硕士学位论文-基于RFID的公交车智能报站系统.pdf

河北工业大学 硕士学位论文 基于rfid的公交车智能报站系统 姓名：杨伟平 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：刘剑飞 20081101 河北工业大学硕士学位论文 i 基于基于 rfid 的公交车智能报站系统的公交车智能报站系统 摘 要 摘 要 射频识别(rfid， radio frequency identification)技术是一种利用无线射频通信实现的非 接触式自动识别技术。 由于采用了无线电与雷达技术， 系统的数据交换是通过电场与磁场， 即无线的方式进行通信，可实现多目标识别、运动目标识别，具有广阔的应用领域。 本文首先介绍了 rfid 系统的组成、特点、应用以及工作原理，并对射频识别技术的 关键技术进行了深入的研究。然后结合我国目前城市公交报站现状，按照公交系统智能化 的要求，提出了一种新型智能化公交报站系统。 公交智能报站系统由车载读写器和站牌主动式电子标签组成，根据实际应用要求，系 统采用主动式 uhf rfid 技术实现公交智能报站。课题从硬件和软件两个方面进行系统设 计，在硬件设计方面，采用了模块化设计，详细分析了系统硬件电路的构成和实现方法， 系统主要由控制模块电路、射频通信电路、语音功放电路、串口通信电路、显示电路五部 分组成。微控制器采用单片机 at89s52；无线射频收发芯片采用 nordic 公司的 nrf905， 工作频率选择 433mhz；语音芯片选用 isd 公司的 isd4003；串口通信模块使用 max232 作为 rs232 与 ttl 电平转换芯片。在软件设计方面，根据系统硬件组成原理和功能要求， 使用 c 语言编写了射频通信电路、串口通信电路、语音功放电路的控制程序，以及车载读 写器和站牌主动式电子标签的总体控制程序。 最后对系统进行软硬件联合调试，完成车载读写器与站牌主动式电子标签之间的双工 通信，实现了公交车对车站自动识别、自动报站的功能，系统经测试通信距离远，且稳定 可靠，具有较高的优越性。 关键词：关键词：射频识别，阅读器，nrf905，单片机 基于 rfid 的公交车智能报站系统 ii the system of intelligent bus-stop auto-announce based on rfid abstract radio frequency identification (rfid) is a new technology of radio frequency communication which is realized through non-contact automatic identification technology. according to wireless communication and radar technology, the data communication of rfid is via electric field and magnetic field, which is a wireless communication method. so, rfid can be used in multitarget and floating targets situation，as well as can be applied to many areas. firstly, the compose, features, applications and operating principle of rfid system are introduced, also, some key technologies about rfid are carefully studied. then, according to combined with the situation of urban public transport auto-announce and the requirements of intelligent transportation system, the system a new type intelligent bus-stop auto-announce is put forward. the system of intelligent bus-stop auto-announce is by the composition of the on-board reader and station active rfid, according to the actual application requirements, active uhf rfid is used to realize intelligent bus-stop auto-announce. the hardware and software aspects of system is designed, in the aspect of hardware , using a modular design, components and implementation of hardware circuit is analysed in detaile. the system is by the composition of radio frequency communications circuits and voice amplifier circuit and serial communications circuits and display circuit. single-chip at89s52 is used as microcontroller; nrf905 of nordic company is used for radio frequency transceiver chip, operating frequency is 433mhz; isd4003 of isd company is used as voice chip; the max232 which can change ttl level to rs232 ttl is used as serial communication chip. the aspect of software, according to the structure principle of hardware and requirements of system performance, the c language is used to design control programme of radio frequency communications circuits and voice amplifier circuit and serial communications circuits and display circuit, as well as whole control programme of the on-board reader and station active rfid. 河北工业大学硕士学位论文 iii finally, the software and hardware of system are debugged, the duplex communications is completed fully between the on-board reader and station active rfid, the auto-announce and auto-recognition of station is realized. system tested that is long-distance and more stable and superior. key words: rfid, reader, nrf905, single chip 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1-1 研究背景和意义研究背景和意义 1-1-1 自动识别与自动识别与rfid技术技术 在我们的现实生活中， 各种各样的活动或事件都会产生这样或那样的数据， 这些数据包括人、 物质、 财务的数据，也包括采购、生产和销售中的数据，这些数据的采集与分析对于我们的生产或者生活决策 来说十分重要。如果没有这些实际的数据支持，生产和决策将成为一句空话，将缺乏现实基础。 在信息系统早期，相当一部分数据的处理都是通过人工手工录入的，这样不仅数据量十分庞大，劳 动强度大，而且数据误码率较高，也失去了实时的意义。为了解决这些问题，人们需要研究和发展了各 种各样的自动识别技术（automatic identification technology, ait） ，将人们从繁重且十分不精确的手工劳 动中解放出来，提高系统信息的实时性和准确性，从而为生产的实时调整、财务的及时总结以及决策的 正确制定提供了正确的参考依据 1。 在计算机信息处理系统中，数据的采集是信息系统的基础，这些数据通过数据系统的分析和过滤， 最终成为影响我们决策的信息。 自动识别技术就是应用一定的识别装置， 通过被识别物品和识别装置之间的接近活动， 自动地获取 被识别物品的相关信息， 并提供给后台的计算机系统做后续处理的一种技术。 自动识别技术是以计算机 技术和通信技术的发展为基础的综合性科学技术， 它是信息数据自动识别、 自动输入到计算机的重要方 法和手段，可以这么说，自动识别技术是一种高度自动化的信息和数据采集技术。 自动识别技术近几十年来在全球范围内得到了迅速发展， 初步形成了一个包括条码技术、 磁卡磁条 技术、ic 卡技术、光学字符识别技术、射频技术、声音识别及视频识别等集计算机、光、磁、物理、 机电、通信技术为一体的高新技术学科，表 1.1 中列出了常用的自动识别技术的属性比较 1。 其中，射频识别(radio frequency identification，rfid)技术是一种利用射频信号自动识别目标对象 并获取相关信息的技术，是一种无线的、非接触的自动识别技术,是近几年发展起来的前沿科技项目。 rfid 最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。该技 术主要和当今数字化移动商务相适应， 可以实现自动识别和远程实施监控及管理， 其通信距离范围可从 几厘米到几十米远。而且依据读写方式的不同，可以输入数千字节的数字信息，具有极高的保密性，它 适应当代数字化移动商务的社会需求， 是当代信息技术中的热门技术之一， 其主要优点是环境适应性强、 不受风雪、冰雹、灰尘等的影响，可全天候、无接触地完成自动识别、跟踪与管理，且可穿透非金属物 体进行识别，抗干扰能力强。因此，rfid 技术已在世界各地得到广泛的应用，以美国、日本和欧洲为 首的发达国家对 rfid 技术的应用研究已达到相当高的水平，而我国仍处于起步阶段，大多采用了引进 的技术成果，所以研究自主知识产权的 rfid 技术已成为当今社会发展的必需 1,2。 基于 rfid 的公交车智能报站系统 2 表 1.1 常用自动识别技术属性比较 table1.1 the attribute comparison of common automatic identification technology 另外，rfid 技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还包括 通信原理及半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。因此，对 rfid 技术的认识和研究具 有深远的理论意义。 1-1-2 rfid国内外应用发展与现状国内外应用发展与现状 随着 21 世纪数字化时代的到来，基于远程信息化网络管理技术和移动商务的社会需求，rfid 技 术在智能交通管理系统中将发挥巨大的作用，rfid 技术的明天将更加灿烂夺目，将在全球范围内蔓延 开来，研究开发 rfid 技术有着巨大的经济效益和社会意义。 近些年来由于受到以美国 沃尔玛为代表的大型零售商的推动， rfid 技术在全球掀起阵阵热潮， 吸 引了众多厂商参与相关技术及芯片的研究和开发 3。rfid 技术处于迅速上升的时期，该技术被业界公 认为是本世纪最有前途应用技术之一，引起了许多国家的重视。 目前还没有正式的 rfid 产品国际标准，各厂家推出的 rfid 产品互不兼容，造成了产品在不同市 场和应用上的混乱和孤立，这势必对未来的 rfid 产品互通和发展造成障碍，标准不统一已成为制约 rfid 发展的重要因素之一。目前，rfid 存在着两个技术标准阵容，一个是美国的 auto-id center，一 个是日本的 ubiquitous id center(uid) 1,4。这两大技术标准阵容在使用的无线频段、信息位数和应用领 域等方面有许多的不同点， 而且旗下各有数家公司提供技术研究支持， 每一个阵容都在争取自己的标准 系统参数 条形码 光学字符 语音识别生物识别 磁卡 接触 ic 卡 射频识别 信息载体 塑料薄膜等 物质表面 磁性物质 eeprom eeprom 信息量 小 小 大 大 较小 大 大 读写性能 r r r r r/w r/w r/w 读取方式 ccd/激光束 光电转换 机器识读机器识读 电磁转换 电擦写 无线通信 人工识读性 受约束 简单 不可 不可 不可 不可 不可 保密性 无 无 好 好 一般 好 好 智能化 无 无 无 有 有 环境适应性 不好 不好 一般 一般 很好 光遮盖 全部失效 全部失效 可能 没有 方向位置影响 很小 很小 单向 单向 没有 识别速度 低 低 很低很低 低 低 很快 通信速度 低 低 低 较低 快 快 很快 读取距离 近 很近 很近直接接触接触 接触 远 使用寿命 一次性 较短 短 长 很长 国际标准 有 无 无 无 有 有 有 成本 较低 一般 较高较高 低 较高 较高 多标签同时识别 不能 不能 不能不能 不能 不能 能 河北工业大学硕士学位论文 3 成为世界标准，进而成为行业的领跑者。但是主动式 rfid 标准至今尚没有统一，各个厂家都有自己 的标准。 中国作为世界上最大的产品制造基地， 当中国制造的产品远涉重洋走向世界的时候， 在产品中安装 的 rfid 标签也必须符合世界通用标准，但是国内由于涉足 rfid 时间较晚，在标准制定、技术储备和 人才培养等方面与国外存在着较大的差距。2004 年 2 月，中国国家标准化管理委员会宣布成立电子标 签国家标准工作组，负责起草、制定中国有关电子标签的国家标准。2004 年 4 月，中国企业分别加入 epc global 和日本的 uid，同时 epc global china 和 uid 中国中心成立。2006 年，中国科技部宣布， 在“十一五”期间，将在“射频识别(rfid)技术与应用”领域拨款一亿两千八百万，力争实现中国 rfid 领域技术突破与自主创新 4。 射频识别技术在国外应用非常广泛，产品种类繁多。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部， 射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：汽车、火车等交 通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化；安全出入检查；仓 储管理；动物管理；车辆防盗等 6，具体体现在以下几个方面： 在车辆自动识别方面，早在 1995 年北美铁路系统就采用了射频识别技术的车号自动识别标准，在 北美 150 万辆货车、1400 个地点安装了射频识别装置。近年来，澳大利亚也相继开发了用于矿山车辆 的识别和管理的射频识别系统。 在高速公路收费及智能交通方面，香港“驾易通”采用的就是射频识别技术。装有射频标签的汽车 能被自动识别，无须停车缴费，大大提高了行车速度和效率。虽然我国很多地区高速公路都采用了射频 卡，但就技术而言都是采用近距离射频卡，大部分还是应用人工停车收费的方式。最近，锦山的一条高 速公路上应用了射频卡自动收费，但是与香港“驾易通”相比，差距显而易见。利用射频识别技术的不 停车高速公路自动收费系统是将来的发展方向，人工收费包括 ic 卡的停车收费方式也终将被淘汰。 在射频卡应用方面，1996 年 1 月韩国就在汉城的 600 辆公共汽车上安装射频识别系统用于电子月 票，实现了非现金结算，方便了市民出行。而德国汉莎航空公司则开始试用射频卡作为飞机票，改变了 传统的机票购销方式，简化了机场人关的手续。在我国，射频卡主要应用于公共交通、地铁、校园、社 会保障等方面，上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。 在生产线的自动化及过程控制方面，德国 bmw 公司为保证汽车在流水线各位置准确地完成装配 任务，将射频识别系统应用在汽车装配线上。而 motoro1a 公司则采用了射频识别技术的自动识别工序 控制系统，满足了半导体生产对于环境的特殊要求，同时提高了生产效率。在动物的跟踪及管理方面， 许多发达国家采用射频识别技术， 通过对牲畜个别识别， 保证牲畜大规模疾病爆发期间对感染者的有效 跟踪及对未感染者进行隔离控制。 而在生产线的自动化及过程控制以及动物的跟踪及管理方面， 我们离 国际水平的差距就更大，甚至在有些方面根本就没有应用 4,5。 总体而言，射频识别技术在国外的发展已经相当成熟，应用更加普及，而在我国，由于对射频识别 技术的起步较晚，应用的领域不是很广，除了在中国铁路应用的车号自动识别系统外，主要应用仅限于 射频卡。然而在今年北京奥运会上，奥运门票、食品供应等都史无前例的使用了 rfid 技术，这为 rfid 技术在中国的注入了强心剂 3，相信在不久的将来，我国射频识别技术应用将在生产线自动化、仓储管 基于 rfid 的公交车智能报站系统 4 理、电子物品监视系统、货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面会有更大的突破和发展，市场前景将非 常广阔。 1-2 课题任务 课题任务 近些年来，随着经济的飞速发展，人们对出行有了更高要求，城市公交系统也开始快速发展，不仅 公交车的型号不断更新换代， 而且为了公司效益目前已经全部改成无人售票车， 报站也由原来的由随车 售票员报站改为由司机按键报站了。但是由于公交司机既要开车，又要兼顾按键报站，所以常常出现误 报、漏报等现象，不能够满足公交系统的要求；另一方面，由于司机开车时为报站分散精力，也对公交 的安全运行埋下了隐患 7,8。因此，对自动报站系统的需求也日益强烈。应用自动报站系统既可以节省 员工开支， 增强公司效益， 又可以利用报站器播报标准的普通话站名， 使各城市间更容易交流与发展 11。 而目前大中城市公交车报站方式主要有以下几种： （1）手动电子报站系统：由驾驶员进行人工控制 的报站系统，每次报站时都需要由驾驶员对报站器进行操作，工作过程是：车辆进站前按一次键；车辆 停稳开门时按一次键；车辆离开车站后再按一次键。车站的识别、语音的播放必须靠驾驶员控制, 不仅 增加了驾驶员的操作, 还存在一定的安全隐患。 （2）利用车辆行驶特征设计的一种自动报站系统：如根 据起步后行驶距离、开关门信号、起步和进站打转向灯的方式综合起来判断车辆的起步、行驶、进站状 态。这种方法做到了一定程度上的自动报站，但这种方法要求驾驶员一定要按驾驶规范操作，如果驾驶 员操作不规范或者遇到特殊情况时的紧急处理，例如中途停车等，就有可能引起报站错误。同时，对行 驶距离的判断需要加装额外的传感器或连接汽车原有的计程电路，技术安装比较复杂。 （3）利用 gps 全球卫星定位系统的公交车报站系统： 这也是当前国内外正在研究和推广一种报站方式， 它是根据 gps 的定位数据（经纬度信息等）计算出公交车的实时坐标，而后将其坐标与站点坐标相比较，在距离站点 一定的距离范围内进行报站 9,10。 目前美国等西方国家部分城市已投入使用， 国内也有此类产品的研制、 开发和应用，其功能强大，系统稳定，让人们对自动报站系统的前景抱有很高的希望，但其投资昂贵， 尤其是一些中小城市无法承受，而且该系统容易受到树木、高楼、桥梁等建筑物的遮挡导致有时收不到 gps 信号，所以很难普及推广，要想提高产品的实用性，降低成本，还有很长的路要走。 超高频射频识别（uhf（ultra high frequency）rfid）技术是国际上最先进的第四代自动识别技术， 是近几年刚刚开始兴起并得到迅速推广应用的一门新技术，具有识别距离远、识别准确率高、识别速度 快、抗干扰能力强、使用寿命长和运用范围广等特点 8,13。本课题正是根据目前各大城市公交报站的缺 点和 rfid 射频识别技术的优越性，设计了一种基于射频识别技术（rfid）的公交车智能报站系统 14， 采用先进的射频识别技术与大规模语音合成技术相结合的方式， 改变了传统公交车语音报站器由司机操 控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语。实现准确、及时、不需要人工介入的报 站方式，可以从根本上解决目前公交报站系统的不足，从而改善公共交通服务水平，方便乘客乘车,为 实现公交报站完全智能化成为可能。 本课题的主要工作有以下几点： （1）课题采用 433mhz 频段的有源 rfid 识别技术，可以满足射频识别的远距离、移动性、环境 河北工业大学硕士学位论文 5 多变、高速的要求。 （2）针对频率稳定问题和功耗问题，课题将采用专用 rf 无线收发模块 nrf905。nrf905 是单片 射频收发芯片，工作于 433/868/915mhz3 个 ism 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡 器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-10dbm 的功 率发射时，工作电流只有 9ma，接收时工作电流只有 12.5ma，多种低功率工作模式，节能设计更方便。 （3）根据系统硬件电路的构成，给出了车载读写器和站牌主动式电子标签的硬件原理图，并制作 了实验电路板。 （4）制定车载读写器与站牌主动式电子标签间的数据通信协议。 （5）根据系统功能用 c 语言编写系统各模块以及整个控制程序。 （6）对系统进行软、硬件调试。 1-3 论文结构安排 论文结构安排 本文共分七章，内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了 rfid 技术产生的背景，系统地回顾了国内外 rfid 的研究现状和发展，简 述了 rfid 系统的组成和工作原理， 最后阐述了本选题的背景、 意义以及本课题的主要内容和结构安排。 第二章为 rfid 技术工作原理，本章首先阐述了 rfid 技术的基本工作原理和物理学原理，然后分 析了 rfid 系统的各部分组成原理、分类、频段的使用情况，最后分析了 rfid 技术的数据通信协议和 安全性等问题。 第三章为系统整体设计分析及主要器件选型， 本章主要分析了公交智能报站系统的整体设计思路和 组成结构，并根据车载读写器和站牌主动式电子标签功能要求选取了系统的主要元器件： at89s52 单 片机、nrf905 射频收发芯片和 isd4003 语音存储芯片；最后，本章还简要介绍了系统的软件开发环境。 第四章为车载读写器的设计， 本章首先介绍了车载读写器的功能原理， 按照车载读写器组成原理将 其划分成各个模块， 分模块对其进行分析， 并详细阐述了读写器在进行数据收发时的具体通信技术和通 信过程以及语音报站的原理， 并制订了车载读写器与站牌主动式电子标签之间的通信协议， 同时对读写 器的天线进行了详细的分析计算。最后根据车载读写器硬件电路原理，用 c 语言编写了相应的控制程 序和车载读写器总体控制程序。 第五章 为站牌主动式电子标签的设计，本章首先分析了站牌主动式电子标签的功能、原理和硬件 电路组成， 并分析了主动式电子标签在进行数据收发时的具体通信技术和通信过程， 制定了主动式电子 标签与读写器之间的通信协议， 并详细分析了主动式电子标签的防冲突设计和差错控制方法， 最后根据 主动式电子标签硬件电路原理，用 c 语言编写了相应的控制程序和站牌主动式电子标签总体控制程序。 第六章为系统制作与调试，本章主要介绍了设计 pcb 板时应注意的问题, 针对系统应用环境的特 点，采取了相应的硬件抗干扰措施，并给出了系统的实物图，同时详细介绍了系统调试过程，给出了系 统调试结果，完成了系统的主要功能。 第七章为总结与展望，对本文工作进行全面总结，给出课题的主要任务和所取得的成果，并指出存 基于 rfid 的公交车智能报站系统 6 在的不足和需改进的地方。 1-4 本章小结 本章小结 本章主要介绍了 rfid 技术产生的背景，系统地回顾了国内外 rfid 的研究应用现状和发展，简 述了 rfid 系统的组成和工作原理，最后阐述了本课题的选题的背景、意义以及本论文的主要内容和结 构安排。 河北工业大学硕士学位论文 7 第二章 第二章 rfid 技术工作原理技术工作原理 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。随着成本的下降和标准化 的实施， rfid 技术的全面推广和普遍应用将是不可避免的趋势， 它将成为用途最广泛的自动识别技术。 2-1 rfid 技术的基本工作原理技术的基本工作原理 射频识别系统的基本模型如图 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 12,13。 图 2.1 rfid 的基本模型图 figure 2.1 the basic model of rfid 由图 2.1 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技术基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。 2-2 rfid 技术的物理学原理技术的物理学原理 射频识别系统分电感耦合和电磁耦合两种工作方式， 本文所阐述的主动式射频识别系统， 采用的是 电磁耦合原理。因此了解电磁传播规律，对研究读写器与电子标签之间数据传输的过程是非常必要的。 能量 读 写 器 电子标签 数据 时序 计算机系统 基于 rfid 的公交车智能报站系统 8 下面从射频识别的角度来探讨电磁场的特性。 电子标签和读写器通过各自的天线组成了二者之间的非接触信息传输通道， 这种空间信息传输通道 的性能完全由天线周围的场区特性决定，是电磁传播的基本规律。射频信号加载到天线之后，在紧邻天 线的空间中，叫做近辐射场，以电感耦合方式工作，离开近辐射场，称为远辐射场，以电磁耦合方式传 播。 2-2-1 电感耦合 电感耦合 无功近场又称为电抗近场区， 它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。 在该区域中电抗性 储能场占主要地位，通常该区域的界限取为距天线口径表面2/ 处。从物理概念上讲，无功近场区 是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换。如果在其附近还有 其他金属物体，这些物体将会类似电容、电感耦合的方式影响储能场，因而也可将这些金属物表面看作 组合天线的一部分。在该区域中束缚于天线的电磁场未曾做功（只是进行电磁的相互转换） ，因而将该 区域称为无功近场区，也就是电磁场作用区域，如图 2.2 所示 12。 电感耦合方式一般适合在中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125khz， 225khz，和 13.56mhz，识别距离小于 1m，典型识别距离在 1020cm。 图 2.2 电感耦合 图 2.3 电磁耦合 figure 2.2 inductance coupled figure 2.3 electromagnetic coupled 2-2-2 电磁耦合电磁耦合 辐射远场区即人们常说的远场区，又称为夫郎荷费区。在该区域中，辐射场的角分布与距离无关。 严格地讲，只有离天线无穷远处才能达到天线的远场区。但在某个距离上，辐射场的角度分布与无穷远 时的角度分布误差在允许的范围以内时，即把该点至无穷远的区域称为天线远场区，在远场区范围内， 是以电磁波形式传播。 天线的方向性即该辐射区域中辐射场的角度分布， 因此远场区是天线辐射场区中最重要的一个， 公 认的辐射近场区与远场区的分界距离r为： 2 2d r = 其中,d为天线直径，为天线波长；d。 对于天线而言，满足天线的最大尺寸l小于波长时，天线周围只存在无功近场区与辐射远场区， 没有辐射近场区。无功近场区的外界约为2/，超过了这个距离，辐射场就占主要优势。一般满足 河北工业大学硕士学位论文 9 1/ 操作摘要 powerup 00100 上电:等待 tpud 后器件可以工作 set play 11100 从指定地址开始放音，后跟 play 指令使放音继续 play 11110 从当前地址开始放音(直至 eom 或 ovf) set rec 10100 从指定地址开始录音，必须后跟 rec 指令录音继续 rec 10110 从当前地址开始录音(直至 ovf 或停止) set mc 11101 从指定地址开始快进，必须后跟 mc 指令快进继续 mc 11111 执行快进,直到 eom，若再无信息，进入 ovf 状态 stop 0x110 停止当前操作 stop wrdn 0x01x 停止当前操作并掉电 rint 0x110 读状态:ovf 和 eom 单片机at89s52控制语音芯片isd4003是通过spi串口实现的，由于at89s52没有spi串口，所以只 能使用普通i/o口模拟实现spi串口的操作。从图4-5知道，p2.4模拟spi主设备的数据输出端mosi，p2.5 模拟spi的数据输入端miso，p2.6模拟spi的时钟输出端sclk， p2.7模拟spi的从机选择端/ss 35,37,38,39。 由于本系统只需要放音操作不需要录音操作，所以只需要模拟写操作，具体过程如下： 上电复位后首先将p2.6(sclk)的初始状态设置为0(空闲状态)，写操作:写操作发送5位控制位 ，11位数据位，共16位，下面介绍用c51普通i/o口模拟spi口的部分子 程序。 /首先定义好i/o口 sbit /ss =p23; miso mosi ovf eom p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 p8 p9 p10 0 0 c4 c3 c2 c1 c0 a10 a9 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 信息检索 mc 忽略地址位 上电位 录/放 运行位 基于 rfid 的公交车智能报站系统 40 sbit slck =p26; sbit miso =p25; sbit mosi =p24; unsigned int spiwrite(unsigned char add) unsigned char i; /ss=0; for (i=0;i8;i+) if(add else mosi=0; sck=1; /上升沿发送数据 sck=0; add=1; 对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。上述子程序是针对在sclk的上升沿输 入数据的。这些子程序也适用于在串行时钟的上升沿输入和下降沿输出的其它各种串行外围接口芯片, 只要在程序中改变p2.6(sclk) 的输出电平顺序进行相应调整即可。 2.单片机控制isd4003的放音过程 单片机控制语音芯片进行放音，首先的选通该芯片，然后通过spi端口发送上电命令和播音地址命 令 40。当开始执行放音操作时，器件在上电后必须延时等待25ms（由于语音芯片的采样率为8khz）， 才能发送下一条指令，若从00地址开始放音，具体过程如下： （1）发power up命令； （2）等待tpud(上电延时)； （3）发地址值为00的setplay命令； （4）发play命令； （5）是否产生int中断； （6）一段放音完成。 单片机控制isd4003的放音流程如图4.15所示。 4-3-6 串口通信电路的软件实现串口通信电路的软件实现 车载读写器在实际工作中是不需要进行串口通讯的，但本系统为了调试方便预留了rs232接口。单 片机内部集成了两个同名不同地址的串口缓冲区sbuf，一个是发送缓冲区，一个是接收缓冲区，发送 数据时mcu自动把数据写到发送sbuf，接收到的数据自动放到接收sbuf，无需程序指定。串口发送 和接收事件发生时，由硬件标志来通知处理器，ri为接收事件发生标志，ti为发送完成标志，单片机程 河北工业大学硕士学位论文 41 图 4.15 isd4003 的放音流程 figure 4.15 playing process of isd4003 序可以根据ri=1还是ti=1进行相应的处理。在本系统中单片机的晶振为11.0592mhz，采用的波特率为 9600bps，采用串行通信方式1，选择定时器工作方式2（禁止t1中断，以免产生不必要的中断带来的频 率误差），计数器工作方式为1，即tmod=0x21，scon 设为50h，pcon 设为0，计数初值th1和tl1 的值n的计算方法为 36： 计数常数fah f n osc somd = = =250 9600384 100592.112 256 384 2 256 61 波特率 n为要计算的定时器初值，把它转换成十六进制后，得到th1=tl1=oxfa。 串口程序的实现过程是这样的， 车载读写器通过射频电路接收到从电子标签发送的数据， 然后将数 据送给串口通过pc机显示，利用串口调试器可以观察到从站台标签中发来的数据，另一方面通过串口 调试器可以向站台标签发送数据， 可以通过数码管显示， 可以进行双向数据通信， 体程序流程图如图4.16 所示。 4-3-7 车载读写器软件设计的总体流程车载读写器软件设计的总体流程 车载读写器总体功能流程图如图4.17所示。当读写器完成初始化后，就进入待机模式。当公交车在 站与站之间行驶时，一般不会收到rfid信号，只有在靠近车站时，才有能收到rfid信号，在行驶过程 中读写器不断地接收来自标签的数据，当检测到有同频载波时，且地址匹配，则准备接收数据；在接收 上电时间是否到？ 放音完成 开始 执行上电操作，选中/ss 延时 25ms，直到上电结束 执行 start 命令，设置放音地址址 执行stop命令 n y 等待 int 是否有效 基于 rfid 的公交车智能报站系统 42 数据时自动去掉前导码和检验码，然后将数据存入spi缓存器中，等待mcu的读取；mcu通过 图4.16 串口通信流程图 figure 4.16 flow chart of serial communication spi 接口读取从电子标签收到的数据，对其进行轮询查找判断处理，如果确认却是属于本车次站牌的有 效数据，就开始预报站，并转向发送模式，向站牌返回一个数据（包含本车车次号） ；之后开始检测开 关门信号，确定是否到站，车载读写器报站具体流程如下： (1) 车在车站与车站之间行驶时，一般不会收到 rfid 信号，只有靠近车站时才收到信号，信号从 无到有即可判定为进站阶段，同时根据收到信号的信息，可以判断出站牌的编号，确定是否为该路车的 下一站，若是，则调用相应的录音内容，播放“前方到达 xxx 车站，请下车的乘客做好准备，需要转 乘 xxx 路、xxx 路.的乘客请下车后等候乘车” ，同时接收模式转向发射模式，并向站牌发送 xxx 路 公交车即将到站的信息；若不是，则继续接收信号； (2) 车停稳后，打开车门，通过开关门传感器检测到的数据，可判断为停车阶段，播放“xxx 车 站到了，请下车的乘客从后门下车，请慢走”的录音。此时关闭发射器，进入短暂的休眠状态； (3) 车关门后即可判断出为起步出站阶段，播放“车辆起步，请站稳、扶好”的录音，此时，站名 显示电路中下一站对应的发光二极管开始变亮； (4) 车离开车站一段时间之后，可以认定为站间行驶阶段，根据刚离开车站的编码信息，寻找下一 站台的编码地址，播放“下一站 xxx，准备下车的乘客提前做好准备”的录音，此时，启动接收器， 转向接收下一站的 rfid 信号； (5) 当车进入下下一车站时又重复步骤(1)(4)的过程。 由于 c 代码具有效率高、可移植性强、可读性高等特点，在车载读写器系统的软件设计中，采用 c 语言进行软件控制程序的编写。 开始 串口初始化 ti=1?ri=1? 发送收到的数据 串口中断 接收数据存到缓冲区发送完成 n yy n 河北工业大学硕士学位论文 43 图4.17 车载读写器总体流程图 figure 4.17 the whole flow chart of on-board reader 用 keil software 公司的 uvision2 仿真环境，进行编写仿真程序，之后将 c 语言直接编译成目标代 码，然后通过 topwin 编程器将目标代码烧录到单片机器件中，运行程序。 4-4 本章小结本章小结 本章首先介绍了车载读写器的功能原理， 按照车载读写器组成原理将其划分成各个模块， 分模块对 其进行分析，并详细阐述了读写器在进行数据收发时的具体通信技术和通信过程以及语音报站的原理， 并制订了车载读写器与站牌主动式电子标签之间的通信协议， 同时对读写器的天线进行了详细的分析计 算,最后根据车载读写器硬件电路原理， 用 c 语言编写了射频收发程序、 语音控制程序、 串口中断程序、 以及读写器总体控制程序 初始化 向站台发送数据 发送语音地址 设为发送模式 mcu 通过 spi 口读取数据 检测到开门信号 报到站 检测到关门信号 报下一站 延时 y 进入待机模式 n 预报站 trx_ce=hi? 进入 shockburst 接收状态 检测到载波， 地址匹配？ 开始接收数据，crc 正确？ 判断是否为下一站？ y y y n n n 基于 rfid 的公交车智能报站系统 44 第五章第五章 站牌主动式电子标签的设计站牌主动式电子标签的设计 站牌主动式电子标签的总体设计分为硬件电路设计和软件程序设计两个部分， 硬件电路设计是整个 设备的关键， 也是软件程序设计的基础。 本章将从硬件和软件两个方面对主动式电子标签的整体设计进 行分析。 5-1 站牌主动式电子标签的硬件电路设计站牌主动式电子标签的硬件电路设计 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 5.1 所示 12,14,18,33。 图 5.1 主动式电子标签结构图 figure 5.1 structure diagram of active rfid 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，对其进行比较判断，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。 5-1-1 控制模块电路控制模块电路 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 15,22。电子站牌中选用的微控制器为 at89s52 单片机，关于 at89s52 单片机的原理请参考 3-2-1 节。 5-1-2 射频收发电路射频收发电路 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部分，射频 车 载 读 写 器 控 制 模 块 电 路 主动式电子标签 稳 压 电 路 射频收发电路 led 显示电路 设置按键 河北工业大学硕士学位论文 45 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、解码还原出有效数据，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， 芯片 功能原理请参考 3-2-2 节。 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射频模块部分做成单独的电路板， 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 5.2 为 nrf905 的应用电路原理图， 其中射频收发的天线部分采用 50的 pcb 板天线，至于天线技术部分参考4-2。 c e 1 pwr up 2 upc lk 3 vdd 4 vss 5 c d 6 am 7 dr 8 vss 9 miso 10 mosi 11 sck 12 csn 13 xc1 14 xc2 15 vss 16 vdd 17 vss 18 vdd_pa 19 ant1 20 ant2 21 vss 22 ir ef 23 vss 24 vdd 25 vss 26 vss 27 vss 28 vss 29 vss 30 dvdd_iv2 31 tx_en 32 nr f905 x1 16m c 2 15pf c 1 15pf r 1 1m c 8 33pf vcc vccc sn sc k m os i m is o c e c 7 10nf dr am c d upc lk c 5 33pf pwr up c 6 4.7nf tx_en 1 2 r 2