Entwurf und Implementierung eines ARM-basierten Systems (HW/SW) zur Verarbeitung und Übertragung von RFID-Tag-Daten
Herzlich Willkommen auf dieser Seite zu unserer Bachelor-Thesis!
Wir haben uns im Wintersemester 2012/2013 mit der Entwicklung eines ARM-basierten Systems zur Übertragung von RFID-Tag-Daten beschäftigt.
Für Rückfragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung!
Emden, im Februar 2013
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Christian Seidel
[seidelchristian [at] me.com] |
Markus Kybart
[markus [at] kybart.net] |
1. Ausgangssituation
In näherer Zukunft sollen in Emden Freischwimmveranstaltungen stattfinden. Wie bei sportlichen Wettkämpfen üblich, sollen auch bei diesen Veranstaltungen Sieger ermittelt werden. Um Platzierungen und somit auch Sieger ermitteln zu können, sind Zeitmessungen notwendig. Ein System soll diese Messungen nun in einem automatisierten Verfahren durchführen. Für ein derartiges System gibt es eine Reihe an Anforderungen: So müssen die Zeitmessungen genau und zu einer Person eindeutig zuordenbar sein, denn sportliche (Höchst-)Leistungen können nicht jederzeit wiederholt werden. Daher muss auch eine Ausfallsicherheit der Komponenten sichergestellt sein. Die erhobenen Daten sollen aus demselben Grund auch sicher aufbewahrt werden, daher ist eine redundante Datenhaltung vorgesehen. Zwar gibt es auf dem Markt bereits vergleichbare Systeme, dennoch möchte der Veranstalter nicht auf diese zurückgreifen. Zum einen liegt es an den immensen monetären Aufwendungen, die für einen Einsatz aufgebracht werden müssten. Zum anderen wäre es wahrscheinlich, dass durch den Einsatz eines anderen, bereits existierenden, Systems nicht alle durch den Veranstalter gestellten Anforderungen erfüllt würden.
2. Systemkomponenten
Das in dieser Bachelor-Thesis zu erstellende System besteht aus mehreren Komponenten die sich aus den gegebenen Anforderungen ergeben.
Dabei handelt es sich um ein RFID-Lesegerät, einen Daten-Sender, einen Daten-Empfänger und eine Windows-Applikation. Die Windows Applikation speichert die empfangenen Daten auf dem PC in einer Datei.
Das RFID-Lesegerät wird durch ein externes Projekt zur Verfügung gestellt. Die anderen drei Komponenten werden durch diese Bachelor-Thesis realisiert.
RFID-Lesegerät
Das RFID-Lesegerät ist eine externe Komponente, die die RFID-Tags der Armbänder einlesen soll. Zu den RFID-Tags wird automatisch - durch diese Komponente - ein Zeitstempel hinzugefügt. Der Datensatz wird über eine serielle Schnittstelle an den Sender übermittelt. An dem Lesegerät befindet sich außerdem die Startvorrichtung für die Zeitmessung.
Sender
Der Sender empfängt von dem RFID-Lesegerät die kompletten Datensätze. Diese Datensätze werden in einem nicht flüchtigen Speicher und optional auf einem externen Speichermedium zwischengespeichert. Parallel dazu werden die Daten über ein ZigBee-Modul drahtlos an den Empfänger übermittelt. Die Daten des nichtflüchtigen Speichers können über die USB-Schnittstelle abgerufen werden.
Empfänger
Der Empfänger empfängt die vom Sender drahtlos übermittelten Daten und schreibt diese ebenfalls in einen nicht flüchtigen Speicher. Parallel dazu sendet der Empfänger die empfangenen Daten über eine USB-Verbindung an die Windowsapplikation „Data-Receiver“.
Windows-Applikation
Die Applikation empfängt über USB-Verbindung die vom Lesegerät übermittelten Datensätze und schreibt diese in eine CSV-Datei. Die CSV-Datei kann innerhalb der Applikation ausgegeben werden. Außerdem ist die Applikation in der Lage, den Sender oder Empfänger fernzusteuern.
3. Hardware
Um den Anforderungen gerecht zu werden wurde das gesamte System in drei Module aufgeteilt. Die Aufteilung erfolgte nach den Anforderungen der Einzelsysteme. Die folgende Tabelle zeigt alle benötigten Komponenten und in welchem Teilsystem sie benötigt werden. Daraus folgt dann die Ableitung für den modularen Aufbau der Hardware.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf den Teilsystemen Master und Slave. Da aber auch das optionale Teilsystem eine Spannungsversorgung und eine MCU benötigt wird diese gleich mit angefertigt. Die anderen Komponenten sind durch die farblichen Markierungen zusammengefasst:
- Grün --> Dieses Modul ist das „STM32 Board“ in der Version 1.0 mit der Spannungsversorgung.
- Rot --> Dieses Modul beinhaltet den Flash-Speicher, das ZigBee-Modul, eine USB-Schnittstelle und eine LED-Anzeigeneinheit
- Gelb --> Dieses Modul enthält die zusätzlichen Funktionen, die nur das Master-Teilsystem benötigt
- Schwarz --> Dieses Modul würde ein LC-Display, einen SD-Karten-Leser und ein ZigBee-Modul enthalten
4. Software
Zur Realisierung des angestrebten Systems ist neben der Hardware auch Software notwendig. Dabei muss zwischen der Mikrocomputer-Software und der Windows-Applikation unterschieden werden. Bei der Mikrocomputer-Software ist zu beachten, dass der Aufbau modular ist. Dies bedeutet, dass die geschriebenen Funktionen standartmäßig auf allen, auf dem Hardwareteil dieser Bachelor-Thesis basierenden Endgeräten, funktionsfähig sind.
Die Windows-Applikation ist nicht restriktiv modular aufgebaut, sondern an das individuelle Anforderungsprofil dieser Bachelor-Thesis angepasst. In dieser Implementierung ist die Kommunikation zwischen den verschiedenen Softwareteilen möglich. Dies bedeutet, dass die Mikrocomputer-Komponenten über die USB-Schnittstelle mit der Windows-Applikation kommunizieren und darüber Daten austauschen können. Ebenso können über die Applikation Befehle an das jeweilige angeschlossene Gerät übermittelt werden. 
5. Fazit
Zusammenfassend lässt sich für diese Bachelor-Thesis ein positives Fazit ziehen. Das entwickelte System erfüllt -mit einer Ausnahme- alle Grundanforderungen.
So werden die erfassten Daten redundant gespeichert (1 * SD-Karte / 1 * Flash-Speicher) und lassen sich mittels einer speziell für das System entwickelten Windows-Applikation abrufen. Die Daten sind gegen ein versehentliches Löschen geschützt und das ganze System ist modular und Strahlwassergeschützt.
Die Datenübertragung per Funk stellte die Ersteller dieser Thesis vor eine besondere Herausforderung. Das Thema der Datenübertragung via Funk mittels der ZigBee-Module ist so komplex das eine hardwareseitige Integration der Module gut zu realisieren war jedoch eine softwareseitige Implementierung nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Die bis zur Abgabe dieser Arbeit erlangten Informationen und Erkenntnisse wurden für die entsprechende Weiterendwicklung Weitergegeben.
Durch die gleichzeitige Entwicklung der Hard- und Software ergaben sich Abhängigkeiten. Es konnte zwar Software auf der oben genannten Testumgebung entwickelt werden, dennoch war diese nicht immer auf dem Endsystem im benötigten Maße lauffähig. Bei Nachfolgeprojekten sollte daher evtl. ein zeitlicher Versatz zwischen der Hard- und Softwareentwicklung eingeplant werden, sodass die Entwickler vom Anfang an auf der Basis der eingesetzten Hardware die Software programmieren und testen können.
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