華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院 王 建 周慧聰 陳俊熹 馮步翰華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 黃 東
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無(wú)線(xiàn)電測(cè)向智能控制平臺(tái)的構(gòu)建探討
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院王建周慧聰陳俊熹馮步翰
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院黃東
【摘要】本次設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)作為總控芯片,構(gòu)建了無(wú)線(xiàn)電測(cè)向系統(tǒng)智能控平臺(tái),通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊、RFID識(shí)別模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊,將原本相互獨(dú)立的電臺(tái)調(diào)節(jié)與電子計(jì)時(shí)、信息登錄等環(huán)節(jié)納入到同一個(gè)可控系統(tǒng)中,解決了目前無(wú)線(xiàn)電測(cè)向運(yùn)動(dòng)高成本、浪費(fèi)人力等問(wèn)題,提高了無(wú)線(xiàn)電測(cè)向競(jìng)賽的公正性,有利于無(wú)線(xiàn)電測(cè)向運(yùn)動(dòng)的推廣。
【關(guān)鍵詞】無(wú)線(xiàn)電測(cè)向;STM32;RFID
無(wú)線(xiàn)電測(cè)向是近20年來(lái)興起的一項(xiàng)科技體育競(jìng)賽,它使用測(cè)向機(jī)按照一定規(guī)則尋找隱蔽電臺(tái)進(jìn)行“無(wú)線(xiàn)電捉迷藏”活動(dòng),是一項(xiàng)集科技、競(jìng)技、娛樂(lè)于一體的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目,尤其對(duì)青少年心智和體力的發(fā)展有著極大的幫助[1]。此競(jìng)賽既能豐富人們的電子知識(shí),又能提高身體素質(zhì),得到越來(lái)越多人的青睞。目前,國(guó)家賽事中已經(jīng)有使用電子計(jì)時(shí)打卡系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)利用指卡記錄信息,實(shí)現(xiàn)復(fù)位,記錄時(shí)間、信號(hào)臺(tái)序號(hào)和智能判別有效臺(tái)數(shù)等功能,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化,有效減少了競(jìng)賽時(shí)的作弊、裁判誤判以及后期統(tǒng)計(jì)成績(jī)時(shí)的工作量,不過(guò)該系統(tǒng)相當(dāng)昂貴,尚不能實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)地信號(hào)臺(tái)的控制。本文描述的無(wú)線(xiàn)電測(cè)向智能控制平臺(tái)旨在探索無(wú)線(xiàn)電測(cè)向運(yùn)動(dòng)智能化、無(wú)人化管理,降低運(yùn)動(dòng)成本,具有較好的推廣使用價(jià)值。
該智能控制平臺(tái)是一個(gè)基于STM32F103單片機(jī)作為總控芯片為測(cè)向運(yùn)動(dòng)提供打卡、計(jì)時(shí)、電臺(tái)信號(hào)調(diào)頻與統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)員比賽信息的系統(tǒng),其外圍設(shè)備和各自的主要特點(diǎn)為:
①TFTLCD屏:終端屏幕顯示,界面操作友好;
②無(wú)線(xiàn)通信模塊:采用NRF24L01+PA+LNA模塊,用于實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸距離可遠(yuǎn)達(dá)1.5km;
③RFID射頻識(shí)別模塊:采用NXP公司RC 522模塊作為讀卡器,13.56MHz工作頻率,每個(gè)運(yùn)動(dòng)參與者手中的ID卡將是此運(yùn)動(dòng)賽的唯一識(shí)別碼,通過(guò)RFID讀卡獲得參與者找到的電臺(tái)數(shù)量以及競(jìng)賽完成情況。
本文系統(tǒng)使用一種高效的讀寫(xiě)器防沖撞算法代替了現(xiàn)有的防沖撞算法[2],在此RFID網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)使用二進(jìn)制搜索的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),工作示意如圖1.1所示,二進(jìn)制搜索算法程序流程如圖1.2所示,解決了在具有移動(dòng)讀寫(xiě)器的稠密或動(dòng)態(tài)RFID網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用現(xiàn)有的防沖撞算法引起的較嚴(yán)重的標(biāo)簽沖撞問(wèn)題;
④信號(hào)臺(tái)及步進(jìn)電機(jī):信號(hào)臺(tái)選型號(hào)為T(mén)3500B,工作頻段3500-3600kHz,具有9個(gè)可調(diào)頻段。采用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)四相八拍步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48對(duì)信號(hào)臺(tái)進(jìn)行調(diào)頻,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)隨機(jī)電臺(tái)控制。當(dāng)終端主控接收到運(yùn)動(dòng)開(kāi)始信號(hào)時(shí),各個(gè)從機(jī)將會(huì)收到主機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),從機(jī)將會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)對(duì)電臺(tái)進(jìn)行調(diào)信號(hào)頻段。參賽選手可根據(jù)自身情況或比賽要求捕獲系統(tǒng)發(fā)出的電臺(tái)信號(hào),并進(jìn)行相應(yīng)的搜索行動(dòng)。
圖1.1 讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽的工作示意圖
圖1.2 二進(jìn)制搜索算法程序流程圖
2.1 硬件部分
MCU控制部分使用單片機(jī)搭建應(yīng)用系統(tǒng),要求MCU具有多個(gè)SPI接口、定時(shí)器、IIC接口以及UART通信接口。綜合考慮后選擇了STM32F103C8T6。其最小系統(tǒng)如圖2.1所示[4]。
圖2.1 MCU最小系統(tǒng)
RFID射頻識(shí)別模塊電路如圖2.2所示[3]。通過(guò)RFID,每個(gè)運(yùn)動(dòng)參與者手中的ID卡將是此運(yùn)動(dòng)賽的唯一識(shí)別碼,對(duì)RFID讀卡獲得參與者找到的電臺(tái)數(shù)量以及競(jìng)賽完成情況。RFID讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊回傳給主系統(tǒng),主系統(tǒng)將自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到AT24C02存儲(chǔ)芯片中,具有掃描速度快、攜帶方便、重復(fù)使用率高等優(yōu)點(diǎn)。
圖2.2 RFID模塊電路
遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信采用NRF24L01+PA+LNA模塊,2.4G ISM頻段,組成星形網(wǎng)絡(luò),通過(guò)SPI與外部MCU通信,最大的SPI速度可以達(dá)到10MHz,實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電電臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸。該模塊的外觀和引腳圖如圖2.3所示。
圖2.3 NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊外觀引腳圖
本系統(tǒng)的NRF24L01使用處理器的SPI2接口,
NRF24L01的SPI通信時(shí)序如圖2.4所示。
圖2.4 NRF24L01讀寫(xiě)操作時(shí)序
無(wú)線(xiàn)電測(cè)向發(fā)射機(jī)采用工作頻段為3500-3600kHz 的T3500B型信號(hào)臺(tái),接收機(jī)為目前青少年測(cè)向活動(dòng)中廣泛使用的80m波段無(wú)線(xiàn)電測(cè)向機(jī),其線(xiàn)路簡(jiǎn)單,性能良好,價(jià)格較低。
可調(diào)信號(hào)臺(tái)的電路如圖2.5所示,由晶體振蕩級(jí)、緩沖放大級(jí)、推動(dòng)級(jí)、射頻功放級(jí)和單片機(jī)發(fā)報(bào)控制電路所組成。振蕩級(jí)是個(gè)典型的電容三點(diǎn)式振蕩電路,由3.579M晶體和T1組成,其輸出頻率完全取決于晶體頻率。T2是個(gè)射極輸出形式的電路,用來(lái)放大B1輸出的射頻信號(hào),以提高驅(qū)動(dòng)T3的能力。T3用作射頻功放前的推動(dòng)部分,其供電端(B2的上端)受T4控制。單片機(jī)可以根據(jù)測(cè)向信號(hào)所需的節(jié)奏,通過(guò)控制T3的供電來(lái)影響射頻的輸出。射頻經(jīng)過(guò)T3放大進(jìn)入B2選頻后由次級(jí)輸出。B4用于讀取向外輻射高頻電流,其和表頭A配合能讓使用者直觀了解天線(xiàn)向外的輻射情況。隨后,射頻進(jìn)入天線(xiàn),B5是天線(xiàn)的底部電感線(xiàn)圈,可以使天線(xiàn)和功放獲得合理匹配,使得天線(xiàn)最大限度地向外輻射能量。
圖2.5 可調(diào)信號(hào)臺(tái)電路
2.2軟件部分
本系統(tǒng)主程序創(chuàng)建了鍵盤(pán)接口監(jiān)聽(tīng)、無(wú)線(xiàn)通信監(jiān)聽(tīng)和RFID射頻識(shí)別監(jiān)聽(tīng)三個(gè)線(xiàn)程,主流程如圖2.6所示,各線(xiàn)程流程如圖2.7-圖2.9所示。其中,鍵盤(pán)接口監(jiān)聽(tīng)線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)的控制按鍵動(dòng)作的檢測(cè);無(wú)線(xiàn)通信監(jiān)聽(tīng)線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)主機(jī)和各從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行信息的反饋;RFID射頻識(shí)別監(jiān)聽(tīng)線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)參與者的電子標(biāo)簽的信息讀取。
圖2.6 系統(tǒng)軟件的主流程圖
圖2.7 按鍵接口查詢(xún)流程圖
圖2.8 無(wú)線(xiàn)通信查詢(xún)流程圖
圖2.9 RFID射頻識(shí)別查詢(xún)流程圖
目前,已使用如圖3.1與圖3.2所示的實(shí)物系統(tǒng)完成了以下4項(xiàng)測(cè)試指標(biāo):①實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)距離遠(yuǎn)達(dá)1.5km的數(shù)據(jù)通訊;②在行走的過(guò)程中,利用RFID移動(dòng)防沖撞算法實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽的讀取,并獲取正確、實(shí)時(shí)的參賽者運(yùn)動(dòng)情況和提示信息;③競(jìng)賽開(kāi)啟時(shí),能通過(guò)主機(jī)控制從機(jī)實(shí)現(xiàn)電臺(tái)信號(hào)的調(diào)制;④能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)參賽者的用時(shí)情況并進(jìn)行名次統(tǒng)計(jì)。
圖3.1 系統(tǒng)集成實(shí)物圖
圖3.2 信號(hào)臺(tái)實(shí)物圖
目前無(wú)線(xiàn)電測(cè)向運(yùn)動(dòng)趨于大眾化,同時(shí)也趨于更加智能化,這樣不僅能夠降低人力成本,還能有效減少因?yàn)槿斯こ霈F(xiàn)的錯(cuò)誤和作弊現(xiàn)象。本文介紹通過(guò)STM32微處理器進(jìn)行主控的智能控制平臺(tái),在測(cè)試中能夠確保在1.5km的通訊距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電測(cè)向,有效降低無(wú)線(xiàn)測(cè)向系統(tǒng)的成本。
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王建(1968—),男,湖北武漢人,博士,副教授,研究領(lǐng)域:光電信息控制與處理。
作者簡(jiǎn)介: