Conexiunile mobile nu au fost adoptate pe scară largă pentru aplicaţii de comandă şi control din industria de automobile datorită câtorva motive foarte întemeiate. Distanţele relativ mici şi natura fixă a subsistemelor de comunicaţii fac legăturile mobile inutile pentru multe aplicaţii. De asemenea, siguranţa în funcţionare necesară pentru funcţiile critice de securitate exclud sistemele mobile ca o opţiune viabilă. Introducerea bus-urilor Control Area Network pentru reducerea numărului de fire din automobil a eliminat necesitatea de conexiuni mobile pentru micşorarea greutăţii sistemelor. Pentru anumite domenii, cum ar fi Remote Keyless Entry (RKE) sau Tyre Pressure Sensing (TPS), o conexiune mobilă poate oferi totuşi anumite avantaje.
De la introducerea lor acum câţiva ani, sistemele pentru introducere de date fără tastatură (keyless entry systems) s-au îmbunătăţit considerabil. Primele sisteme aveau un număr serial de doar câţiva biţi, număr ce era transmis de la cheie la controlerul din automobil. Controlerul verifica pur şi simplu dacă numărul serial era corect şi debloca uşa.
Aceste sisteme erau foarte nesigure deoarece semnalul putea uşor fi inteceptat. Astfel infractorii aveau acces într-un mod foarte elegant la automobil, fără a-i pricinui stricăciuni sau a trezi suspiciuni. Infractorul trebuia doar să transmită toate combinaţiile posibile pentru numărul serial sau să intercepteze codul atunci când proprietarul deschidea maşina, cod pe care l-ar fi transmis mai târziu.
Sistemele RKE actuale rezolvă aceste probleme făcând numărul serial sau codul atât de lung încât ar fi nevoie de câteva zeci de ani pentru a genera toate combinaţiile posibile. Pentru a preveni interceptarea şi retransmiterea codului, sistemele actuale RKE schimbă codul de fiecare dată când acesta este folosit. Acest lucru este realizat printr-o metodă cunoscută ca incrementare a codului, implementată prin incrementarea şi codarea valorii înainte de transmiterea codului. Receptorul decodează codul şi verifică faptul că valoarea codului a fost incrementată faţă de valoarea anterioară folosită pentru deblocarea automobilului. Aceste sisteme de înaltă securitate sunt astăzi uşor de realizat folosind familia de produse pentru incrementarea codului Keeloq® de la Microchip.
În viitor, controlul accesului la automobile va folosi sisteme Passive Keyless Entry (PKE), ce sunt activate atunci când proprietarul se apropie de automobil cu cheia în buzunar. Sistemul de pe automobil verifică dacă cheia este în apropiere şi deblochează uşa atunci proprietarul apasă pe mâner. Acest lucru necesită un sistem mobil de comunicaţii bidirecţional care trimite o interogare de la automobil către cheie, iar cheia transmite înapoi către automobil interogarea codată (vezi figura 1).
Există puţine automobile ce au sisteme de sesizare a presiunii în pneuri, dar rapoartele recente privind accidentele datorate presiunii incorecte i-au determinat pe producători să facă sistemele de sesizare a presiunii în pneuri un accesoriu obligatoriu pentru toate automobilele. Un sistem de bază conţine un traductor ce măsoară temperatura şi presiunea şi transmite periodic datele către unitatea de recepţie din automobil prin intermediul unei legături RF. Receptorul este în legătură cu un display din interiorul automobilului pentru atenţionarea şoferului în cazul în care unul dintre pneuri este prea umflat sau dezumflat.
O problemă care apare atunci când se folosesc traductoare unidirecţionale este determinarea pneului de la care se transmite. Acest neajuns se poate rezolva în mai multe feluri, cum ar fi identificarea pneului pe baza numărului serial transmis, folosirea de receptoare direcţionale sau detectarea vitezei de rotaţie a roţii atunci când automobilul ia curbe şi apoi aflarea prin calcul a roţii în cauză. Niciuna dintre aceste metode nu este optimă. La metoda în care se foloseşte numărul serial apar probleme atunci când se înlocuieşte o roată sau când roţile sunt schimbate între ele, ceea ce ar necesita un proces de iniţializare manual pentru asignarea câte unui număr serial la fiecare poziţie. Metodele folosind receptoarele direcţionale şi viteza de rotaţie a roţii sunt complexe şi scumpe.
O altă problemă a sistemelor TPS este consumul de putere. Traductoarele unidirecţionale trebuie să transmită periodic presiunea, chiar dacă automobilul este parcat, deoarece nu are informaţii că automobilul este în mişcare sau nu. Pentru rezolvarea acestei probleme este necesară o baterie cu durată mare de viaţă sau un accelerometru pentru a determina dacă roata este în mişcare. Niciuna dintre aceste soluţii nu este optimă deoarece bateria este grea şi accelerometrul ridică costul sistemului.
Soluţia ideală pentru realizarea unui sistem unidirecţional ce trebuie să aibă o durată de viaţă de 10 ani cu o baterie este folosirea unei legături mobile bidirecţionale pentru fiecare roată, aşa cum se vede în figura 2. Astfel se rezolvă şi problema identificării deoarece sistemul de pe automobil poate cere fiecărei roţi măsurători privind presiunea. Soluţia este eficientă şi din punct de vedere al consumului de putere deoarece funcţionează numai atunci când automobilul este utilizat.

Folosirea pentru comunicaţie a câmpului magnetic
Problema care apare pentru sistemele PKE şi TPS este realizarea unei legături mobile bidirecţionale care îndeplineşte condiţiile privind consumul de putere, de domeniu de acoperire, de costuri şi de dimensiuni fizice. Comunicaţiile de la cheie sau de la pneuri către automobil pot fi realizate folosind circuite de emisie RF de mică putere, deja implementate de sistemele RKE şi TPS. Convertirea unui circuit de emisie într-unul receptor nu este o soluţie viabilă deoarece emiţătorul trebuie să funcţioneze tot timpul, consumând astfel foarte repede bateria. Este necesar un receptor de foarte mică putere pentru realizarea comunicaţiei între cheie şi pneu.
Acest lucru poate fi realizat folosind aceeaşi tehnologie utilizată de diferitele sisteme de identificare ca etichetele de pe haine din magazine (cunoscute şi ca transpondere) pentru detectarea sustragerilor de haine. Aceste sisteme folosesc un inductor rezonant (miezul antenei) şi un condensator pentru generarea unui câmp magnetic de frecvenţă 125 kHz sau 13.56 MHz şi sunt comparabile cu un transformator de mică eficienţă. Comunicaţia este realizată prin comutarea on/off a câmpului pentru a crea semnalul digital. Acest lucru permite implementarea receptorului din cheie sau din pneu doar cu un inductor şi un condensator. La transpondere câmpul trebuie să fie destul de puternic şi pentru generarea tensiunii de alimentare, dar în cazul nostru trebuie baterii pentru alimentarea traductorului din cheie şi din pneu sau dacă cheia este folosită ca un emiţător normal RKE.
Cu toate că comunicaţia magnetică către cheie rezolvă problemele privind consumul de putere şi cele privind dimensiunile fizice, are totuşi limitări în ceea ce priveşte domeniul de acoperire, rata de date şi puterea necesară pe automobil pentru realizarea unei conexiuni sigure. Atât pentru PKE cât şi pentru TPS este necesar un domeniu de la 1 la 2 metri, ceea ce necesită un circuit sensibil de intrare care consumă foarte puţin.
O altă limitare este următoarea: câmpul magnetic este direcţional, ceea ce face ca să conteze orientarea receptorului. Aceast lucru nu este o problemă pentru TPS, deoarece orientarea roţii faţă de axă nu se schimbă semnificativ. În cazul PKE totuşi, cheia nu are o orientare fixă în buzunar. Pentru rezolvarea acestei probleme se pot orienta ortogonal trei inductoare/capacitoare, cu trei circuite sensibile de intrare pentru o recepţie tridimensională. Domeniul de acoperire al produselor Keeloq de la Microchip, un standard pentru RKE tradiţional, oferă şi soluţii PKE cu până la trei intrări sensibile integrate, astfel că producătorul trebuie doar să adauge inductoarele şi capacitoarele.

Conexiuni RF de mică putere
Aşa cum am arătat mai devreme, comunicaţia între cheie sau pneu şi automobil foloseşte circuitele RF existente pentru benzile de 315 şi 433MHz. Circuitele actuale RF de mică putere sunt de obicei bazate pe rezonatoare Surface Acoustic Wave (SAW) ce folosesc foarte puţine componente şi pe emiţătoare RF Amplitude Shift Key (ASK) RF. Odată cu creşterea restricţiilor privind emisiile de unde RF, mai ales în Europa şi Japonia, se trece tot mai mult către sisteme de tip Phase Lock Loop (PLL) ce folosesc cristale de cuarţ pentru o mai bună stabilitate a frecvenţei. Acest lucru permite utilizarea de receptoare de bandă mică pentru îmbunătăţirea domeniului de acoperire în comparaţie cu soluţiile cu SAW. Anumite sisteme au trecut în benzile de frecvenţe de 868 sau 915 MHz datorită încărcării benzilor şi interferenţelor ce apar în benzile mici de frecvenţe.
Soluţiile ce folosesc PLL sunt de asemenea disponibile integrate cu microcontrolerul într-o singură capsulă. Dispozitivele rfPIC™ sunt un exemplu de microcontroler integrat cu circuitele RF pentru aceste aplicaţii, acolo unde dimensiunile fizice sunt condiţii critice. Soluţiile integrate folosesc chiar mai puţine componente în comparaţie cu circuitele SAW şi permit Shift Key (FSK), ce se comportă mai bine la zgomot şi oferă un câştig suplimentar de 3dB, în funcţie de reglementările locale.

Consideraţii privind securitatea
Deoarece sistemele TPS sunt implementate pentru mărirea siguranţei, ele acţionează ca indicatoare ale faptului că presiunea este scăzută în pneuri, iar conducătorul trebuie să ia măsurile necesare. Este clar totuşi că erorile de funcţionare ale acestui sistem au un impact foarte mare asupra companiilor ce produc aceste sisteme. Partea electronică a traductorului de presiune în pneuri trebuie să suporte temperaturi şi acceleraţii mari pentru perioade lungi de timp. Pentru realizarea unei conexiuni mobile sigure este importantă amplasarea antenei pe roată, datorită greutăţii acesteia.
Un aspect al sistemelor TPS ce este deseori trecut cu vederea este securitatea. Capturarea codului şi retransmiterea acestuia sunt posibile în cazul sistemelor TPS nesigure. Un infractor poate parca lângă vehicolul pe care vrea să-l spargă, să captureze transmisiile de date privind măsurătorile de presiune şi apoi să transmită un semnal fals ce indică o presiune scăzută în pneuri. Se crează astfel o ocazie foarte bună pentru furtul maşinii atunci când conducătorul maşinii schimbă roata. Sistemul de comunicaţie bidirecţional rezolvă această problemă deoarece receptorul ştie când trebuie să aştepte o transmisie de la o anumită roată, iar timpul în care se face comunicarea nu este suficient pentru infractor pentru a detecta comanda. Caracteristici avansate de securitate includ folosirea unei scheme de codare, precum şi verificarea presiunii din pneuri la momente aleatoare de timp şi într-o ordine aleatoare.

Combinarea keyless entry şi sesizarea presiunii pneurilor
Datorită asemănărilor mari între sistemele PKE şi TPS, este clar că cele două au multe componente comune. La nivel de sistem, ele pot folosi amândouă receptorul RF pentru a recepţiona transmisia de la cheie şi de la traductoarele pentru presiunea din pneuri. Miezul antenei folosit pentru generarea câmpului magnetic poate fi folosit şi pentru activarea cheii PKE, cu toate că domeniul de acoperire al comunicaţiei magnetice poate fi un factor limitator. Sistemul combinat este arătat în figura 3.
La nivel de componentă, ambele sisteme pot folosi acelaşi miez pentru antenă pe vehicol şi pe roată sau pe cheie. Poate fi folosit acelaşi microcontroler pentru interfaţarea traductorului de presiune şi a cheii. Acest microcontroler necesită un curent mic de standby şi funcţionează la o tensiune de alimentare de 2V pentru limitarea consumului de putere. El necesită de asemenea un EEPROM on-board sigur pentru stocarea informaţiilor privind securitatea pentru cheie şi valorile de calibrare pentru interfaţa traductorului de presiune. O viitoare integrare a circuitului de intrare al transponderului şi a emiţătorului RF va oferi o soluţie cu un număr minim de componente externe.

Concluzii
Conectivitatea mobilă este folosită pentru industria de automobile la conectarea la Internet, pentru telefonie şi pentru alte scopuri, dar ea poate fi folosită şi pentru alte aplicaţii mai puţin evidente. TPS şi PKE sunt exemple bune de aplicaţii practice şi folositoare ale comunicaţiilor mobile. Asemănările dintre sisteme oferă o posibilitate excelentă pentru realizarea de soluţii sigure şi ieftine.

Fanie Duvenhage, Product Marketing Manager
Microchip Technology Inc.
www.microchip.com