电子公交站牌无线射频识别设计.doc

目录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 引言引言 1 1 绪论绪论 2 2 1 1 国内外城市智能公交系统发展现状 2 1 2 课题研究的目的及意义 4 1 3 课题研究的主要内容 5 2 系统设计基础知识简介系统设计基础知识简介 6 2 1 ZIGBEE无线网络和定位系统介绍 6 2 1 1 ZigBee 无线技术简介 6 2 1 2 ZigBee 无线技术优点 8 2 2 RFID 技术介绍 11 2 2 1 RFID 技术概述 11 2 2 2 RFID 技术的工作原理 11 2 2 3 RFID 技术的应用 13 2 2 4 RFID 技术应用于公交系统的可行性分析 14 2 3 GPRS 应用于电子公交系统的可行性分析 15 3 公交站牌的无线射频识别和回传显示设计公交站牌的无线射频识别和回传显示设计 16 3 1 智能公交系统的整体介绍 16 3 1 1 系统功能 16 3 1 2 系统硬件组成及各组成部分功能 17 3 1 3 系统软件组成及各组成部分功能 20 3 1 4 信息采集与发布运行流程 22 3 2 电子公交站牌无线射频识别设计 23 3 2 1 电子站牌子系统的硬件组成 23 3 2 2 信息的采集 识别与发布 25 3 3 公交车站台电子显示屏设计 26 3 3 1 电子显示屏的选择 26 3 3 2 LED 显示屏的设计 27 4 总结总结 28 致谢致谢 29 参考文献参考文献 30 附录附录 31 I 摘要摘要 本文是设计一种基于ZigBee的智能公交管理系统 它包括装在公交车上的车载 设备子系统 装在站台上的电子站牌子系统 装在调度中心的调度设备子系统 车 载设备子系统和电子站牌子系统是由基于ZigBee协议所组成的无线控制网络连接 电子站牌子系统和调度设备子系统通过无线网络 如GPRS 连接 应用该系统 我们 可以实现智能调度管理 候车管理 行使管理功能 我们能够实时掌握公交车运营 期间各车辆的状况 提高班车行驶合理性 及时提示乘客候车情况 更好的体现候 车服务 本设计采用ZigBee和GPRS组成无线控制网路 极大的方便了施工 降低了 成本 本次设计我的主要任务是应用 RFID 技术对车辆上下行的位置数据识别 并正确 区分上下行车辆的位置信息 实现站牌的电子回显系统 本文首先介绍了ZigBee协议及其技术优势 其次阐述了RFID的基本原理 最后 介绍系统构成 工作原理及各个组成部分的功能及电子站牌的软硬件实现方法 设 计中所用到的知识主要是 对802 15 4 ZigBee协议的认识 对RFID技术基本原理的 掌握 对VB语言的掌握和应用 具备一定的无线通信知识 关键词关键词 ZigBee RFID GPRS 智能公交系统 电子回显系统 II ABSTRACT This is the design of a ZigBee based intelligent transportation management system It includes bus mounted on the vehicle equipment subsystems installed in the station platform brand electronic systems installed in the control center of the scheduling subsystem equipment Vehicle subsystems and electronic equipment brand station system is composed of the agreement based on the ZigBee wireless control network connection E station equipment brand systems and scheduling sub system through a wireless network connection Application of the system we can achieve intelligent dispatching management waiting management exercise management functions We are able to grasp the real time bus operators during the state of the vehicle to improve the rationality of bus travel passengers waiting situation prompted a timely manner better reflect the waiting service The design uses a ZigBee wireless control components and GPRS networks greatly facilitates the construction and reduce costs The design of my main task is the application of RFID technology on the vehicle location data from top to bottom line identification and correctly distinguish between the position of the vehicle from top to bottom line information the realization of the e stop system back significantly This article introduces the ZigBee protocol and its technical advantages followed by on the basic principles of RFID and finally to introduce the system working principle and the various components of the E stop function and implementation of hardware and software Design knowledge used are 802 15 4 ZigBee agreement on the understanding of the basic principles of RFID technology in the hands of the VB language and applications and possess the necessary knowledge of wireless communications Keywords ZigBee RFID GPRS intelligent transportation systems electronic echo system 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 1 引言引言 在传统的公交管理中 都是人工凭着经验来编排行车计划 于是往往会出现忙 时车辆过载严重 空闲时车辆空载频繁 而且车辆从始发站出发后 管理人员不知 道车辆到底行使到哪个地方 也不知道车辆上载运情况 这个时候传统的方式使得 管理人员没法实时掌握车辆营运情况 在传统的公交管理中 公交车辆到了站台时 需要人工报站 现在随着一些智能设备的安装 可以人工手动触发报站 但往往有 时司机会忘记报站 或者报站顺序错了后很难改正过来 在传统的公交管理中 乘 客候车时 不可能知道公交车辆什么时候能到达站台 往往等得非常心急 随着技术和经济的发展 利用卫星定位监控管理系统对公交车辆进行管理已经 被普遍采用 韩国和日本的移动运营商和业务提供商已经逐步建立了比较完善的 基于位置的业务设施 移动定位产业价值链日益走向完善 移动定位业务已经渗透 到社会生活的各个方面 呈现规模化的态势 近几年 国内两大运营商积极进行移 动定位业务的实验 相继推出基于不同技术的移动定位服务 随着城市建设和公交 事业的飞速发展 公交企业为提高自身的管理水平 公交车辆的运行效率 降低能 源浪费 运用高科技手段对企业进行管理被提到重要的日程上来 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 2 1 绪论绪论 1 11 1 国内外城市智能公交系统发展现状国内外城市智能公交系统发展现状 在短途公交客运中首批提供动态乘客信息服务的有德国斯图加特有轨电车公司 SSB 它在公交车站安装了动态乘客信息系统 SSB 的动态乘客信息系统是这样工 作的 每个线路的客车除了车载计算机外还有一台无线电装置 它每隔 15s 向接收 站发送 1 次车辆实际位置的无线电数据 为了精确定位 在市内的一些显著位置还 安装了红外标志器 接收站通过电缆与计算机支持的车辆运行调度中心的调度系统 相连 这样 客车的位置数据就可以进入中央计算机 那里存有所有预定的行车时 刻表数据 通过比较预计的和实际的车辆运行情况 如根据行车计划车辆应该在哪 里和实际在哪里 乘客信息系统将自动计算出每个车站的发车时间 然后通过电缆 传给车站的计算机 再由计算机传给显示器 瑞士的 Precimation 公司研制出一种名叫 Iqube 的系统 它在德国汉诺威的 TTI 公司销售 系统的智能部分装在汽车站的 1 个方盒子 Kubus 中 因而它的名字叫 Iqube 每个 Iqube 不仅能识别行驶时刻表 而且可以计算客车精确的到站时间 与 传统系统不同的是 这种方盒子不需要中央计算机 它们可以直接相互交换信息 车辆中装的发射机可以给各个 Iqube 发送车辆的线路号及行车路线信号 每辆停留 的或驶过的车辆都被 Iqube 记录下来并及时登记 这些信号数据立刻被发送给附近 安装的 Iqubes 而它们又继续重复发送这些信息 直到在很短时间内通过网络覆盖 很大面积 使用 Iqube 的基本前提是要有 1 个中央监控器及其软件 每辆车 1 台 发射接收机 以及安装在车站的显示器 2002 年 10 月 北京公交 1 路日坛路车站首次安装了电子站牌 乘客能够在站 牌上看到 1 路车实际运行位置的显示 从而估算出自己的候车时间 公交电子站牌 与普通站牌的区别有两个 一是站名下方有一长串小灯 绿灯亮起的地方就是公交 车实际运行的位置 误差不超过半个公交站距 二是站牌顶部有一个显示屏 可以 为乘客提供文字信息 电子站牌由通讯系统 公交调度平台和行车信息服务管理发 布系统组成 电子站牌的运行方式是通过装有 GPS 卫星定位系统的车辆自动采集信 息和司机根据实际运营状况传回的信息 经无线通信网络传输到公交指挥调度中心 公交调度指挥中心将接收到的车辆数据信息整理编辑 再经北京人民广播电台的数 据平台编播调制 然后由中央电视塔内的调频广播发射机发送给电子站牌接收机 通过站牌 乘客可以了解公交车的行驶状态 所在位置 并且能估算出车辆的到达 时间 此外 乘客还能在站牌的电子屏幕上了解到天气预报 公交换乘信息 政府 公告 商业信息 精神文明建设内容及商业广告等 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 3 2005 年 3 月 上海公交 71 路延安西路凯旋路站出现公交电子站牌 为乘客即 时播报公交车辆的运行状况 预告车辆到站时间 提供各类实用信息 并播放电视 节目 电子站牌配备了 GPS 卫星定位接收系统 通过安装在公交车辆上的 GPS 定位 终端 电子站牌每 30s 接收一次车况信息 实时告知乘客 公交管理部门也可以从 系统中获取客流 路况等实时信息 及时调配车辆 2005 年 11 月 重庆公交电子站牌在重庆街头启用 通过联通 CDMA1X 无线传 输 重庆市民不仅可以在公交车辆站看到下一班车的所在位置 还能够观看政府公 告 公交信息 时事新闻 天气预报等实用信息 不仅方便了市民乘车出行 重庆 公交系统也借此实现了对公交车的科学化 电子化 实时化管理 拉开了重庆市智 能交通服务公众的序幕 智能公交调度系统是综合中国联通 CDMA1X 网络 GPS 全球 卫星定位系统 GIS 地理信息系统等技术的高科技产物 该系统通过公交车辆上的 智能车载设备 将车辆的位置 速度 路况信息 乘客数量等 通过无线传输系统 传回公交车辆监控调度中心 调度中心根据得到的信息合理安排发车间隔时间 将 调度指令发送到公交车辆 司机根据指令控制出发时间 行车速度 同时调度中心 将车辆有关信息通过联通 CDMA1X 网络发布到电子站牌上 该站牌每 30s 滚动更新一 次 及时告诉乘客要乘坐的下一班公交车距离此站还有多远 路上是否堵车等 减 少了乘客等车的盲目性 2005 年 10 月 哈尔滨市智能公交建设正式启动 哈尔滨市智能公交系统包括 车载终端系统 数据通信系统 公交车队调度指挥系统和公交行业调度指挥中心系 统 车载终端系统即车载主机和液晶显示屏 具有自动报站功能 并通过全球定位 系统 向调度室提供车辆的行驶进程和速度等信息 数据通讯系统负责行车数据的 接收 发送和存储 可以向车站的电子站牌及车内显示屏传送运行位置和到站时间 车队调度还可通过这一系统向司机传达运行指令 调度系统可以通过调度中心的电 子地图随时监视所有受控公交车辆的位置 行进速度等 在发现监控对象信号异常 时 能够自动弹出报警窗口并做声 光提示 位于市公交车辆总公司内的交通智能 化指挥中心正在建设中 所有安装智能系统的公交车辆都将从这里进行可视化控制 所有公交车辆全部安装上终端系统后 哈尔滨市还将安装电子站牌 市民可通过电 子站牌上的显示 看到下一辆车的到站时间 已有的公交乘客信息系统虽然具备预 测公交车到站时间的功能 但并不是根据道路上实时的交通流状况预测的 而是根 据发车时刻表推测的 道路交通具有波动变化的特性 如果道路交通状况出现较大 变化 按照经验进行的推测并不准确 目前公交车辆自动定位一般采用 GPS 全球定位系统 GPS 是美国维护的全球定 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 4 位系统 它可以为地面用户提供精确的二维位置 二维速度和时间 它由 24 颗卫星 距地面 2 万多公里的人造地球卫星组成 形成对地面的连续 均匀覆盖 GPS 定位 的特点是全天候 实时性和高精度 因此备受测量和导航用户的青睐 但是在实际 环境中 常常发生 GPS 信号受遮挡而使接收机无法定位的情况 而且特别是在信号 精度受的控制后 直接影响测量结果 而且系统安装和运行成本较高 提出应用 ZigBee RFID 和 GPRS 构成的城市公交汽车自主定位系统 解决上述问题 802 15 4 ZigBee 是一种近距离 低成本 低功耗 低数据传输速率 应用简 单的双向无线通信技术 主要适用于自动控制和远程控制等数据传输领域 是 为满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的 无线射频识别技术 RFID 是一种非接触式自动识别技术 它通过射频信号自 动识别目标对象并获取数据信息 识别无须人工干预 可工作于各种恶劣环境 并 可同时识别多个目标对象 操作快捷方便 随着无线射频识别技术 RFID 的发展 和成熟 将无线射频识别技术引入公交车定位系统将成为一种发展趋势 本文介绍的智能公交系统设计就是基于802 15 4 ZigBee 技术和RFID技术的一 种应用方案设计 站牌以802 15 4 ZigBee 技术为基础实现与车载设备之间的无线 通信 保证低成本 低功耗 实现低开发成本 为公交公司对公交的调度提供方便 为公交乘客提供交到站信息 实现公交系统的智能化 为城市交通和乘客提供便利 1 21 2 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 现代城市经济高速发展 城市车辆数目飞速增加 随着城市车辆的日益增加 行人 公交车 道路三者关系的协调 已成为公路交通管理部门所面临的重要问题 堵车问题是一些经济发达的城市每天都面临的问题 另外汽车尾气环境污染问题也 日益突出 提倡公共交通 减少私家车 每年一度的无车日活动 都使我们不得不 考虑怎样才能提高公共交通的方便性 舒适性 高效性 使人们愿意乘坐公共交通 出行 所以我们将最新的 ZigBee 技术 RFID 射频识别技术 和 GPRS 通信技术结 合起来研制了城市公交车信息化 在公交车站设置电子站牌 实时发布准确的公交车辆运行信息 可以提高公交车 乘客候车的可知性 方便乘客出行选择 提高公交服务水平 吸引更多乘客采用公 共交通出行方式 从而减少交通拥挤 空气污染和能源消耗 推动绿色交通的发展 早晨公交线路开始运行时 一端发车的首班车需要很长时间才能够抵达线路中 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 5 部和尾部的车站 两端发车的首班车也不能立即到达线路中部的车站 从公交车站 的电子站牌上乘客可以看到首班车当前所在的位置和到达本站的时间 如果需要等 待的时间过长 乘客可以选择其它出行方式或乘坐其它线路的公交车 公交车布满 整条线路后 可能出现同一线路的两辆公交车相继到达某一车站的现象 这时如果 前车过于拥挤 乘客只需等待很短的时间便可以乘坐后车 从电子站牌上 乘客可 以预先得知这一信息 于是客流将均匀地分配到前车和后车上 避免前车过于拥挤 而后车空间闲置的情况 晚上末班车时间将近时 部分公交车已经返回车库 一条 公交线路只有靠近终点的一段有公交车在运行 从电子站牌上乘客可以看到末班车 的位置 得知是否还有所需线路的公交车将经过本站 避免乘客等不到车的现象 电子站牌显示公交车的到站时间 候车乘客如果发现需要等待的时间过长 则可改 用其它出行方式或改乘其它公交线路的公交车 1 31 3 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 1 分析课题背景及当前国内外智能公交系统的发展现状 2 介绍本课题所要用到的 ZigBee 技术和 RFID 技术 3 公交系统各个功能模块实现方案和硬件的选择及其功能分析 4 对本文进行总结与展望 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 6 2 2 系统设计基础知识简介系统设计基础知识简介 2 12 1 ZigBeeZigBee 无线网络和定位系统介绍无线网络和定位系统介绍 2 1 12 1 1 ZigBeeZigBee 无线技术简介无线技术简介 Zigbee Zigbee 是什么技术是什么技术 1 ZigBee 是一种新兴的短距离 低功耗 低数据速率 低成本 低复杂度的无 线网络技术 2 ZigBee 采取了 IEEE802 15 4 强有力的无线物理层所规定的全部优点 省电 简单 成本又低的规格 3 ZigBee 增加了逻辑网络 网络安全和应用层 ZigBee 的主要应用领域包括无线数 据采集 无线工业控制 消费性电子设备 汽车自动化 家庭和楼宇自动化 医用 设备控制 远程网络控制等场合 4 ZigBee 无线 可使用的频段有 3 个 分别是 2 4GHz 的 ISM 频段 欧洲的 868MHz 频段 以及美国的 915MHz 频段 而不同频段可使用的信道分别是 16 1 10 个 在中国采用 2 4G 频段 是免申请和免费使用的频率 5 ZigBee 和 802 15 4 标准都适合于低速率数据传输 最大速率为 250Kb s 与其 他无线技术比较 适合传输距离相对较近 6 ZigBee 无线技术适合组建 WPAN 网络 就是无线个人设备的联网 对于数据采集 和控制信号的传输是非常合适的 b b 网络拓扑和路由网络拓扑和路由 ZigBee 标准基于802 15 4 协议栈而建立 具备了强大的设备联网功能 它支 持三种主要的自组织无线网络类型 即星型结构 网状结构 Mesh 和树状结构 Cluster tree 并且系统节点具有多跳路由功能 特别是能够组成蜂窝网状网络 结构 具有很强的网络健壮性和系统可靠性 每个节点的功能并非都相同 为降低 成本 系统中大部分的节点为子节点 从组网通信上来说 它只是其功能的一个子 集 称为半功能设备 RFD 而另外一些节点负责与所控制的子节点通信 汇集数据 和发布控制 或起到通信路由的作用 称之为全功能节点 FFD 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 7 图2 1为ZigBee星型网络结构 其特点为 1 支持点对点 点对多点通信 2 中心节点为ZigBee协调器 终端节点为ZIGBEE 终端设备 3 所有数据经过中心节点 4 适合圆形分散 距离较近的设备联网 图2 2为ZigBee网状网络结构 其特点为 1 系统采用多跳式路由通信 2 网络容量很大 3 可以跨越很大的物理空间 适合距离较远比较分散的结构 MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能 网络的所有实体只有要通信围 之内 都可以互相通信 如果没有直接通路 还可以通过 多级跳 的方式来通信 该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络 除此之外 网络还具备自组织 自愈功能 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 8 无论是哪一种网络拓扑结构 每个独立的网络都有一个唯一的标示符即网络号 PAN 标示符 利用 PAN 标示符采用 16 位的短地址码进行网络设备间的通信 并 可激活网络设备之间的通信 每个网络中都有唯一的一个协调器 它相当于有线局 域网中的服务器 具有对本网络的管理能力 网络协调器包含所有的网络消息 是 3 种设备类型中最复杂的一种 存储容量最大 计算能力最强 网络协调器可以发 送网络信标 建立一个网络 管理网络节点 存储网络节点信息 寻找一对节点间 的路由消息 不断地接收信息 网络中的全功能节点 FFD 可做路由器 协调器以及 终端节点来使用 而半功能节点 RFD 只能用做终端节点 c c Zigbee 的应用条件的应用条件 1 设备成本低 传输的数据量小 2 设备体积小 不便放置较大的充电电池或者电源模块 3 没有充足的电源支持 只能使用一次性电池 4 需要较大范围的通信覆盖 网络中的设备非常多 但仅仅用于监测或控制 2 1 22 1 2 ZigBeeZigBee 无线技术优点无线技术优点 a ZigBeea ZigBee 技术优点技术优点 1 设备省电 zigbee 技术采用了多种节电的工作模式 工作模式下 Zigbee 技术传输速率 低 传输数据量小 因此信号的收 发时间很短 在非工作模式下 Zigbee 节点处 于休眠模式 由于工作时间较短 收 发信息功率较低且采用了休眠模式 使得 Zigbee 节点非常省电 可以确保两节五号电池支持长达 6 个月到 2 年左右的使用 时间 2 通信可靠 zigbee 采用了 CSMA CA 的碰撞避免机制 同时为需要固定带宽的通信业务预 留了专用时隙 避免了发送数据时的竞争和冲突 MAC 层采用了完全确认的数据传 输机制 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息 3 网络的自组织 自愈能力强 zigbee 的自组织功能 无需人工干预 网络节点能够感知其他节点的存在 并 确定连接关系 组成结构化的网络 zigbee 自愈功能 增加或者删除一个节点 节 点位置发生变动 节点发生故障等等 网络都能够自我修复 并对网络拓扑结构进 行相应地调整 无需人工干预 保证整个系统仍然能正常工作 具备自组织 自愈 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 9 能力的无线通信网络才是自动抄表系统最理想的通信方式 4 成本低廉 设备的复杂程度低 且 Zigbee 协议是免专利费的 这些可以有效地降低设备 成本 Zigbee 的工作频段灵活 为免执照频段的 2 4GHz 就是没有使用费的无线 通信 5 网络容量大 一个 ZigBee 网络可以容纳最多 254 个从设备和一个主设备 一个区域内可以 同时存在 200 多个 ZigBee 网络 若是透过 Network Coordinator 则整个网络最 多可达到 6500 个 Zigbee 网络节点 再加上各个 Network Coordinator 可相互连接 整体 Zigbee 网络节点数目将十分可观 6 数据安全 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能 加密算法采用 AES 128 加密算法 美国新加密算法 是目前最好的文本加密算法之一 同时各个应用可以灵活确定 其安全属性 7 抗干扰性能强 ZigBee 在低信噪比的环境下 ZigBee 具有很强的抗干扰性能 ZigBee 技术在相 同的环境中 ZigBee 抗干扰性能远远好于蓝牙和 WLAN 如图 2 3 所示 ZigBee 和 WLAN 共同工作在 2 4G 的频段 利用 ZigBee 的 15 20 25 和 26 信道 可有效 避免与 802 11b 的信 1 6 11 信道的相互干扰 如图 2 4 所示 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 10 b Zigbeeb Zigbee 与其它无线数据网络技术比较与其它无线数据网络技术比较 1 表 2 1 Zigbee 与 FSK 比较 Zigbee FSK 数传电台 无限频段2 4GHz 免费频段国家非开放频段 调制方式DSSS 扩频通信FSK 频移键控方式 抗干扰性能很好不如 Zigbee 频点串扰频点间距大 无串扰不同频段间可能串扰 符合标准ZIGBEE 802 15 4 国际标准无统一标准 组网性能星型 树型 MESH 网状网星型 树型 一般无路由能力 2 表 2 2 Zigbee 与蓝牙比较 ZigbeeBluetooth 设备功耗低功耗 远小于蓝牙功耗比较高 网络节点65535 个7 个 传输距离 10 1000m1 10m 设备成本低成本 高可靠成本高 应用范围采集 控制数据传输语音 图像传输 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 11 2 22 2 RFIDRFID 技术介绍技术介绍 2 2 12 2 1 RFIDRFID 技术概述技术概述 无线射频识别技术 Radio Frequency Identification 简写作RFID 是一种非 接触的自动识别技术 它通过射频信号自动识别目标对象并获取数据信息 识别无 须人工干预 可工作于各种恶劣环境 并可同时识别多个目标对象 操作快捷方便 其基本原理是利用射频信号和空间耦合 电感或电磁耦合 传输特性 在有效的空间 范围内实现对被标识物体所携带信息的自动化提取与识别 2004 年初 美国CNN 公 布当年对人类生活产生巨大影响的十项技术中 RFID 技术位列第三 2005 年 RFID 技术被著名IT技术咨询公司Gartner 列为当年十大热门技术之一 RFID技术的出现 引起了全世界范围的广泛关注 世界各国的科研机构和大学对RFID 技术投入了极大 的热情 作为一项具有广泛应用前景的技术 RFID 技术越来越多地被应用于社会 经济 国防等众多领域 并发挥了重要作用 极大地提升了行业的管理效率和商业价 值 作为一种自动识别技术 RFID 技术是结合了无线电 计算机及芯片制造等多学 科的新技术 有人称其为一项具有革命性的技术 其带来的经济效益开始呈现在世人 面前 RFID 技术的应用领域广泛 发展迅速 在市场需求的推动下正逐步走向成熟 可以预测 RFID 技术将成为未来改变人类生活的一项重要技术 2 2 22 2 2 RFIDRFID 技术的工作原理技术的工作原理 RFID 系统一般可分为硬件组件和软件组件两个部分 硬件组件由标签 Tag 和 读写器 Reader 组成 如图2 5 所示 标签是一个微型的无线收发装置 其内保存 有数据 当读写器查询时它会发送数据给读写器 读写器是一个捕捉和处理标签数据 的装置 同时还负责与后台处理系统接口 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 12 软件组件包括RFID 系统软件 RFID 中间件 后台应用程序 RFID 系统软件是 在标签和读写器之间进行通信所必需的功能集合 RFID 中间件是在读写器和后台处 理系统之间运行的一组软件 它是标签和读写器上运行的RFID 系统软件和在后台处 理系统上运行的应用软件之间的桥梁 后台应用程序接收由标签发出 经过读写器和 RFID 中间件处理过滤后的标准化的数据 RFID 系统中标签和读写器之间的数据通信一般通过两种方式进行 1 电感耦合 使用感应磁场进行能量传递和数据交换 它所使用的原理和变压器的工作原理 相同 读写器天线产生一个电磁场 标签线圈通过该电磁场感应出电压 以提供标签 工作的能量 从读写器到标签的数据传递是通过改变传输场的一个参数 幅 度 频率或相位 来实现的 从标签返回的数据传输通过改变场的负载来实现 幅度 和P或相位 该耦合方式适合于近场耦合 用于中 低频工作的近距离无线射频识 别系统 典型的工作频段有 125 kHz 225 kHz 和3 56 MHz 识别距离小于1 m 典型作用距离为10 20 cm 2 电磁反向散射耦合 与雷达原理模型类似 发射后的电磁波碰到目标后被反射回来 同时带来目标信 息 依据的是电磁波的空间传播规律 主要用于超高频段和微波频段 射频识别系统的基本工作流程是射频识别系统的基本工作流程是 将电子标签 Tag 安装 粘贴 插放 挂配 植入等 在被识别对象上 当其进入读写器 Reader 的读取范围时 电子标签和 读写器之间将建立无线通讯链路 电子标签向读写器发送自身信息 识别码 存储 数据等 读写器接收信息并对其进行解码 然后传送至后台计算机进行处理 从 而完成整个信息处理过程 如图2 6 所示 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 13 射频识别技术具有相当大的优势 通过射频信号自动识别目标对象 无需可见 光源 具有良好的穿透性 可以透过外部材料直接读取相关数据 射频识别设备可 在恶劣条件下工作 对环境要求很低 识别距离远 从几厘米到几十米不等 识 别速度快 无需与被标识对象接触就可得到相关数据 支持写入数据 无需重新制 作电子标签 采用防冲撞技术 能够同时处理多张电子标签 适用于批量识别场合 2 2 32 2 3 RFIDRFID 技术的应用技术的应用 RFID 技术由于具有非直接接触 可读写以及可实现多标签同时识别的特性而得 到了广泛的应用 下面介绍RFID 技术在军事 供应链和物流 交通管理 动物管理 等四个方面的典型应用 a 在军事方面的应用 RFID 技术的相关研究最早起源于军事领域 二战期间 英国空军开发了敌我飞 机识别系统 IFF 通过被物体反射回来的雷达无线电波信号识别敌我信息 从而避 免误伤己方飞机 但当时的应用仅限于一种加密的ID 号而已 2003 年10 月 作为全 球最大的采购商之一 美国国防部要求其供应商采用RFID 技术供货 美军的各种物 资必须进行全球范围内的运输 包括装备 营房 食品和服装等 RFID 技术已经成 为美军解决复杂物流问题的有效技术手段 受美军的鼓舞与启发 其他国家的军方也 开始研究RFID 技术在军事上的应用 如结合RFID 技术和GPS 技术的空投物资搜索系 统等 b 在供应链和物流方面的应用 RFID技术在供应链上得到了广泛的应用 借助RFID技术 企业可以在产品供应链 上的每个环节发挥有效的管理作用 实现物料供应 生产 储存 包装及物流 货运 出境 船务运输 存货控制及零售等各个环节的管理 加快物流速度 改善生产效率 促进贸易活动 2003年 世界最大的连锁超市美国沃尔玛公司要求100 家最大的供应商最迟到 2005年1月 在商品包装上必须使用RFID 标签 余下的供应商最迟在2006年1月前采用 该技术 据Deloitte 研究中心的分析和预测 从2006 年开始 供应链成为推动RFID 技术的主要产业 而且每年都在高速增长 预计到2009 年 约70 的RFID 应用都在 供应链中 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 14 c 在交通管理方面的应用 RFID 技术在交通管理领域得到了成功的应用 包括停车场管理 不停车收费 车辆年检 车辆进出管理等 一套完整成熟的交通管理 可以降低运营成本 提高通 行效率 这对运营者和行车人来说都具有重要意义 1993 年 美国纽约市 新泽西州和宾夕法尼亚州的几家收费站联合发起研制的 不停车收费系统 E ZPass Interagency 易通卡在纽约高速公路上首次亮相 易 通卡由于具有不用停车交费 不用找零钱 不用任何收费票据 等待时间短等优点 于1997 年覆盖了纽约的全部高速公路 目前 我国已经试点开设了几条RFID 不停车 收费系统 d 在动物管理方面的应用 在动物皮下植入RFID 标签 或给动物戴上带有RFID 标签的项圈或耳标 可以用 于动物种群的管理和监测 防止疾病和疫情的发生 同时在肉制品进入市场时也可以 起到监测食品安全的作用 2003 年 美国华盛顿发现首例疯牛病后 美国农业部启动了命名为 全国动物识 别系统 的项目 该计划采用RFID 技术 对所有牲畜进行连续跟踪 其信息被记录在 一个全国性数据库 美国农业部宣称于2009 年全面铺开该系统 2005 年底 上海市 利用RFID 技术实现了对进入上海市场动物产品的有效监督和管理 2 2 42 2 4 RFIDRFID 技术应用于公交系统的可行性分析技术应用于公交系统的可行性分析 城市公交系统具有以下显著特征 每条线路配置专用车辆 车辆在指定线路运营 始发站至终点站之间的距离固定 充分利用上述特征 由分布在不同地点的读写器构 成的信息采集网络通过无线射频通讯对车载电子标签进行识别 经后台计算机对上传 的数据进行分析处理后 可以实现运营公交车辆的 点式定位 当信息采集点分布 达到一定密度时 该网络可有效覆盖区域内的所有公交线路通过对运营公交车辆在不 同时刻途径不同采集点的分析 调度中心就能够获得车辆当前位置 行驶速度及运行 轨迹等信息 通常来说 一座公交车站往往同时为多条线路共用 因此 设置于站台 或站台附近 的信息采集点能同时为若干条线路服务 大大降低了工程投资 综上 所述 将射频识别技术应用于城市公交领域具有良好的先天条件 如车辆的跟踪与监 控 信号优先制 公交车场管理 乘客信息服务等 可有效实现公交系统的数字化 智能化管理 具有较好的经济效益和社会效益 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 15 2 32 3 GPRSGPRS 应用于电子公交系统的可行性分析应用于电子公交系统的可行性分析 随着电子 计算机及信息科学技术的发展 通信系统的发展也异常迅速 从有 线到无线 从话音到数据 图像 从局域到广域等等 有非常多的通信网络和通信 方式可用于信息的传输 城市中的公交线路往往绵延几公里甚至十几公里 如果铺设专用的通信线路 投资和维护的费用大 而且需要破坏城市路面 如果公交线路改动 通信线路也需 要改动 而且对于运行中的公交车是不能采用有线通信方式的 使用已有的无线通 信服务无须专门建立通信网络 既节省投资 又方便使用 已有的无线通信技术有 常规通信 集群通信 蜂窝数字分组数字通信 CDPD 全球移动通信 GSM 通用 分组无线业务 GPRS 码分多址技术 CDMA 专用无线数据通信 广播数据通信 RDS 卫星通信 专用短程通信等 RDS Radio Data Service 在欧洲已经广泛地应用于交通信息的广播发送 清华大 学GPS 研究室于1996 年成功地开发了基于RDS 的DGPS 系统 北京的公交电子站 牌应用的便是广播发送的方式 目前在国内获得广泛应用的移动通信系统是GSM系统 而且GSM系统在智能交 通系统中已经获得了一定程度上的应用 已经有许多学者研究了使用GSM短消息向 公交调度中心发送公交车的到站信息等 基于GSM短消息的特点 在本文所研究的 系统中 它可以用于公交车司机向公交调度中心发送交通事故信息或交通堵塞信息 等 然而 GSM系统在数据通信方面的功能非常弱 难以满足系统对数据通信的需 求 GPRS General Packet Radio Service 为通用分组无线业务 是介于第二 GSM 和第三代 CDMA 之间的一种移动通信技术 可以通过目前的GSM网络进行升级实现 能兼容GSM并在网络上更加有效地传输高速数据和信令 GPRS具有高速数据传输能力及较快的网络接入速度 不仅支持频繁的 数据量 小的突发型数据业务 而且支持数据量大的业务 因此可以用作信息数据采集后向 公交调度中心的传输途径 也可以用于公交调度中心与电子站牌之间的实时数据传 输 GPRS既可以作为数据传输的通道也可以作为语音传输的通道 因此可以方便的 实现公交车驾驶员与公交调度中心的通话连接 而且GPRS根据流量计费并且实时在 线 对用户的使用非常有利 GPRS可以方便的实现公交站牌与公交调度中心的数据 连接 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 16 3 公交站牌的无线射频识别和回传显示设计公交站牌的无线射频识别和回传显示设计 3 13 1 智能公交系统的整体介绍智能公交系统的整体介绍 3 1 13 1 1 系统功能系统功能 通过考察公交乘客信息系统现状可知目前面向乘客的公交信息的发布媒体主要 有 1 在公交车上安装电子显示屏 2 通过乘务员话音 3 在公交车站设置电子站牌 4 手机查询方式 5 在互联网上公布 其中前两种方式是针对公交车上的乘客的 对于手机查询方式 我国在这方面 的咨询服务目前还不是很发达 而且使用这种方式需要手机 然而手机在我国并未 普及 制约了手机查询方式的服务范围 互联网上公布的信息需要登录互联网才能 获得 需要在有电脑和网络服务的情况下才能进行 影响了信息获得的便捷性 在 公交车站设置电子站牌发布公交信息是一种比较直接的方式 它使所有在公交车站 等车的乘客都能得知公交车的运行情况 实现 轻松自如选线路 明明白白等公车 的愿望 所以本文建立了公交车辆运行信息采集与发布系统 其主要功能是通过在 各公交停靠站设置的电子站牌 发布面向乘客的公交车辆运行信息 目前面向乘客的公交信息的发布内容主要有 公交线路信息 运行时段信息 到站信息 换乘信息 公交车的行程时间信息 乘客人数信息 公交车的定位信息 公交线路是否正常运行 其中到站信息和换乘信息在公交车上发布 在公交车站候 车的乘客可以直接看到公交车的到达 也可以从公交线路信息中获得换乘信息 其 余各种信息均为本文所研究的公交车辆运行信息采集与发布系统的发布内容 该系统具有车辆定位 自动报站 车辆监控 调度管理 信息发布等功能 采 用该系统可以实时获取运行车辆的各种状态 比如车辆当前位置 当前车辆速度 行驶时间 客流数据等情况 以此依据可以作出科学的配车排班计划 减轻传统管 理压力 提高服务质量和服务效率 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 17 3 1 23 1 2 系统硬件组成及各组成部分功能系统硬件组成及各组成部分功能 本系统包括装在公交车上的车载设备子系统 装在站台上的电子站牌子系统 装在调度中心的调度设备子系统 公交车上的车载设备子系统和装在站台上的电子 站牌子系统是由基于 ZigBee 协议所组成的无线控制网络连接 装在站台上的电子站 牌子系统和装在调度中心的调度设备子系统通过有线或无线网络 如 GPRS 连接 如图 3 1 所示 公交车上的车载设备子系统 站台上的电子站牌子系统之间采用 ZigBee 协议来 通信 该通信距离可为 300 500 米 其发射功耗低 通信可靠的特点正适合移动车 辆与站牌之间的通信 ZigBee 技术可以实现车辆与站牌之间相互双向通信 通过该 技术 公交车辆将车上的信息传给电子站牌 同时电子站牌将新控制信息传送给公 交车 电子站牌子系统和调度中心的调度设备子系统通过 GPRS 网络实现相互通信 以此方式将该线路上所有站牌的信息都发送到调度中心 调度中心根据接受到的各 站台信息做出恰当的控制 调度中心将各种信息显示在 PC 机的上位机软件上 管理 人员就可以根据最新情况进行控制管理 a a 车载设备子系统车载设备子系统 参照图 3 2 车载设备子系统具有主控制子模块 ZigBee 通信子模块 语音控 制子模块 显示控制子模块 按键控制子模块和电源管理子模块 主控制子模块主 要是对其它模块进行协调控制 ZigBee 通信子模块可以接收 ZigBee 通信数据包 并把其中有效的数据传递给主控制子模块 主控制子模块根据其数据作出相应的处 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 18 理 同时 ZigBee 通信子模块可以将主控制子模块需要发送的数据通过 ZigBee 发送 出去 该通信子模块具有 ZigBee 收发功能 语音控制子模块可以处理各种格式的语 音文件 支持 mp3 格式 各种采样率文件 还具有多种音效功能 可以在行车途中 播放音乐 还具有自动报站 语音提示功能 显示控制子模块和控件控制子模块为 车辆驾驶者提供了人机界面 显示控制子模块可以显示调度中心各种控制信息 比 如车辆行驶时间 下趟发车时间 当前车辆温度以及其它各种信息 起到提醒司机 的作用 控件控制子模块为驾驶者提供了人工手动控制功能 比如可以启动音乐播 放 喇叭广播 特定语音播放功能 电源管理子模块将公交车辆提供的车载电源转 换成车载设备子系统需要工作的电源 同时在中间起到电源保护功能 防止车辆在 运行过程中产生的电源不稳定影响到车载设备子系统的工作 车载设备子系统具有 ZigBee 通信功能 在车辆进入电子站牌 ZigBee 通信范围 内时 车辆自动跟电子站牌通信 将车辆上的各种信息传递给站台 同时读取电子 站牌信息 当车载设备子系统根据读取的电子站牌信息 来调用相应的语音信息进 行自动语音报站 同时通过跟电子站牌的通信来取得调度中心对行驶车辆的控制信 息 该子系统具有 USB 接口和 RS132 接口 可以通过 USB 与 PC 机相连接 直接将各 种语音报站信息和其它音乐文件下载到车载设备中 以供设备自动调用 系统具有 的 RS232 接口可以跟其它设备连接 提供调试和监控车载设备子系统运行功能 b b 电子站牌子系统电子站牌子系统 参照图 3 3 电子站牌子系统具有主控制子模块 ZigBee 通信子模块 GPRS 通 信子模块 显示控制子模块 电源管理子模块和预留接口控制子模块 ZigBee 通信 子模块将接收到的 ZigBee 协议数据包传递给主控制子模块 主控制子模块根据接收 电子公交站牌软件系统无线射频识别设计 19 到的有效数据作出相应的处理 同时 ZigBee 通信子模块将主控制子模块需要发送的 数据通过处理产生符合 ZigBee 要求的数据包发送到自由空间 该模块主要是与车载 设备子系统中的 ZigBee 通信子模块通信 GPRS 通信子模块负责电子站牌与调度中 心之间通过 GPRS 无线网络进行相互通信 GPRS 通信子模块把主控制子模块需要发 送的数据通过 GPRS 发送到调度中心的调度设备 同时 GPRS 通信子模块接收到调度 中心子系统发送来的控制信息 并把有效数据传递给主控制子模块 主控制子模块 按照接收到的数据做相应的处理 显示控制子模块将最近公交车辆的信息显示出来 该显示方式可以是 LED 数码管 液晶屏 来提醒候车乘客 以便候车乘客作出恰 当的判断 减少候车乘客的焦急性和显示公交车辆的准时性 电源管理子模块为将 外部的电源转换成可供电子站牌工作的电源 并能从电源上保护电子站牌正常工作 预留接口子