基于物联网车辆管理系统的设计 毕业论文

武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）基于物联网的车辆管理系统的设计DESIGNOFVEHICLEMANAGEMENTSYSTEMBASEDONINTERNETTHINGS学生姓名徐芳芳学号1030030233专业班级电子信息工程1002指导教师金振坤2014年5月作者声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有。特此声明。作者专业电子信息工程作者学号1030030233作者签名_年_月_日摘要车辆管理是现在智能交通中关键一环，是我们现在必须要提高和完善的课题。目前的车辆管理大多采用半人工方式，这不仅浪费人力物力，而且给人们的出行造成了不便。如何让车辆管理朝着人们所希望的方向发展，还需要我们不断的研究和实验。本论文设计了一个基于物联网的车辆管理系统，在物联网的关键技术上实现联网功能。它分为三个子系统信息采集子系统、信息传输子系统、信息管理子系统。它采用AT89C2051单片机和NRF401射频芯片的可读可写式射频卡构成硬件电路。它在基于AT89C2051单片机的基础上，用软件完成了串口通信。本文的硬件模块主要是完成车辆在进入高速路，和出去高速路的过程中车辆识别和收费问题，并采集相应车辆数据。软件模块实现了入网功能，以及控制LED（显示收费额）、红绿灯的显示功能。在本论文的设计过程中，硬件模块实现了信息采集功能但外围电路设计有待完善；软件设计中对信息管理的功能没有能完整编写，还需要不断改进。关键词物联网；车辆管理；射频识别；全球定位系统ABSTRACTTHEVEHICLEMANAGEMENTISNOWTHEKEYINTELLIGENTTRAFFICINARINGWEMUSTIMPROVEANDPERFECTTHETOPICNOWCURRENTLY,MOSTOFTHEVEHICLEMANAGEMENTUSEHALFARTIFICIALWAYTHISISNOTONLYAWASTEOFRESOURCES,BUTALSOTOPEOPLESTRAVELINCONVENIENCEHOWTOMAKETHEVEHICLEMANAGEMENTTOWARDSTHEDESIREDDIRECTION,WESTILLNEEDMORERESEARCHANDEXPERIMENTSTHISDISSERTATIONDESIGNSAVEHICLEMANAGEMENTSYSTEMBASEDONINTERNETOFTHINGSTHEKEYTECHNOLOGYINTHEINTERNETOFTHINGS,ITIMPLEMENTSTHENETWORKFUNCTIONITISDIVIDEDINTOTHREESUBSYSTEMSINFORMATIONCOLLECTIONSUBSYSTEM,INFORMATIONTRANSMISSIONSUBSYSTEM,INFORMATIONMANAGEMENTSUBSYSTEMITUSESAT89C2051SINGLECHIPMICROCOMPUTERANDRADIOFREQUENCYCHIPNRF401READABLEANDWRITABLERADIOFREQUENCYCARDCONSTITUTESHARDWARECIRCUITSONTHEBASISOFBASEDONAT89C2051SINGLECHIPMICROCOMPUTER,ITUSESSOFTWARETOCOMPLETETHESERIALCOMMUNICATIONINTHISDISSERTATION,THEHARDWAREMODULEISMAINLYTOCOMPLETETHEVEHICLEINANDOUTINTOTHEHIGHWAY,HIGHSPEEDROADINTHEPROCESSOFVEHICLERECOGNITIONANDCOLLECTFEESPROBLEM,ANDCOLLECTTHECORRESPONDINGVEHICLEDATATHESOFTWAREMODULESREALIZETHENETWORKFUNCTIONINCLUDINGTHECHARGINGCONTROLLEDDISPLAY,TRAFFICLIGHTSINTHISDISSERTATION,HARDWAREMODULESREALIZEINFORMATIONACQUISITIONBUTPERIPHERALCIRCUITDESIGNNEEDSTOBEIMPROVEDTHEDESIGNPROCESSSOFTWAREDESIGNFORINFORMATIONMANAGEMENTFUNCTIONISNOTABLETOCOMPLETETHEPREPARATION,BUTALSONEEDTOCONTINUETOIMPROVEKEYWORDSINTERNETOFTHINGSTRAFFICMANAGEMENTRFIDRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONGPSGLOBALPOSITIONINGSYSTEM目录第1章绪论111本课题研究的背景及意义112本论文的研究内容113本论文的组织结构4第2章物联网的关键技术521物联网的分层结构522物联网的相关技术6221射频识别技术6222全球定位系统9223传感器技术12第3章车辆管理系统的结构1331车辆管理系统构架1332信息采集子系统13321车辆识别模块14322图像监控模块14323信息处理模块1533信息传输子系统1534信息管理子系统15341信息管理15342收费管理16第4章车辆管理系统的设计1741硬件设计17411AT89C2051单片机性能及串行通信功能17412射频识别卡和阅读器的设计2042软件设计25421外围控制器软件的分析与实现26422数码管、红绿灯显示的软件分析与实现30第5章总结与展望33参考文献34致谢35第1章绪论车辆管理1为现在的交通做着巨大的贡献，但存在一些漏洞，也需不断前进和完善。本章主要是介绍我国目前一些车辆管理方面的情况，同时对所要研究的车辆管理系统进行概述以及简单的介绍一下本论文的组织结构。11本课题研究的背景及意义随着国家经济的不断发展，高速公路建设步伐的不断加快，我国的大部分地区已经形成了四通八达的高速公路网，高速公路在货运、客运方面起着越来越重要的作用。随着高速公路里程和交通量的不断增加，如何进一步加强高速公路的管理水平，提高其运营效率，减少收费不透明问题成为高速公路管理研究的重要内容。建设和优化高速公路收费机制是高速公路管理的重要任务之一，直接影响高速公路的通行效率和经济效益。为了保证投资效益和通行安全，高速公路管理部门设立了许多收费站和交通监控中心，然而过多的设立收费站，又降低了高速公路通行的效率。近年来，随着公路交通事业的蓬勃发展，公路收费系统1开始向自动化方向发展，有效地降低了公路、桥梁等收费处的车辆阻塞率。但目前各种收费系统仍有不尽如人意的地方，有的磁卡或接触式IC卡系统要求车辆必须停车才能进行收费作业，这在很大程度上给人们的出行造成了不便，同时也大大浪费了人力物力。而物联网技术的兴起，筑起了人与人，人与物在互联网的基础上的连接，为高速不停车收费系统提供了前景。12本论文的研究内容目前我国拥有的半自动收费和人工收费的方式费时费力，已无法满足高速公路现代化管理的需要。而电子不停车收费系统2（ETC）是指车辆在通过收费站时，通过车载电子标签与路测天线的短程通信，进行车辆识别，信息写入并自动从预先绑定的IC卡或者银行账户上扣除相应资金，实现不停车收费的电子系统。与传统人工收费（MANUALTOLLCOLLECTION，简称MTC）方式不同，ETC的好处3有（1）节省能源消耗，减少停车时的废气排放和对城市环境的污染。（2）降低车辆部件损耗，减少收费人员，降低收费管理单位的管理成本。（3）实现计算机管理，提高收费管理单位的管理水平。（4）对因缺乏收费广场而无条件实施停车收费的场合，有实施收费的可能。（5）无需排队停车，可节省出行人的时间。（6）避免因停车收费而造成收费口堵塞，形成新的瓶颈。ETC系统按收费站车道配置，可分为ETC专用车道、MTC车道和ETC/MTC混合车道三类。鉴于我国道路实际情况，在较长的一段时间内，ETC和MTC将共存。ETC系统按收费站收费方式，可分为联网式和人工式。其中联网式收费是当前收费的主要方式，而ETC系统是联网式收费的组成部分。ETC系统包括站级子系统和车道级子系统两部分，其中车道级子系统负责实现ETC车道的电子不停车收费，站级子系统负责后台的ETC交易数据服务、运营参数管理以及系统运行监控，并通过数据接口软件，在站级实现ETC系统与联网收费系统的数据处理工作。在各个设备中，电子标签读写天线通过RS232串行线接到位于收费亭的车道计算机上，读写天线与车载电子标签之间的信息交换由应用程序直接控制；其它设备如自动栏杆、费额显示器、车道通行灯、车辆检测器等设备通过车道控制器与车道计算机连接；视频信号通过字符叠加器叠加在过车信息后传递到收费站的监视器上。ETC是利用微波通信原理，实现数据的高速传输，完成不停车收费作业。系统主要有二个部份组成，即是安装在汽车上的车载标识卡3（也亦为电子标签或智能识别卡）和安装在收费站的车辆自动识别系统。车载标识卡主要用于记录与车辆有关的数据，如车辆类型、车牌号码、相关卡号和银行帐户等。收费站车辆自动识别系统，有一个安装在收费车道上方的无线电收发器用于读写出车载标识卡与收费相关的数据。ETC车道4主要由天线、地感线圈、自动栏杆、信号灯等组成，如图11所示图11ETC车道示意图其工作的流程如下（1）当车辆进入通信范围时，首先压到触发线圈，启动天线。（2）天线与电子标签（车载机CPU卡）进行通信，判别车辆电子标签是否额有效。（3）若有效则进行交易，交易成功，系统控制栏杆抬升，通行信号灯变绿，费额显示牌上交易信息；若无效（无效卡、无卡、假卡、低值卡等）则报警（通信信号灯变红）并保持车道关闭，直到车辆离开检测线圈。（4）车辆通过抓拍线圈时，系统进行图像抓拍，字符叠加器将过车信息叠加到抓拍图像。（5）车辆通过落杆线圈后，栏杆自动回落，通行信号灯变红。（6）系统保存交易记录，并将其上传至收费站服务器中，等待下一辆车进入。本系统由信息采集子系统、信息传输子系统、信息管理子系统三部分组成，射频识别卡信号灯自动栏ETC收费站地感线圈带RFID智能识别卡车辆通过自动标识通行车辆，自动通过物联网对上位机进行访问，完成相关系统控制和费用的收缴，解决了原收费系统预付卡购买、储值和收费等环节，有利于车辆管理系统的应用。13本论文的组织结构本论文是一篇理论设计的论文。论文的结构如下第1部分简单的介绍一下本课题研究的背景及意义，以及论文研究的目的。初步介绍车辆管理系统的结构。第2部分中第一部分介绍物联网的分层结构，第二部分介绍物联网里的相关技术以及它们的特性和所应用的范围。第3部分总体介绍车辆管理系统三个部分，并分别描述了每个部分所包括模块的功能。第4部分介绍了用硬件实现其信息采集功能，用软件实现系统与计算机的通信以及红绿灯的显示。第5部分是对整个设计过程的总结和心得，系统的优点和缺点。同时，阐述了本次设计过程中的体会。第2章物联网的关键技术物联网5（INTERNETOFTHINGS，缩写IOT）是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制，也可以对家庭设备、汽车进行遥控，以及搜寻位置、防止物品被盗等各种应用。物联网实现人与人、人与物的连接主要靠的是其所独有的分层结构和所拥有的相关技术。21物联网的分层结构物联网的结构6分为三层感知互动层、网络传输层、应用服务层。如图21所示图21物联网的体系结构信息处理应用服务层社会应用系统应用资源共享服务台信息共享平台数据存储平台网络传输层信息传输标识管理系统互联网地址管理系统信息采集感知互动层数据采集设备RFID智能控制系统感知互动层处于整个体系的最底部，由大量具有感知和识别功能的设备组成，可以部署于世界任何位置、任何环境之中，被感知和识别的对象也不受限制。感知互动层的主要作用是感知和识别物体，收集环境信息。作为物联网应用和发展的基础，感知互动层涉及的主要技术包括RFID技术、传感器技术和控制技术等。网络传输层位于整个体系的中间位置，包括各种通信网络（互联网、电信网、移动通信网、卫星网、广电网）形成的融合网络，被普遍认为是最成熟的部分。网络传输层是物联网提供无处不在服务的基础设施。应用服务层位于整个体系的最顶部，将物联网技术与行业专业技术相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集。物联网通过应用服务层最终实现信息技术与行业的深度融合，对国民经济和社会发展具有广泛影响。应用服务层的关键在于实现信息的社会化共享以及解决信息安全的保障问题。全面感知、可靠传输、智能处理作为物联网的核心能力，分别对应地在物联网感知互动层、网络传输层和应用服务层得到展现。全面感知是指利用RFID、二维码、摄像头、传感器、传感器网络等感知、捕获、测量的技术手段随时随地对物体进行信息采集和获取；可靠传输4是指通过各种通信网络的融合，将物体接入信息网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享；智能处理是指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的跨地域、跨行业、跨部门的数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动的变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。22物联网的相关技术221射频识别技术射频识别技术7（RFID）是物联网感知互动层的关键技术之一，是一种非接触式的自动识别技术，它通过无线射频方式进行双向通信，对目标对象加以识别并获取相关数据。它广泛应用于交通、物流、军事、医疗和安全等领域，可以实现全球范围的各种产品、物资流动过程中的动态、快速、准确的识别与管理。典型的RFID系统8由RFID标签（TAG）、RFID阅读器（READER）、天线、计算机4组成，如图22所示图22RFID系统图RFID标签（TAG）又称电子标签、射频卡或应答器，内似货物包装上的条形码的功能，记载货物信息，是RFID系统的数据载体。RFID标签是一种集成电路产品，由耦合器和专用芯片组成。RFID阅读器（READER）又称读/写器或读卡器，是读取标签信息的设备。RFID阅读器可以无接触地读取并识别RFID标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。天线是将RFID标签的数据信息传递给阅读器的设备。计算机用做后台控制系统，通过有线或无线方式与读写器相连，获取电子标签的内部信息，对读取的数据进行筛选和处理并进行后台处理。RFID系统按其工作频率可以分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波（MF）4种，如表21所示阅读器（READER）天线计算机标签（TAG）表21RFID工作频率分类表频段频率范围工作原理应用特点低频30300KHZ电磁感应识读距离短10CM，低沉本高频330MHZ电磁感应识读距离短10CM，数据量大超高频300MHZ3GHZ反向散射识读距离远可达10CM，速度快微波2458GHZ反向散射识读距离远，速度快1RFID的工作原理标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能产生感应电流从而获得能量，发送出存储在芯片中的自身编码信息，阅读器读取编码信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。这样，读写器通过天线可实现无接触地读取并识别标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种（1）电感耦合变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。（2）电磁反向散射耦合雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。2RFID读写器RFID读写器9主要完成车载卡片与主机的信息的交换，用于识别车辆信息，完成收费等一系列动作，此部分要求模块稳定度高，灵敏度高，可以实现2米以上读卡，读卡速度可以设定，至少是10MS，相同ID信息输出时间间隔设定为2分钟以上，系统可以在很短时间内稳定地实现收费等系列服务。RFID读写器由射频模块、读写模块和天线构成，如图23所示图23RFID读写器结构框图射频模块的主要作用是对射频信号进行处理。读写模块的主要作用是对读写器和电子标签的身份进行验证，并控制读写器与电子标签6之间的通信过程。222全球定位系统GPS10即全球定位系统（GLOBALPOSITIONINGSYSTEM）利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航。GPS全球卫星定位系统由三部分组成空间部分GPS卫星，地面控制部分地面监控系统，用户设备部分GPS信号接收。GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200KM的上空，运行周期为12H。卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都电源装置射频振荡器射频处理器射频吸收器前置放大器微处理器、存储器、标准接口、时钟电路解码及纠错放大器电源装置电源射频模块读写模块其他设备辅助设备计算机网络天线可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。地面监控部分主要由1个主控站（MASTERCONTROLSTATION，简称MCS）、4个地面注入站（GROUNDANTENNA）和6个监测站（MONITORSTATION）组成。如图24所示数据处理器接收机调制解器气象传感器监控站观测星历与时钟编算注入导航文字计算误差主控站调制解调器数据处理机高功率放大器指令发生器数据存储和外部设备注入站铯钟GPS卫星GPS卫星图24地面监控系统框图部分主控站是整个地面监控系统的管理中心和技术中心。主控站主要负责收集监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道。注入站目前有4个，注入站的作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入到相应的卫星。注入站同时也是监测站，另外还有2处监测站，故监测站目前有6个。监测站设有GPS用户接收机、原子钟、传感器和计算机。监控站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止L1L2S波段角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。1GPS的定位原理GPS定位的基本原理7是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图25所示，假设T时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间T，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。101212121DVTCZYX22222T3031333DTZ44242424VTCYX（X1,Y1,Z1）卫星1卫星2（X2,Y2,Z2）卫星3（X3,Y3,Z3）卫星4（X4,Y4,Z4）XYZ（X,Y,Z）图25GPS的定位图上述4个方程式中待测点坐标X、Y、Z和VT0为未知参数，DII1、2、3、4分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。I1、2、3、4分IT别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到接收机所经历的时间。C为GPS信号的转播速度（即光速）。4个方程中各个参数意义如下X、Y、Z为待测点坐标的空间直角坐标。而，XI、YI、ZII1、2、3、4分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在T时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求出。VII1、2、3、4分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。VT0为接收机的时钟差。由以上4个方程即可解算出待测点的坐标X、Y、Z和接收机时钟差VT0。223传感器技术物联网的端部就是传感器，传感器11是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。1传感器的主要特性1分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。2灵敏度是指传感器在稳态工作情况传感器下输出量变化对输入量变化的比值，它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。第3章车辆管理系统的结构本章是在车辆管理的流程上对车辆管理三个部分的结构进行介绍，先介绍三个部分分为信息采集子系统、信息传输子系统、信息管理子系统，然后介绍了三个部分的各个模块，以及每个模块的功能。31车辆管理系统构架本文设计的基于物联网的车辆管理系统构架主要包括三个部分信息采集子系统、信息传输子系统、信息管理子系统。如图31所示图31车辆管理系统构架32信息采集子系统信息采集子系统的设计主要包含（1）车辆识别模块；（2）图像监控模块；（3）信息处理模块。如图32所示信息采集子系统信息管理子系统信息传输子系统图32信息采集子系统的结构321车辆识别模块车辆识别模块主要由RFID技术、GPS技术、收费员计算机终端组成，它是整个不停车收费系统的核心，负责控制不停车收费车道所有设备的运行、收费业务操收费作的管理以及与收费站计算机的通信和数据交换。其主要是当收费车辆进入到不停车车道工作区后，车道控制系统的RFID技术里的天线统称电子标签读写设备向车道的特定区域发出微波信号，唤醒电子标签；电子标签发射出本身数据信息，如发卡商发卡银行编号、车辆的车牌号、车类参数、电子标签号等标识信息；车道控制系统控制电子标签读写设备接收被唤醒的电子标签发射的数据，分析出车辆的标识信息车牌号码、车辆类型参数和人口收费站号；同时GPS里的地面检测系统收集车辆信号，GPS的接收器接收信号进行处理后通过GPS发送器发送给手机接收来实现定位从而对进入收费车道的车辆进行电子标签的合法性校验，并根据校验结果进行下一步操作。322图像监控模块摄像头作为RFID读写器的辅助设备，可以在缴费、登记时对车辆进行监控、抓拍，防止在无人值守情况下发生车辆作弊行为。图像监控模块车辆识别模块信息处理模块323信息处理模块摄像头的图像以及RFID的电子标签和阅读器采集的信息是直接从车载传感器和GPS装置获取数据，会产生大量的冗余数据。而信息处理模块采用性价比高的微处理器对数据流进行层次化组织管理，对来自传感器和GPS装置的信息和事件流进行加工和预处理，消除冗余，以减少网络流量，提高传输的有效性。同时信息处理模块还肩负着监测终端传感器和GPS模块健康状况的任务。当传感器和GPS装置被恶意拆卸时，通过无线收发装置向管理中心发送报警信号。33信息传输子系统信息传输子系统的设计主是无线传感器网络。当车辆进出停车场时，利用无线传感器网络可将RFID读写器对车主的射频卡进行的操作以短信或者语音播报的形式告知车主，这样可以将停车场的收费信息、停车场的车位情况、环境信息及时传达给车主，让车主可以实时了解车辆以及与车辆收费有关的信息。34信息管理子系统信息管理子系统的主要包含（1）信息管理；（2）收费管理。341信息管理信息管理主要包括是信息录入、信息查询。信息录入主要是对车主买车时信息进行初始化并录入电脑存档主要包括小区编号、门牌编号、车辆牌号、车辆类型、车主身份、车主银行卡。对于过往车辆的车辆牌号、车辆类型及所访问业主进行初始化设定。信息查询主要是车主对信息进行查询。342收费管理当车辆离开高速收费点时，系统通过读取车载卡的信息自动识别卡号，通过检索系统内部数据库里的信息，查到相应的车辆记录，界面显示业主名、车牌号码、车辆照片，以及动态提供的出场时间，从绑定的银行卡自动扣除费用，并通过绑定的手机卡将信息以短信的方式告知车主。若余额不足则系统报警，车主可续存费用。第4章车辆管理系统的设计本章介绍了以AT89C2051单片机14为平台，基于NRF401射频芯片的可读可写式射频识别卡12的设计思路及工作原理，以及外围控制器中红绿灯、显示屏和栏杆机的驱动电路及其相应的配套软件和通信协议。41硬件设计411AT89C2051单片机性能及串行通信功能1基本特性（1）与MCS51单片机兼容，含80C51核；（2）片内有2KB可重复编程的FLASH程序存储器，可擦/写1000次以上；（3）27V60V的宽工作电压范围，全静态逻辑，工作频率可为024MHZ；（4）两级程序存储器加密，128字节内部RAM；（5）15条可编程I/O口线，2个16位定时/计数器；（6）5个中断源，1个可编程全双工串行口。2器件引脚AT89C2051的引脚图如图41所示12345678911021341561781920RSTXDP30T1XAL2T1P32IN0IT10P34T15GNDVCP176P154P132P1AIN102P37图41AT89C2051的引脚图P1口AT89C2051精简了外部数据总线和地址总线，取消了P0口和P2口，因而也不具备寻址外部程序存储器和数据存储器的能力。它的P1口是一个8位准双向I/O口。P12P17内置了上拉电阻，而P10和P11两条口线却没有，需要外接上拉电阻。P10和P11分别是内部高精度模拟比较器的/输入端（AIN0/AIN1）。P1口的每个引脚的输出缓冲器具有20MA的输出驱动能力，可直接点亮LED显示器。与其它51系列单片机一样，当P1口的引脚作为输入线使用时，应先对其写1。P3口AT89C2051的P3口是一个具有7位的准双向多功能口。7条I/O口线是P30P35以及P37。P3口的每一个也同P1口一样，具有20MA的输出驱动能力。当其作为输入口使用时也应先对它们写1。P3口的全部口线都设置了内部上拉电阻。P3口有5条线具有双功能，它们是P30/RXD，P31/TXD，P32/，P33/，P34/T0，P35/T1，如表41所示INT0I1表41P3各端口引脚及兼用功能表端口引脚兼用功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32（外部中断1）0INTP33（外部中断1）1IP34T0（定时器0的外部中断）P35T1（定时器1的外部中断）3单片机串行通信功能利用89C2051单片机进行串行通信时必须对有关寄存器进行设置，与串行通信有关的寄存器包括电源控制寄存器PCON在串行应用中，该寄存器用于对SMOD设置，完成对波特率是否加倍的设定。如表42所示表42PCON的格式SMOD中断允许控制寄存器IE该寄存器完成对全局中断和局部中断的设定。如表43所示表43IE的格式EAET2ESET1EX1ET0EX0其中EA为CPU中断允许位1表示CPU开中断；0表示CPU关中断。ES为串行口中断允许位1表示串行口开中断；0表示串行口关中断。定时器/计数器方式控制寄存TMOD选择定时器/计数器及其工作方式，确定串行通信的波特率。如表44所示表44TMOD的格式GATEM1M0GATEM1M0串行口控制寄存器SCON用来定义串行口的工作方式，进行接收、发送控制以及监视串行口的工作状态。如表45所示表45SCON的格式SM0SM1SM2RENTB8RB8T1R1其中SM2为多机通信1表示允许多机通信；0表示禁止多机通信。REN为接收控制1表示允许接收；0表示禁止接收。TB8为发送数据第9位，RB8为接收数据第9位，T1为发送终端标志，R1为接收中断标志。SM0、SM1是串行口工作方式13选择位，可选择四种工作方式，如表46所示，表中FOSC为单片机时钟频率。表46串行口工作方式选择SM0SM1方式功能波特率000同步移位寄存器FOSC/1201110位异步收发可变10211位异步收发FOSC/64或FOSC/3211311位异步收发可变412射频识别卡和阅读器的设计NRF40116是挪威NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体芯片，是目前集成度最高的无线数传产品，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。NRF401的外围元件很少，只包括一个基准晶振和几个无源器件，基本无需调试，这给研制及生产带来了极大的方便。本节研究的射频识别卡系统采用AT89C2051单片机和NRF401射频芯片作为主要元件，实现了数据收发的硬件电路设计。图42是NRF401的典型应用电路，图中天线接口ANT1和ANT2输出至印制天线，XC1、XC2是参考振荡器输入、输出端，DIN、DOUT是发射数据输入和接收数据输出端口，CS是通道选择端口CS“0”43392MHZCHANNEL1；CS“1”43433MHZCHANNEL2，PWR_UP是电源开/PWR_UP“1”POWERUPOPERATINGMODE；PWR_UP“0”POWERDOWNSTANDBYMODE，TXEN为工作模式选择端口TXEN“1”发射模式；TXEN“0”接收模式。C9220PF0603C6100NF0603U1NRF4011234567891020191817161514131211XC1VDDVSSFILT1VC01VC02VSSVDDDINDOUTXC2TXENPWR_UPVSSANT1ANT2VSSVDDCSRF_PWRC71NF0603C1156PF0603C3320PF0603R418K0603C415NF060313K0603R1L1220H0603C122PF0603DINDOUTC1033PF0603C147UF3216PWR_UPC8220PF0603C222PF0603CSY14000MHZ3VR322K0603TXENR247K0603图42NRF401典型应用电路图43是可读可写式射频识别卡系统的原理图，既可以作为阅读器，又可以作为射频识别卡，由软件控制来完成数据的收发切换。考虑到NRF401和单片机都只有一个串口，单片机还要和上位机相连，所以本方案中用了两个单片机，一个完成和上位机的串口通信，另一个完成和NRF401的串口通信，两个单片机之间直接相连完成数据传递。下面说明可读可写射频卡的工作原理。P02PR64K7P05VCCP03RXDP06VCCU5X2504512345678CSSOWPGNDSISCLKRSTVCCRSTP00GNDRXDPR14K7P23U3AT89C20511102054121314151617181923678911RST/VPPGNDVCCXTAL1XTAL2P10/AIN0P11/AIN1P12P13P14P15P16P17P30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P37TXDVCCP0133PFCAPNRF4011234567891020191817161514131211XC1VDDVSSFILT1VC01VC02VSSVDDDINDOUTXC2TXENPWR_UPVSSANT1ANT2VSSVDDCSRF_PWRP06P25GNDP03P24PR34K7WR33PFCAPP02GNDP05U2AT89C20511102054121314151617181923678911RST/VPPGNDVCCXTAL1XTAL2P10/AIN0P11/AIN1P12P13P14P15P16P17P30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P37P07C1601UFP04P24P22P23VCCP25VCCWDTP00VCCRSTA11TUESDAY,MAY06,2014TITLESIZEDOCUMENTNUMBERREVDATESHEETOFPR04K7GNDP32P07GNDTXDVCCWDTP01XTAL110592MGNDP04VCC图43可读可写式射频识别卡系统原理图图43中，X25045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程电路。X25045中的看门狗对系统提供了保护功能，当系统发生故障而超过设置时间时，也就是说，当保持“1“或者“0“的时间大于看门狗的定时时间周期，电路中的看门狗将通过RESET输出高电平信号使单片机复位。另外，X25045所具有的电压监控功能也可以保护单片机系统免受低电压的影响，它的正常工作电压是45V55V和单片机共用，如果电源电压低于45V并持续200MS，则RESET就输出高电平复位单片机，直到电源电压返回到稳定值为止。发送过程上位机把要发送的数据送给电平转换芯片MAX232，数据经过电平变换后，送给第一个单片机U2的P30RXD引脚，数据经单片机U2处理后，送给单片机U3，从串行口P31TXD引脚送出去，然后，数据通过NRF401的DIN引脚，进入到射频芯片内部，经过FSK调制，通过印刷天线发射出去。接收过程天线接收到数据，送到NRF401芯片内部完成解调后，数据通过NRF401的串行口DOUT送给单片机U3的P30（TXD）,U3接收数据后，把它送给单片机U2，单片机U2再通过串行口P31TXD，把数据经电平转换后送上位机。当然在应用中，如果作为射频识别卡来使用，可以把卡号、车型、牌照、用户余额、入口车站编号、出口车站编号等数据存入片内存储器，此时只要用一个单片机即可完成与阅读器的通信。42软件设计从射频识别卡中提取数据（射频识别卡的卡号）后，把数据送往上位机进行处理，计算出本次收费额，下传到LED进行显示；同时把处理后的结果转换为相应的控制字，来控制红绿灯和提杆机准确动作。为此，本论文设计了相应配套软件及通信协议。硬件部分以AT89C2051为设计核心，从上位机接收数据，数据进入单片机后，进行软件的相应处理，处理完毕送数码管显示收费额，同时送控制字到继电器，继电器控制红绿灯和提杆机的动作。421外围控制器软件的分析与实现在AT89C2051单片机系统中，单片机可以以直接传送或应答握手的方式进行数据通信，但由于握手方式占用其他的端口，而单片机的端口数量有限，同时由于数据传输的实时性，本论文中计算机与单片机的通信采用直接传送的方式，下面将重点介绍。单片机AT89C2051的串行端口有4种工作方式，通过编程设计，可以使其工作在任一方式。单片机串行通信的波特率可以程控设定，在不同的工作方式下，由时钟频率的分频值或定时器T1的溢出率确定。单片机的串行端口有两个控制寄存器，用来设置工作方式、发送或接收的状态、特征位、数据传送的波特率以及中断标志TI和RI。单片机可以采用查询方式或中断方式实现串行数据的传送。在查询方式下，单片机循环对数据寄存器SBUF进行读写来实现数据的接收和发送；在中断方式下，对方式1、2来说，一帧数据发送或接收完后，TI/RI自动置1，请求串行中断，若CPU响应中断，则执行中断服务程序，并把TI/RI清0以再次响应中断。对在方式2、3下的接收，还要视串口控制寄存器SCON的设置才可确定RI是否被置位以及串口中断是否开放。查询方式直接，易于理解，但占用大量CPU时间。实时控制中，由于事件的突发性，常采用中断方式进行数据传送，中断方式能更大限度地提高资源的利用率，使CPU在不进行数据通信时做其他工作。在此，由于事件的偶然性和要求传送的实时性，故采用中断方式来进行现场数据传输。下面介绍单片机在方式1下的中断方式编程。方式1是10位异步通信方式，其中包括1个起始位，8个数据位和1个停止位。波特率由定时器T1的溢出率和串口控制寄存器SMOD的状态决定。在串行口工作于方式1，同时定时器1作为波特率发生器工作于方式2时，确定定时器的初值常采用如式41的计算公式17（41）V384TK256THOSC1其中，TH1就是要对定时器1设定的初始值，必须为整数，如果TH1不能取整，产生的波特率可能不理想，此时，必须选择另外一种晶振频率。是晶OSCT振频率，V为波特率。K的值这样确定当SMOD1时，K2；当SMOD0时，K1。在晶振为110592MHZ时，波特率常采用9600B/S，如果K1，可计算出2530FDH。1TH单片机的串行端口有一个数据寄存器SBUF，该寄存器为发送和接收所共有，在一定条件下，向SBUF写入数据就启动了发送进程，读SBUF就启动了接收进程。对SBUF进行写操作就可以启动发送，在发送位移时钟的同步下，从TXD先送出起始位，然后是8位数据位，最后是停止位，这样一帧数据发送完，中断标志TI置位。在允许接收的条件下（REN1），当RXD出现由1到0的负跳变时，即被当成是串行发送来的一帧数据的起始位，从而启动一次接收进程。当8位数据接收完，并检测到高电平停止位后，即把收到的8位数据装入SBUF，置位RI，一帧数据的接收过程就完成了。下面是单片机以方式1在直接传送下的中断接收和发送程序。由于没有使用通信握手，所以通信双方都应作好通信准备。在计算机接收、单片机发送时，由计算机先发送字母AA，通知单片机已准备好，然后上位机处于等待状态；当单片机接收到AA时，向计算机发送Y，表示单片机也准备好了，这样，一旦计算机接收到Y就表示双方都已经准备好了，二者之间就可以交换数据了。在计算机发送、单片机接收时，计算机发送一帧数据，单片机响应中断，接收数据。单片机程序具体实现通信过程的流程图如图44所示。图44单片机与上位机通信的软件实现开始初始化等待中断接收数据ACC联络标志是1是AA吗会送“Y”联络标志位置1是控制帧结束是费用帧结束接收数据中断返回中断返回结束是是否是是否是是否是是否是是是是是是是是部分代码如下ORG0000HAJMPSTARTORG0023H；串行口中断入口LJMPSERIORG0100HSTARTMOVTMOD,20H；设置定时器1为方式2MOVPCON,00H；使TMOD0MOVTL1,0FDHMOVTH1,OFDH；设置波特率为9600B/SSETBEA；全局开中断CLRET1；关T1中断SETBES；开串口中断SETBTR1；开定时器中断CLR71HMOVSCON,50H；串行方式1，允许接收MOVR1，51HSJMPSERIJNBTI,RXDINT；判断是否发送中断CLRTI；TI1，清发送中断标志SJMPSENDRETIRXDINTJNBRI,ENDTRCLRRI；清除接收中断标志MOVA,SBUF；串口接收缓冲区数据送AJB71H,DATACJNEA,AAH,ENDTR；是否接到AA,如果不是等待MOVSBUF,A；接到AA,发送YSETB71HSJMPENDTRDATACJNEA,4DH,NEXT；是否接到”红绿灯结束标志”，若没有转到NEXTMOVR1,51H；如果接到结束标志,回到51HDATASAVEMOVR1,AINCR1SENDMOVA,R0；R0为要发送的数据存放的地址MOVSBUF,AJNBTI,CLRTIINCR0ENDTRRETIEND422数码管、红绿灯显示的软件分析与实现数码管的个位、十位和百位的显示分别由单片机的P32，P33，P35脚来控制片选，红绿灯由P34脚来控制，同时P37脚用来向SN74HC377锁存器发送启动脉冲。单片机从上位机接收到的数据放在以51H开始的内存单元中，由于控制数码管和红绿灯的通信帧协议不一样，所以这些数据在向锁存器送之前，还要进行判断，从而发送相应控制字。部分程序如下BEGINMOVA,51HCJNEA,3DH,NEXT2；半段协议帧的字头SETB7AHSJMPDONEXT2CJNEA,3AH,BEGINCLR7AHDOJB7AH,FEIYONG；如果7AH中的内容是1，说明接收的数据帧是费用帧MOVP1,00H；如果是0，说明是红绿灯控制帧FEIYONGMOVA,51H；51H中存的是收费额数据帧或红绿灯控制字帧的字头CJNEA,3DH,BB；如果不等，字头可能是红绿灯控制字头ACALLNOP7；7个空操作SJMPDIG；送出52H和53H中的数据BBCJNEA,3AH,BEGIN；如果不是红绿灯控制字字头，转BEGINCLR7AH；如果是红绿灯控制字，7AH中内容为0（标志）NOPLJMPRGYDIGMOVA,52；52H中存放的是数码管的具体显示数据（个位）ANLA,0FHMOVDPTR,DIGLEDMOVCA,ADPTRMOV32H,AACALLSE2NOPNOPMOVA,53H；53H中存放的是数码管的具体显示数据（十位）ANLA,0FHMOVDPTR,DIGLEDMOVCA,ADPTRMOV33H,AACALLSE3NOPNOPLJMPBEGINRGYMOVA,52H；52H中存放