基于有源RFID的自動報站系統(tǒng)研究

摘要：根據(jù)RFID技術的通信原理，結合當前我國大多數(shù)城市公交報站方式的實際情況，設計了一種基于有源RFID技術的公交自動報站系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用了專用射頻發(fā)射與接收芯片CC1100、語音播放芯片VS1003和單片機控制，使用單片機對每一個車站進行ID編碼，并利用身份識別技術實現(xiàn)了公交車自動報站功能。
關鍵詞：RFID；公共交通；自動報站系統(tǒng)；CC1100；VS1003

O 引言
    近年來，隨著科學技術的快速發(fā)展，城市公交車的管理方式也有了很大的改觀，逐漸由原來的人工售票、人工報站的方式向無人售票和語音報站的方向發(fā)展。雖然使用手動報站器替代人工報站有了很大的進步，但是需要駕駛員在行車中人工操作，所以經(jīng)常出現(xiàn)錯報、漏報的現(xiàn)象。而且這種駕駛員邊駕駛邊操作的行為，也給安全駕駛埋下隱患。自動報站系統(tǒng)的出現(xiàn)大大減輕駕駛員的工作量，加快了公交系統(tǒng)的現(xiàn)代化進程。目前少數(shù)發(fā)達國家(如美國、日本等)的部分城市公交系統(tǒng)已逐步使用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行定位報站，雖然這種系統(tǒng)功能強大，定位準確度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，但其投資運行成本相對較為昂貴，公交企業(yè)難以承擔其費用，尤其是一些中小城市更是無法承受，大大制約了其使用范圍。
    本文設計了一種利用RFID技術、MP3語音播放和單片機控制技術相結合，實現(xiàn)公交車站的自動識別與自動報站的方案。射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是近年迅速發(fā)展起來的一項新技術，是利用感應、電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式通信，由此獲取相關數(shù)據(jù)的一種自動識別技術，即利用無線射頻方式來進行非接觸式的物體自動識別。相對于無源RFID，有源RFID具有作用距離遠、發(fā)射功率可控制、發(fā)射頻率可調、接收靈敏度高等特點，本系統(tǒng)的有源RFID部分由CC1100模塊完成。在非特別需要的情況下，本系統(tǒng)無需駕駛員參與，避免因為駕駛員的疏忽而造成漏報、誤報的現(xiàn)象發(fā)生，有利于提高行車的安全性。

1 系統(tǒng)的組成與主要實現(xiàn)功能
    本系統(tǒng)由車載設備和站臺設備兩個部分組成，其中車載部分主要包括單片機控制單元、RF無線射頻接收單元、語音播放單元、顯示單元、鍵盤輸入單元和電源供應單元等，站臺設備包括單片機編碼單元和RF發(fā)射單元。每一個公交站臺設置一個具有唯一ID的RF發(fā)射器，采用間歇工作方式發(fā)射RFID信號，當公交車即將到達車站時，車載系統(tǒng)接收到站臺信號并解碼出該站臺的ID號，由單片機控制自動播放對應本站臺編號的報站語音；報站語音為MP3格式，并用SD存儲卡作為存儲載體，方便更新和修改。

2 系統(tǒng)硬件結構
    為簡化系統(tǒng)結構，方便系統(tǒng)的設計、調試和擴展其他功能，本系統(tǒng)采用模塊化的設計方式。站臺發(fā)射端的硬件結構框圖如圖1所示，主要包括RF發(fā)射模塊(CC1100)、車站ID編碼生成模塊(STC89C58)。車載接收端的硬件結構框圖如圖2所示，主要包括RF接收模塊(CC1100)、車站ID解碼與控制模塊(STC89C52)、語音播放模塊(VS1003)、語音功率放大模塊(TDA7297)、顯示模塊、電源模塊等。主要模塊與功能介紹如下。

2．1 單片機控制模塊
    發(fā)射與接收端的控制模塊分別由單片機STC89C51和STC89C58構成，STC89C51系列單片機具有片內FLASH程序存儲器、EEPROM存儲器，且可以通過RS 232接口下載軟件，方便系統(tǒng)軟件的存儲與更新。站臺ID的編碼生成由單片機STC89C51完成，使用STC89C51的P1．0～P1．7端口作為站臺ID編碼輸入，分別連接在撥碼開關上，共有256(28)種不重復的編碼。在需要更多的編碼時，可用STC89C51的其他空閑端口進行擴充；使用單片機直接對車站進行ID編碼，比使用一些專用編碼芯片更加靈活方便，擴展性更好。車載設備的控制由單片機STC89C58組成，分別完成CC1100接收模塊的初始化、VS1003語音模塊的初始化、站臺ID的解碼及顯示系統(tǒng)的控制等功能。本方案中，因為STC89C51系列單片機不帶SPI接口，所以通過普通I／O口模擬SPI接口實現(xiàn)與CC1100，VS1003的通信。
2．2 RF發(fā)射與接收模塊
    本系統(tǒng)的有源RFID由站臺發(fā)射端與車載接收端兩部分組成，射頻發(fā)射與接收分別由兩塊CC1100模塊完成。CC1100是美國德州儀器(Texas Instruments，簡稱TI)公司生產的一種高性能無線射頻通信芯片，它是一種專為無線射頻通信應用而設計的低功耗、低成本的單芯片UHF收發(fā)芯片。支持ASK，OOK，2-FSK，GF-SK和MSK等調制模式，工作頻率可以通過軟件設定為315 MHz，433 MHz，868 MHz和915 MHz的ISM(工業(yè)，科學和醫(yī)學)和SRD(短距離設備)等頻率波段，其數(shù)據(jù)傳輸率可軟件編程控制，最高可達500 Kb／s。CC1100具有靈敏度高、鏈接性能好的特點，所需的外部組件少，電路結構簡單，工作穩(wěn)定，可廣泛應用于各種短距離無線通信領域。
2．3 語音播放模塊VS1003
    VS1003是由荷蘭VLSI公司出品的一款單芯片的MP3／WMA／MIDI音頻解碼和ADPCM編碼芯片，其擁有一個高性能低功耗的DSP處理器核心VS _DSP，5 KB的指令RAM，0．5 KB的數(shù)據(jù)RAM。VS1003的所有數(shù)據(jù)和控制命令均通過SPI總線接口實現(xiàn)，因此和單片機的接口連接比較簡單，只需4根信號線，分別是：設備選擇線()、時鐘信號線(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸出線(MISO)、串行數(shù)據(jù)輸入線(MOSI)。音頻數(shù)據(jù)通過串行數(shù)據(jù)接口(SDI)傳送，控制數(shù)據(jù)則通過串行控制接口(SCI)來傳送?？刂茢?shù)據(jù)是通過讀寫不同的寄存器來實現(xiàn)對VS1003的控制。在本方案中，VS100 3作為一個微處理器的一個從機，通過串行SPI接口接收輸入的比特流，輸入的比特流被解碼后，再經(jīng)過數(shù)字音量控制器到達一個18位過采樣∑-△A／D轉換器。這樣利用一塊VS1003芯片與單片機STC89C58相配合，由STC89C58讀取SD卡中的MP3音頻文件，再通過SPI接口送至VS1003芯片播放。
2．4 音頻功率放大模塊
    報站語音放大由音頻功率放大集成塊TDA7297完成，其工作電壓范圍為6～18 V，雙通道輸出功率可達(15+15)W，即使在嘈雜的環(huán)境中也能有足夠大的輸出功率。
    此外還有電源模塊和顯示模塊，電源模塊負責系統(tǒng)的電源能量供應，分別為單片機、CC1100、VS1003等模塊提供3．3 V的工作電壓，為功放模塊提供12 V的工作電壓；顯示模塊作為人機對話的一個窗口，用以顯示和標識車輛到站的提示信息。

3 系統(tǒng)軟件設計
    本自動報站系統(tǒng)的軟件也采用模塊化設計，主要包括主程序、CC1100初始化程序、VS1003初始化程序、站臺ID編碼程序、MP3語音讀取與播放程序、顯示處理程序等。
3．1 站臺發(fā)射端
    系統(tǒng)上電后，單片機STC89C51首先對CC1100初始化，接著掃描P1端口的ID編碼狀態(tài)值，并在該值的前面加上前置識別碼，后面加上結束標識碼，然后通過CC1100調制并發(fā)射。其軟件流程圖如圖3所示。

3．2 車載接收端
    系統(tǒng)上電后，單片機STC89C58分別對CC1100，VS1003和顯示單元進行初始化。當汽車即將到達車站(距離站臺發(fā)射器約50 m)時，接收到站臺發(fā)射的RF信號，系統(tǒng)分兩次接收解碼出該站臺的ID編碼號，通過比較兩次的ID編碼值，可有效排除外來干擾，提高系統(tǒng)抗干擾性能。只有兩個值相等才判斷確定為該站臺的正確ID編碼號，并與上次存儲的ID號進行比較，如若相同，判為同一站臺，返回重新檢測與識別，不再重復報站；如果不同，則存儲本次ID編碼值并搜索與讀取SD存儲卡中相對應的MP3語音文件，然后輸送到VS1003進行語音播放報站。其軟件流程圖如圖4所示。

4 結語
    本文針對當前我國各城市公交車報站方式上的不足，利用無線射頻識別技術，設計了一種基于RFID技術的公交車自動識別車站、自動報站的技術方案。這種基于RFID技術的公交車自動報站系統(tǒng)，實現(xiàn)了公交車的自動報站功能。在識別車站、自動報站的過程中，完全不需要駕駛員進行操作，減輕了駕駛員的負擔，增加了車輛行駛的安全性。本系統(tǒng)具有報站準確率高、價格低廉、運行成本低、維護方便的優(yōu)點，不失為一種實用的公交車智能裝置，具有一定的推廣應用價值。