射频识别方法在行车安全保障系统中的研究

射频识别方法在行车平安保障系统中的研究汽车在促进人类文明的同时，也给我们带来了以道路交通事故为主要表现形式的重大灾难。在创造汽车之前，道路交通伤害只涉及到马车、推车、动物和人，自机动车开始普遍使用，道路交通造成的伤害那么呈指数倍增加。目前，交通事故伤害己成为全球疾病负担的前十大原因之一，而且其排序不断上升。道路交通的持续开展，随之而产生的交通平安形势日趋严峻。为降低交通伤害，交通工程师们一直致力于理论、技术、应用方面的研究。平安保障技术正成为交通运输技术体系的主导技术，从这几年汽车产销数据分析，人们汽车拥有量持续快速增长，安装使用汽车交通平安保障系统，通过对记录数据的采集、分析，可有效预防违法行为，加强车辆运行动态监控，预防和减少道路交通事故发生或其它违法行为的需求将急速增长。作为景区内的游客运输企业，为保证广阔游客的生命平安，提升游客旅游满意度，维护景区在国内外的良好旅游形象，运输车辆要求到达实时预警、实时平安防范的目的。随着“和谐社会〞、“平安城市〞建设的快速开展，为创造和谐、稳定的社会治安环境，给车载交通平安保障系统在公交线路、公交站点的治安防范和防恐能力及景区、个人等汽车平安防范市场带来了巨大的开展空间。本工程的实施将极大地提高社会效益，并在射频识别应用领域具有很大的推广价值。1.RFID技术工作原理射频识别技术〔RFID〕是一种非接触的自动识别技术，通过利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信。RFID具有存储量大、可读写、识别距离远、识别速度快等特点。随着本钱的下降和标准化的实施，RFID技术的全面推广和普遍应用将是不可防止的趋势，它将成为用途最广泛的自动识别技术。1-1RFID技术的根本工作原理射频识别系统的根本模型如图2.1所示。其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；读写器又称为读卡器、扫描器、读头、阅读器。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间〔无接触〕耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。图1.1RFID的根本模型图Figure1.1ThebasicmodelofRFID由图1.1可以看出，在射频识别系统的工作过程中，电子标签与读写器之间的能量、时序和数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进行的。RFID技术根本工作原理为读写器通过发射天线发送出一定频率的射频信号，当附着标签的目标对象进入发射天线工作区域时会产生感应电流，电子标签凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；电子标签将自身编码等信息通过内置发送天线发送出去；读写器接收天线接收到电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码后，送到计算机系统进行相关处理；计算机系统根据逻辑运算判断该电子标签的合法性，做出相应的处理和控制。2.系统整体设计分析在课题设计过程中，我组成员发现不同的RFID应用中电子标签和阅读器装载的位置不同，我们需要就两种形式进行讨论，在自动报站技术中，是静止电子标签，除此之外的应用中是移动电子标签。2-1RFID在自动报站技术中的应用2-1-1课题利用射频识别技术原理实现公交智能报站功能。由于公交路线具有两个明显的特点：①每一条公交线路是固定不变的，因此对于每一路公交车所要经过的站是固定不变的；②公交线路的每一个站牌是固定不变的，只是要停靠的公交车的车次数在改变。所以，根据公交线路的这两个特点，利用RFID技术原理，把公交车当成是一个移动中的读写器，而把每一个车站当做是一个固定的电子标签，这样设计起来就方便多了。把每一个车站看成一种固定不变的物体，给每个物体设置一个独一无二的代码，站台上的电子标签按一定的规律发射自己的代码供读写器接收，而所谓的读写器即车载读写器设备那么安装在公交车上，当公交车进入电子标签作用范围时，由车载读写器接收从站牌发来的RFID信号，并进行识别，完成标签与读写器之间的数据通信，从而实现公交车对车站名的自动识别和自动报站，智能报站系统模型图如图2.1所示。图2.1智能报站系统模型图Figure2.1Themodeldiagramofintelligentbus-stopauto-announce2-1-2从图3.1可知整个自动报站系统主要由车载读写器和站牌主动式电子标签两大局部组成，系统结构框图如图2.2所示。车载读写器安装在公交车上，主要用于接收站牌信息并实现自动报站，而电子标签那么安装在每个公交站牌上，主要用于发送站牌数据并接收从车载读写器设备发来的信息。由于公交车的位置是不断变化的，而站牌的位置那么是相对固定的，所以两者之间要建立联系，必须要建立在无线射频通信的根底上。公交车智能报站原理为当公交车行使到站点信号范围内时，车载读写器不断接收从站牌主动式电子标签发送的信息，经检测、识别、判断是否为该路车的下一站，如果是，就开始预报站，此时，车载读写器转向发射，向站牌发送数据，告诉下一站电子标签，XXX路公交车就要到了；当车停稳站好后，读写器通过开门传感器检测到的信号，开始报到站。而电子标签在车未到时就接收到该路车快到的信息后，通过数码管显示XXX路车到的信息。之后，当车载读写器接收到由关门传感器传来的信息后，开始播放效劳用语，并预报下一站，此时车上显示电路也开始指向下一站的站名，如此循环，从而实现了公交车对站名的自动识别、自动报站的功能。图2.2公交报站系统结构框图Figure2.2Busstopannouncementsystemblockdiagram2-1-3〔1〕系统采用全自动报站方式，克服了人工报站和电子报站时操作不便和误报情况；〔2〕射频通信频率使用433MHz的ISM〔工业、科学、医疗〕频段，无需缴费即可使用，节约本钱；〔3〕系统在设计过程中紧紧围绕性价比低、功耗低和所使用器件尽量少以及开发简单等特点；〔4〕系统实现车载读写器和站牌主动式电子标签间的双工通信；〔5〕制订了电子标签与读写器间的数据通信协议，并在软件上采取防冲突算法，可以有效防止干扰，造成误报，保证系统能够平安可靠的通信；〔6〕系统通信距离能够到达100米，传输距离远，完全能满足报站要求；〔7〕系统还采用RS-232串口可以与PC机进行通信，通用性强，可靠性高。2-2RFID在自动报站应用中主要器件的选型2-2-1作为应用系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用。本系统重点从性价比考虑如何去选择器件，所选元器件需要满足低价格、开发简单的特点。在市场上像工控领域的单片微处理器，目前广泛应用的有51系列的8位单片机、面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器〔DSP〕以及32位的ARM芯片。51单片机作为从八十年代就开始流行的处理器，其价格低廉，开发技术成熟，应用广泛，其缺乏在于ROM和RAM的容量比拟小，功能过于简单，计算能力有限，但是目前好多公司已经制造出与51兼容的单片机，其FLASHROM能到达64K，并且执行速度更快，可以到达40MHz，完全可以适应于目前小型测控系统功能和速度的要求。DSP器件在工控领域的应用，从长远的观点来看是一个必然的趋势。但从现阶段各种DSP器件的情况来看，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在数据处理量不大的小型系统使用。而且目前其价格较高，开发技术难度大。ARM芯片具有体积小、功耗低、低本钱和高性能的特点，但是与DSP器件一样，不适合应用在小型系统的场合。综合以上考虑，本系统选用ATMEL公司的AT89S52单片机，AT89S52单片机是8051的兼容机，是一种低功耗、高性能的8位CMOS单片机，具有8K在系统可编程FLASH存储器和256字节RAM。除此之外，AT89S52单片机内部还集成了看门狗定时器等外围模块，这可以进一步减少外围元器件的数量，进而降低系统整体功耗和本钱。2-2-2无线射频芯片是整个无线通信模块单元的核心部件，它的选择成功与否将直接关系到整个无线数据采集系统的性能、本钱和开发周期。正确的选择射频芯片可以使研发过程少走弯路，降低本钱，更快地将产品推向市场。基于本系统的实际需求，应该选用本钱低、体积小、功耗低、集成度高、兼容性强、外围元件少、抗干扰能力强、接口简单、开发方便的无线射频收发一体芯片。目前市场上无线收发一体类芯片较多，在选用时，主要参考以下原那么：〔1〕收发芯片的数据是否需要由软件进行曼彻斯特编码需要由软件进行曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能到达标称速率的1/3。〔2〕芯片发射功率发射功率决定无线芯片的信号覆盖范围，在同等条件下为保证有效可靠的通信，应该选用发射功率较高、功率调节范围更大的产品。〔3〕芯片抗干扰性能无线通信易受干扰，为保证数据通信的可靠性，应该选用抗干扰能力强的芯片。〔4〕芯片功耗由于系统需要供电，对功耗要求苛刻，因而本系统中的无线芯片应该选用功耗较小的产品。〔5〕收发芯片正常工作所需的外围元器件数目芯片外围元件的数量的直接决定产品的本钱，因此应该选择外围元件少的收发芯片。〔6〕收发芯片的封装和管脚数较少的管脚以及较小的封装，有利于减少面积降低本钱，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。目前，开展较为成熟的RFID系统主要是125kHz和13.56MHz系统，相应的RFID专用芯片也比拟多。然而，用于UHFRFID的专用芯片却很少，为了满足用户对远识别距离的要求，一般需使用有源UHFRFID系统，而目前有源UHFRFID专用芯片更少，所以，需要寻找一款适合超高频RFID且易于开发的低本钱射频芯片，来设计有源UHFRFID系统。常用超高频无线射频收发芯片主要有nRF401、nRF905、TRF69OO和RF2915，表2.1是这几种芯片的主要性能比拟。表2.1几种无线收发芯片性能比拟Table2.1Theperformancecomparisonofseveralwirelesstransceiverchips从表中可以看出，相比其它几种芯片，Nordic公司的nRF905无线射频收发一体芯片功耗低，数据传输速率最快，所需外围元器件最少，输出功率最大，并且采用了比FSK调制抗干扰能力更强的GFSK调制，数据传输更加稳定可靠，因而本系统选用Nordic公司的nRF905无线射频收发一体芯片，nRF905射频芯片功能原理介绍如下。nRF905是挪威Nordic公司推出的单片无线收发一体的芯片，nRF905的内部结构如图3.3所示。该芯片工作电压为1.9V～3.6V，可通过编程工作于433/868/915MHz3个ISM个频段，使SPI接口与微处理器通信，配置非常方便。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声外表滤波器，其外部连接元件包括一个基准晶振、偏压电阻、外部天线等几个局部，是目前集成度较高的无线数传产品，具有性能优异、功耗低、开发简单等优点。nRF905内置了完整的通信协议和CRC校验电路，并且由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，只需通过SPI接口即可完成所有的无线收发传输，无线通信如同SPI通信一样方便。nRF905传输数据时采用非实时方式，即发送端发出数据，接收端接收到后先暂存在芯片的存储器中，由微处理器在需要的时候通过SPI接口读取。nRF905采用抗干扰能力强的高斯频移键控(GFSK)调制方式，抗干扰能力强，能很好的减少噪声环境对系统性能的影响，与幅移键控(ASK)和开关键控(OOK)方式相比，GFSK的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合通信更加可靠，更适合工业现场控制场合。图2.3nRF905的内部结构Figure2.3nRF905blockdiagram表2.2nRF905芯片主要管脚功能说明Table2.2MainpinfunctionofnRF905chipnRF905共有四种工作方式：两种工作模式和两种节能模式，分别为关机模式、待机模式、ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，这几种模式由外界CPU通过控制nRF905的3个引脚PWR_UP、TRX_CE和TX_EN的上下电平来决定，ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率，与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高，ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流，如表2.3所示。表2.3nRF905的工作方式Table2.3TheworkwayofnRF905nRF905的节能模式包括关机模式和空闲模式。在关机模式，nRF905的工作电流最小，一般为2.5uA。进入关机模式后，nRF905保持配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。待机模式有利于减小工作电流，其从待机模式到发送模式或接收模式的启动时间也比拟短。在空闲模式下，RF905内部的局部晶体振荡器处于工作状态。在ShockBurstTM收发模式下，RF905自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去；在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，DR引脚通知微处理器数据发射完毕。只有在关机模式和待机模式下nRF905才能通过SPI接口进行通信，因而单片机AT89S52对nRF905进行读写操作前都应该将置于待机模式。2-2-3目前的汽车报站器中用的语音芯片为固态数字化声音压缩存储形式，工作方式为声音首先变为模拟量，然后再经过A/D存储，放音的时候首先经过D/A转换变为模拟量然后再进行播放，这种方式的语音芯片外围电路复杂，声音质量有一定的失真。而美国ISD公司生产的ISD4000系列的语音合成芯片，采用E2PROM存储方法将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，不需另加A/D或D/A变换来存放或重放，该器件具有音质自然、使用方便、单片存放、反复录音、低功耗、抗断电等许多种功能。因此，在许多领域获得了广泛的应用。本文选用美国ISD公司生产的ISD4003语音合成芯片作为公交报站的语音存储器。ISD4003语音芯片工作电压为3V，单片录放时4至8分钟，音质好，适用于移动及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，防止了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。采样频率可为4.0、5.3、6.4、8.0kHz，频率越低，录放时间越长，而音质那么有所下降，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年(典型值)，反复录音10万次。2-2-所谓车载读写器就是安装在公交车上的读写器设备，是公交智能报站系统的重要组成局部，主要功能是接收识别从站台发来的有效数据，驱动语音芯片报站，并向站牌发送本路车车次号，完成与电子标签之间的双工通信。就其硬件构成而言，主要由控制模块电路、射频收发电路、语音功放电路、站点显示电路、稳压电路及串口通信电路等几局部组成,具体结构框图如图2.4所示。图2.4车载读写器结构框图Figure2.3Theblockdiagramofon-boardreader2-4控制模块的组成包括微控制器及其复位电路、时钟电路、指示装置电路，在车载设备系统中，微控制器是整个系统的核心器件，本设计选用AT89S52单片机作为主控制器，主要负责对射频收发芯片、语音芯片的初始化工作，检测、判断和处理射频芯片接收到的数据，一方面启动语音芯片送出声音信号进行报站和站名的显示；另一方面通过指令控制收发装置由接收转为发射，向站牌返回一个数据，控制完成接收、发射、显示、语音报站等各项操作。2-4射频收发电路包括射频收发芯片、天线和外围辅助电路。射频收发电路是车载读写器的关键部件，完成与站牌电子标签间的双向数据通信，是整个公共交报站系统的核心。作为车载读写器的一局部，射频收发电路一方面要接收从电子标签发射来的信号，将其解调、解码复原出有效数据，经处理后放入数据缓存器中，等待微处理器的读取；另一方面要给电子标签做出答复，发送已经收到此站牌信息的响应，并发送数据告诉站牌该路车即将到站。本系统选用Nordic公司的nRF905无线射频收发一体芯片。为了减少电路板噪声对射频通信的干扰，本系统使用了将nRF905射频模块局部做成单独的电路板，在主电路板上留出插槽，射频电路板插在插槽上与主电路板微处理器通信，这样既减少了电路干扰对无线通信的影响，又方便了在无线模块发生故障时更换无线模块。图2.5为nRF905的应用电路原理图，其中射频收发的天线局部采用50Ω的PCB板天线。图2.5nRF905射频芯片的应用电路Figure2.5TheapplicationcircuitofnRF905radiofrequencychipAT89S52通过端口P1、P3控制nRF905，其中XC1与XC2外接16MHz晶振，ANT1与ANT2外接PCB环形天线。由于nRF905的通信需要通过SPI端口来完成，而AT89S52又不具有SPI串口通信的功能，需要通过软件模拟来实现。单片机与nRF905的接口图如图2.6所示。图2.6nRF905与单片机的接口示意图Figure2.6TheinterfacediagramofnRF905andMCUnRF905芯片共有32个引脚，重要的引脚有十五个，如上图所示，与单片机的数据通信采用SPI接口，管脚MISO为SPI输出，MOSI为SPI输入，CSN为SPI使能端，SCK为SPI时钟信号，分别与单片机的P1.6、P1.7、P3.3、P3.4引脚连接。而CD、AM、DR三个管脚分别为载波检测输出、地址匹配输出、数据就绪输出引脚，与单片机的P1.3、P1.4、P1.5引脚相连，使能芯片发射或接收引脚TRX_CE与P1.0相连，芯片上电引脚PWR_UP与P1.1相连，P1.2与uPLCK时钟输出引脚连接。单片机只需将要发送数据和接收机地址送给nRF905发送缓存器中，nRF905就会自动产生前导码和CRC校验码，并发送数据；在接收数据时，当nRF905监测到有效的载波和相匹配的地址时，将开始接收数据，并自动移去字头和校验码，将接收数据存储到接收缓存器中，等待微处理器读取数据。2-4由于系统采取自动报站方式，需要预录取站名及提醒语句，所以电路中必须参加语音功放电路。语音功放电路包括：语音芯片、音频功率放大器、扬声器等。本课题选用ISD4003语音芯片和LM386音频功率放大器，ISD4003语音芯片具体原理参考3-2-5节，语音电路接口设计原理图如图2.7所示。图2.7语音电路接口控制图Figure2.7Interfacecontroldiagramofvoicecircuit从图中可以看出，单片机控制ISD4003语音信号的连线很少，其中P2.0口接ISD4003片选引脚/SS,控制ISD4003的选通，P2.1口接ISD4003的串行输出引脚MISO，P2.2接ISD4003的串行输入引脚MOSI，从该引脚读入放音的地址，P2.3和P2.4分别接ISD4003的串行时钟引脚SCLK和中断引脚/INT，音频信号输出引脚ANAIN+通过一个滤波电容与LM386功率放大器引脚3连接，LM386的引脚5通过滤波电容接地，并外接扬声器。语音功放原理如下：首先将准备放音的内容预先录存储到语音芯片中，当公交车接收到从站牌发送来的数据后，单片机根据收到的有效站名数据，然后向语音芯片发送对应的语音播放地址，启动语音芯片送出音频信号，语音芯片将音频数据滤波后经功率放大器驱动扬声器播放语音，完成语音播放。2-4这局部电路的设计主要根据前面几局部各个芯片的电源要求，由于汽车最大能提供12V直流电压，本课题选用L7805将12V直流电转换成5V直流稳压电源，用LM317将5V电压转换成3V的直流稳压电源给射频芯片和语音芯片供电，电压具体转换电路原理图如图2.8所示。图2.8电压转换电路图Figure2.8Circuitdiagramofvoltageconversion电路中先采用将L7805电压转换芯片将12V直流电转换成5V，再选用LM317将电压调到3V。其中LM317是一款可调的电压转换模块，输出电压范围是1.25V-37V，因此需要通过外接电阻来调节输出电压。电路在开始接了一个二极管整流桥，有过流保护的作用，电容是起稳压滤波作用，电容的容量大小取值一方面根据经验来取，这里考虑到输入端的连线可能超过15厘米，故采用了个2电容，这样可以改变瞬态响应，而电容C16、C17、C19、C20分别用来储能和滤波。另一方面根据实际电压量测值来调整，12V转换到5V也可以直接采用DC/DC模块，这样的电压转换相对稳定，但由于DC/DC模块价格相对昂贵，一般不使用这种方案，因为车载单元数量众多，如果批量生产，整个系统费用会大大增加，所以该系统使用了L7805和LM317电压转换模块，可以降低系统的本钱。2-4车载读写器在实际工作中是不需要进行串口通讯〔RS-232〕的，但本系统为了现场调试方便预留了RS232接口，同时也是为将来功能扩展以及和PC通信。一般说来,计算机都有一个或多个串行端口,它们依次为Com1，Com2…这些串口还提供了外部设备与PC进行数据传输和通信的通道,这些串口在CPU和外设之间充当解释器的角色。当字符数据从CPU发送给外设时,这些字符数据将被转换成串行比特流数据；当接收数据时，比特流数据被转换为字符数据传递给CPU，本文选用的是PC机的Com3，RS-232串口通讯接口原理图如图2.9所示。图2.9串口通信原理图Figure2.9Principlediagramofserialcommunication单片机串口输入输出电平为TTL电平,而计算机串口符合RS232C串行总线标准,采用的是负逻辑,逻辑“1〞为-5V～-15V,逻辑“0〞为+5V～+15V。这两种电平是不一样的,因此不能直接连在一起，在本设计中，从电压和价格方面考虑，选用MAX232芯片来完成两种电平的相互转换，它完全满足EIA/TIA-232-F标准，工作电压3.0V到5.0V。地址线分配和连接：MAX232的T1IN和单片机的P3.1/TXD相连，单片机将要发送的TTL电平信号送MAX232进行电平转换，转换成适合串口通信的信号。MAX232的R1OUT和单片机的P3.0/RXD相连，MAX232将从串口发来的数据信号转换成单片机能读写的TTL电平。MAX232的T1OUT和RS232的RXD0相连，MAX232将单片机的信号转换好后发送给计算机。MAX232的R1IN和RS232的TXD0相连，MAX232接收计算机传来的信号进行电平转换。2-4在车载设备上，为了更加方便乘客，我们设计了站名显示和指示系统，通过按键来控制选择公交的行车方向，然后在该路车所经的各个公交站名下用一个红色发光二级管来指示，线路中会标识出该辆车所要经过的各个站点。如果在相应的站点下面安装上一个发光二极管，以二极管的发光与否来指示公交车下站所要停的站点，这样就能让乘客更主观的知道公交车现在所在的位置，从而可以及时准备下车。从原理上讲，如果单纯的直接通过微控的I/O口来控制所有二极管的发光，这样假设某路汽车经过的站点共有16站的话，就需要16个并行的I/O口来控制，极大的浪费了珍贵的口资源，而如果采用译码器的话，就可以在一定程度上极大的节约I/O口。本设计为了能说明问题，只设计了16个站点，故这里采用译码器74HC154译码器，作为站名显示的控制器。站点信息显示原理及其简单：由于每辆公交车的路线是固定不变的，但是分去和返回两个方向，用两个按键来控制行车方向。在一条线路所有的站按顺序排成一行，每个站的顶部用一个发光二级光来指示，每经过一站时，在将要到达的下一站就用闪烁灯来提醒乘客，一次只有一个二极管被点亮，当需要点亮哪一站的时，只需要向译码器送入相应的地址即可实现，具体电路如图2.10所示。图2.1074HC154译码器与单片机接口图Figure2.10Interfacediagramof74HC154decoderandMCU对于公交报站系统不可或缺的电路就是开关门传感信号，由于开关门信号的识别只是确认是否有开门和关门的动作执行，然后传给控制器去执行相应的操作。本文设置两个按键来模拟开关门的动作，既节约本钱操作起来还很方便。当车门翻开或关闭是高电平还是低电平来确认是否有开们和关门动作，就可以确认是关门还是开门，从而可以执行相应的操作。2-2-站牌主动式电子标签由射频收发电路、控制电路以及LED显示电路组成，完成对电子站牌编码信息的发送、接收来自车载读写器设备发来的信息和显示等功能，原理框图如图2.11所示。图2.11主动式电子标签结构图Figure2.11StructurediagramofactiveRFID主动式电子标签安装在站牌上，主要用于发送站台数据并接收从公交车读写器返回的信息，并通过LED显示，其工作原理是预先对每一个站牌进行统一编码，设置一个识别号，当系统开始运行时，电子标签就不停地发送已经设置好的编码信息，并且间隔地接收来自公交车发送的数据，当单片机读取到接收数据后，对其进行比拟判断，经过校验确认为有效数据后，然后通过数码管显出来，从而完成站牌信息的显示功能。2-2-5控制模块电路组成包括微控制器及其复位电路、时钟电路、指示装置电路〔发光二极管和蜂鸣器，分别表示电子站牌处于数据发送和接收状态〕。在电子站牌系统中，微控制器也是整个系统的核心控制器件，本设计选用单片机作为主控制器，主要负责对射频模块的初始化工作，检测、判断和处理收发模块接收到的数据，并以此为标准读取相应的地址，控制完成电子站牌数据的接收、发射、显示等各项操作。电子站牌中选用的微控制器为AT89S52单片机。2-2-5射频收发电路：包括收发芯片、天线和外围辅助电路。射频收发电路是车载读写器的关键部件，完成与站牌电子标签间的双向数据通信，是整个公共交报站系统的核心。作为车载读写器的一局部，射频收发电路一方面要接收从电子标签发射来的信号，将其解调、解码复原出有效数据，经处理后放入数据缓存器中，等待微处理器的读取；另一方面要给电子标签做出答复，发送已经收到此站牌信息的响应，并发送数据告诉站牌该路车即将到站。本系统选用Nordic公司的nRF905无线射频收发一体芯片。为了减少电路板噪声对射频通信的干扰，本系统使用了将nRF905射频模块局部做成单独的电路板，在主电路板上留出插槽，射频电路板插在插槽上与主电路板微处理器通信，这样既减少了电路干扰对无线通信的影响，又方便了在无线模块发生故障时更换无线模块。图2.12为nRF905的应用电路原理图，其中射频收发的天线局部采用50Ω的PCB板天线。图2.12nRF905射频芯片的应用电路Figure2.12ApplicationcircuitofnRF905radiofrequencychipAT89S52通过端口P1、P3连接nRF905，其中XC1与XC2外接16MHz晶振，ANT1与ANT2外接PCB环形天线。由于nRF905的通信需要通过SPI端口来完成，而AT89S52的P1端口具有SPI串口传输的功能，接口图如图2.13所示。nRF905芯片共有32个引脚，重要的引脚有十五个，如上图所示，与单片机的数据通信采用SPI接口，管脚MISO为SPI输出，MOSI为SPI输入，CSN为SPI使能端，SCK为SPI时钟信号，分别与单片机的P1.6、P1.7、P3.3、P3.4引脚连接，CD、AM、DR三个管脚分别为载波检测输出、地址匹配输出、数据就绪输出引脚，与单片机的P1.3、P1.4、P1.5引脚相连，使能芯片发射或接收引脚TRX_CE与P1.0相连，芯片上电引脚PWR_UP与P1.1相连，P1.2与uPLCK时钟输出引脚连接。单片机只需将要发送数据和接收机地址送给nRF905发送缓存器中，nRF905就会自动产生前导码和CRC校验码，并发送数据；在接收数据时，当nRF905监测到有效的载波和相匹配的地址时，将开始接收数据,并自动移去字头和校验码，将接收数据存储到接收缓存器中，等待微处理器读取数据。图2.13nRF905与单片机的接口示意图Figure2.13TheinterfacediagramofnRF905andMCU2-2-5这局部电路的设计主要根据各个芯片的电源要求，借鉴L7805和LM317的参考电路设计完成的。本设计中选用L7805和LM317作为稳压芯片，将12V的电压转换成5V和3V的直流稳压电源，具体电路如图2.14所示。图2.14电压转换电路图Figure2.14Thecircuitdiagramofvoltageconversion电路中先采用将L7805电压转换芯片将12V直流电转换成5V，再选用LM317将电压调到3V。其中LM317是一款可调的电压转换模块，输出电压范围是1.25V-37V，因此需要通过外接电阻来调节输出电压。电路在开始接了一个二极管整流桥，有过流保护的作用，电容是起稳压滤波作用，电容的容量大小取值一方面根据经验来取，这里考虑到输入端的连线可能超过15厘米，故采用了个2电容，这样可以改变瞬态响应，而电容C16、C17、C19、C20分别用来储能和滤波。2-2-5-4为了方便调试和提高站牌的人性化设计，在站牌电子标签上增加了LED显示，主要作用就是实时显示电子标签从车载读写器发来的数据，即实时显示公交车的车次，实现站牌和公交车之间的双工通信，更方便乘客上车。单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式可分静态显示和动态显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊：静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间，本设计采用动态扫描的方式驱动三个级联数码管。2-3RFID在智能交通管理中的应用RFID技术在交通管理应用中表达了管理智能化，物流可视化的理念和开展趋势。在RFID智能交通管理系统中，对每辆合法注册的机动车辆加装RFID电子标签，标签可安装在汽车内部的仪表盘或固封在车辆号码牌中。阅读器的安装可在主干道上每1至5公里设置一组，或直接安装在各个高速公路收费车道内及交通流量大的路口，当车辆过时，阅读器经天线读的通过车辆的ID及经过的时间值等，然后通过光纤，移动GSM网的GPRS方式或短信通信方式传输到信息中心。由后端计算机收集及统计相关车辆和车流动态信息，经数据分析处理后，可作为交通疏导决策的依据，并实时调整该路段信号灯或可变标志，对外发布相关交通信息。另外，在各路段阅读器收集到的交通流信息，除用于提供实时路况信息外，还作为历史数据保存于数据库内，以便日后作为交通道路规划的依据。2-3-1在不良气候条件下的应用到目前为止，国内交通管理上应用最为广泛的还是电子摄像监管技术，也就是大家都熟识的“电子眼〞。它可为道路交通管理提供可视图像和大量交通管理实时信息。缺点是容易受地形，建筑物，大型车辆及其他障碍物遮挡；受天气(如雨雾等)能见度和夜间照度等因素影响，可靠独行对较低。据相关调查，社会上局部驾驶员为了躲避“电子眼〞的监管，成心遮挡，污损，涂抹机动车辆号牌，甚至出现了“克隆车〞等严重违章，违法的行为，严重干扰了道路交通秩序，危害了人民群众的生命平安。而RFID智能交通监管具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长，可以远距离识别、读取速度快、信息采集量与存储量大、数据准确以及可根据环境变化相应调整，还可以即时显示或者加置语音电路即时语音提醒。2-2-2在交通意外救援和特殊车辆监控的应用通过在在主干道上，个高速公路出入口及交叉路口，设立RFID信息采集点，当车辆通过时，阅读器得到通过车辆的ID及经过时间，形成记录，这样便可以知道车辆的行驶路线，及大概位置。一旦车辆发生突发意外，需紧急救援，而又不能描述具体事发地点时，交通管理部门可迅速根据事主提供的车牌及事发时间等线索，收索该时段内发生意外车辆的相关行驶信息，去顶大致事发地点，以方便救援队及时赶赴现场实施救援，减少意外造成的生命和财产损失。另外，根据各RFID信息采集点收集上来的车辆通过信息，大大方便了交通事故逃逸车辆的排查和跟踪工作，同时，也为其他需跟踪或“关注〞的可以或“特殊〞车辆的监控工作提供了便利。〔1〕路线导航。根据事先选定的路线，在抵达某关键路口的前一个路口，通过适当的信息发布机制，可以告诉车辆应准备在某条行车道行驶或某个出口驶出。〔2〕智能信号灯控制。通过安装在路口的RFID阅读器可以探测并计算出某两个红绿灯区间的车辆数目，从而智能地计算红灯或绿灯的分配时间。同时，通过对公交车辆的类别的识别，可以实现公交优先的交通信号控制。〔3〕城市中心区域交通流量控制。对进入城市中心区的车辆，通过安装的路口的RFID阅读器，自动计算出行驶长度。从而可以对进入中心区的车辆按行驶长度不停车地进行收费，以降低城市中心区的交通压力。〔4〕不停车收费。厦门市路桥管理在不停车收费系统中应用RFID技术，发行RFID电子标签20万张。2004年广东联合电子收费股份建立不停车收费系统，发行电子标签16万张。〔5〕进入控制。通过装在路口的RFID阅读器，并辅以其他自动控制系统，可以不让特定类型的车辆、或有违章记录的车辆进入某区域或某路段。〔6〕实时速度指标。可以通过计算两阅读器区间的车辆通过时间，进而实时统计出车辆的平均行驶速度。并且可以给出通告，让其他车辆可以知道该路段的顺畅程度，从而选择是否行驶该路段。〔7〕超速警告。根据两阅读器区间的车辆通过时间，计算出该车辆行驶是否超速。如果超速，通过适当的信息发布机制，对该车辆进行通告或警告。以下是RFID高精度测速的实施方法：不同频率的RFID识别距离不同，以433.92MHZ频率为例，识别距离为50-100M，在任意公路旁设置此范围距离的RFID系统的阅读装置，只要安装了RFID系统无源电子标签的车辆均可在此距离内被阅读器读取数据，根据数据整理即可测出车速。具体方法如下：当车辆C1进入高速公路时，在匝道入口处的读卡器可以读取车辆C1的RFID标签中的车牌号码N以及车辆进入时间t0等信息。假设完整的高速公路长度为S，高速公路最高限速为Vh，每隔距离h设置有RFID读卡器，距离h与高速公路实际出入口相关，由于国内高速公路车速限制为120km／h，所以检测以半小时为间隔，即路段读卡器设置应以50km～60km为宜。

车辆在经过读卡器ni时，读卡器获取到车辆瞬时通过的时间t