل دورة الإرسال العادية ، وإلا فإنها تعود إلى وضع LPM3.
بالنظر إلى احتياجات تحديد المواقع في الوقت الفعلي ، لا يمكن للنظام إجراء عمليات تحقق محدودة مثل علامات RFID العادية. يتبنى النظام وضع الإرسال المستمر على فترات متساوية ، وهو أمر مناسب للقارئ لمراقبة موضع الهدف في الوقت الفعلي. الإرسال العادي الفترة التي حددها النظام هي 500 مللي ثانية ، والتي تم تعيينها بواسطة توقيت Timer_A لـ MSP430F2012 ، بعد بدء توقيت 500 مللي ثانية ، يتم إرسال معرف العلامة إلى FIFO من خلال SPI. يعتمد nRF24L01 وضع ShockBurstTM المحسن. إذا فشل الإرسال ، فسيتم إرساله إلى FIFO من خلال SPI. متابعة إعادة الإرسال. بعد إرسال معرف العلامة ، تحدد MSP430F2012 ما إذا كانت مهلة المؤقت قد انتهت أم لا. أدخل دورة الإرسال التالية ، وإلا انتظر حتى انتهاء المهلة. عندما يتوقف القارئ عن بث الأمر “ابدأ” ، يدخل MSP430F2012 مرة أخرى في وضع LPM3 لتقليل استهلاك الطاقة.
يظهر التدفق الكامل للنظام في الشكل 3.
3.2 تصميم مضاد للتصادم
يحتوي nRF24L01 على وظيفة الكشف عن الناقل الخاص به. قبل إرسال البيانات ، يتحول إلى وضع الاستقبال للمراقبة ، ويؤكد أن قناة التردد المراد إرسالها ليست مشغولة قبل إرسال البيانات. يمكن استخدام هذه الوظيفة لتحقيق بسيط للأجهزة المضادة للتصادم .
بالنظر إلى أن النظام يعتمد فاصل إرسال موحد يبلغ 500 مللي ثانية ، فقد تحدث تعارضات تحديد الهوية في المواقف التي يوجد فيها العديد من الأهداف التي يجب تحديد موقعها ، لذلك من الضروري زيادة خوارزمية مكافحة التصادم بشكل معقول في البرنامج. تُستخدم خوارزمية ALOHA بشكل أساسي للعلامات النشطة ، والمبدأ هو أنه بمجرد اصطدام حزمة البيانات بالمصدر ، سيرسل المصدر البيانات مرة أخرى بعد تأخير عشوائي. بالنظر إلى أن تعقيد البرنامج سيؤدي حتمًا إلى زيادة وقت المعالجة واستهلاك إضافي للطاقة ، يتبنى النظام خوارزمية ALOHA نقية بسيطة نسبيًا ، أي أن معرف العلامة يتم إرساله عشوائيًا في كل فترة توقيت 500 مللي ثانية ، الأمر الذي يتطلب A عشوائي يتم إدخال التأخير في البرنامج ، ويتم تحديد وقت التأخير من خلال دالة القيمة العشوائية ، ونطاق التأخير العشوائي هو 0 ~ 300 مللي ثانية. هذه الخوارزمية البسيطة المضادة للتصادم لا تبسط التعليمات فحسب ، بل تقلل أيضًا من الاحتمالية بشكل كبير الصراع.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن معدل إرسال n RF 2 4 L 0 1 هو 1 ميجابت في الثانية أو 2 ميجابت في الثانية ، ويتم إرسال حزمة بيانات واحدة في كل مرة ، والحد الأقصى لحزمة البيانات المفردة هو 32 بايت. بافتراض أن معرف العلامة هو 32 بايت ، عرض إشارة (وقت الإرسال) لإرسال المعرّف مرة واحدة بمعدل 2 ميغابت في الثانية حوالي 100 ~ 150 ميكرو ثانية ، وهو صغير جدًا مقارنة بفترة التوقيت بأكملها البالغة 500 مللي ثانية ، ولكن قد تظل هناك حالة تشبع للإرسال. في هذا الوقت ، يمكن تمديد فترة التوقيت بشكل مناسب لزيادة سعة القناة. يعد معدل الإرسال الأسرع مفيدًا في تحديد الأهداف المتحركة وتحديد مواقعها ، ويمكن أيضًا أن يؤدي طول البيانات الأقصر إلى تحسين قدرة العلامة المضادة للتصادم بشكل كبير على أساس التأخير العشوائي ، لذلك يجب أن يقتصر طول معرف العلامة على 32 بايت بنفس القدر بقدر الإمكان.
4. نتائج الاختبار
بالنسبة لأنظمة RFID ، فإن المعلمة الأكثر أهمية هي مسافة القراءة[5]ومعدل القراءة الفعال. معدات الاختبار التجريبية عبارة عن 3 بطاقات ، قارئ واحد ، وجهاز كمبيوتر واحد.تم تصميم القارئ على أساس رقائق MSP430F149 و nRF24L01 ، ويتصل بجهاز الكمبيوتر من خلال المنفذ التسلسلي RS232. في الاختبار ، تم وضع 3 بطاقات على بعد 15 مترًا و 30 مترًا و 45 مترًا من القارئ ، وكانت معرّفات الملاحظات هي AABBCCDDFFFFFF01 و AABBCCDDFFFFFF02 و AABBCCDDFFFFFF03. تمت قراءة كل علامة بشكل مستمر لمدة ساعة واحدة (حوالي 7200 مرة).
من نتائج الاختبار في الجدول 1 ، تكون مسافة القراءة العادية للعلامة في حدود 30 مترًا ، والتي يمكن أن تلبي التطبيق الداخلي العام.عندما تكون المسافة 45 مترًا ، ينخفض معدل القراءة بشكل ملحوظ.لأن تصميم الهوائي له تأثير كبير على أداء النظام[6]، من خلال تحسين هوائي العلامة للحصول على طاقة خرج أكبر ، يمكن أن يؤدي تحسين حساسية استقبال الهوائي للقارئ أيضًا إلى تحسين أداء النظام بشكل كبير.
5. الخلاصة
تقدم هذه الورقة تصميم علامات RFID النشطة بناءً على MSP430F2012 و nRF24L01 بالتفصيل. يتم تحليل الأداء المنخفض لاستهلاك الطاقة للشريحتين واقتراح مخطط تصميم استهلاك الطاقة المنخفض الخاص به ؛ جنبًا إلى جنب مع خصائص تحديد موقع RFID ، يتم تقديم طريقة تصميم العلامة التي تختلف عن الغرض العام لتحديد الهوية ، و يتم تحليل طريقة التصميم ، عملية تصميم البرنامج ، يتم تقديم القدرة المضادة للتصادم للنظام وفقًا لخصائص العديد من الأهداف المحددة في الفضاء العام وغالبًا ما تكون في حالة متحركة. يحتوي النظام بأكمله على دائرة بسيطة وصغيرة الحجم واستهلاك منخفض للطاقة ، ويمكن أن تصل مسافة الاتصال إلى عدة عشرات من الأمتار من خلال هوائي متطابق جيدًا ، والذي يمكنه تلبية متطلبات تحديد المواقع في الفضاء العام صغير الحجم تحت الأرض في صناعة مناجم الفحم .
The Links: BSM200GA120DN2 TT250N18KOF12M1