基于有源RFID的自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)研究

摘要：根據(jù)RFID技術(shù)的通信原理，結(jié)合當(dāng)前我國大多數(shù)城市公交報(bào)站方式的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種基于有源RFID技術(shù)的公交自動(dòng)報(bào)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(jī)控制，使用單片機(jī)對(duì)每一個(gè)車站進(jìn)行ID編碼，并利用身份識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了公交車自動(dòng)報(bào)站功能。
關(guān)鍵詞：RFID；公共交通；自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)；CC1100；VS1003

O 引言
    近年來，隨著科學(xué)技術(shù)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(bào)站的方式向無人售票和語音報(bào)站的方向發(fā)展。雖然使用手動(dòng)報(bào)站器替代人工報(bào)站有了很大的進(jìn)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(cuò)報(bào)、漏報(bào)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(dòng)報(bào)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(jìn)程。目前少數(shù)發(fā)達(dá)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(jìn)行定位報(bào)站，雖然這種系統(tǒng)功能強(qiáng)大，定位準(zhǔn)確度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，但其投資運(yùn)行成本相對(duì)較為昂貴，公交企業(yè)難以承擔(dān)其費(fèi)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(shè)計(jì)了一種利用RFID技術(shù)、MP3語音播放和單片機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)公交車站的自動(dòng)識(shí)別與自動(dòng)報(bào)站的方案。射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是近年迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，是利用感應(yīng)、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(guān)數(shù)據(jù)的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，即利用無線射頻方式來進(jìn)行非接觸式的物體自動(dòng)識(shí)別。相對(duì)于無源RFID，有源RFID具有作用距離遠(yuǎn)、發(fā)射功率可控制、發(fā)射頻率可調(diào)、接收靈敏度高等特點(diǎn)，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?yàn)轳{駛員的疏忽而造成漏報(bào)、誤報(bào)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(shí)現(xiàn)功能
    本系統(tǒng)由車載設(shè)備和站臺(tái)設(shè)備兩個(gè)部分組成，其中車載部分主要包括單片機(jī)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(yīng)單元等，站臺(tái)設(shè)備包括單片機(jī)編碼單元和RF發(fā)射單元。每一個(gè)公交站臺(tái)設(shè)置一個(gè)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(hào)，當(dāng)公交車即將到達(dá)車站時(shí)，車載系統(tǒng)接收到站臺(tái)信號(hào)并解碼出該站臺(tái)的ID號(hào)，由單片機(jī)控制自動(dòng)播放對(duì)應(yīng)本站臺(tái)編號(hào)的報(bào)站語音；報(bào)站語音為MP3格式，并用SD存儲(chǔ)卡作為存儲(chǔ)載體，方便更新和修改。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和擴(kuò)展其他功能，本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式。站臺(tái)發(fā)射端的硬件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。

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2．1 單片機(jī)控制模塊
    發(fā)射與接收端的控制模塊分別由單片機(jī)STC89C51和STC89C58構(gòu)成，STC89C51系列單片機(jī)具有片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器、EEPROM存儲(chǔ)器，且可以通過RS 232接口下載軟件，方便系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)與更新。站臺(tái)ID的編碼生成由單片機(jī)STC89C51完成，使用STC89C51的P1．0～P1．7端口作為站臺(tái)ID編碼輸入，分別連接在撥碼開關(guān)上，共有256(28)種不重復(fù)的編碼。在需要更多的編碼時(shí)，可用STC89C51的其他空閑端口進(jìn)行擴(kuò)充；使用單片機(jī)直接對(duì)車站進(jìn)行ID編碼，比使用一些專用編碼芯片更加靈活方便，擴(kuò)展性更好。車載設(shè)備的控制由單片機(jī)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(tái)ID的解碼及顯示系統(tǒng)的控制等功能。本方案中，因?yàn)镾TC89C51系列單片機(jī)不帶SPI接口，所以通過普通I／O口模擬SPI接口實(shí)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(tái)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(chǎn)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(yīng)用而設(shè)計(jì)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(diào)制模式，工作頻率可以通過軟件設(shè)定為315 MHz，433 MHz，868 MHz和915 MHz的ISM(工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué))和SRD(短距離設(shè)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(dá)500 Kb／s。CC1100具有靈敏度高、鏈接性能好的特點(diǎn)，所需的外部組件少，電路結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于各種短距離無線通信領(lǐng)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(gè)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(shí)現(xiàn)，因此和單片機(jī)的接口連接比較簡單，只需4根信號(hào)線，分別是：設(shè)備選擇線()、時(shí)鐘信號(hào)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。控制數(shù)據(jù)是通過讀寫不同的寄存器來實(shí)現(xiàn)對(duì)VS1003的控制。在本方案中，VS100 3作為一個(gè)微處理器的一個(gè)從機(jī)，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(dá)一個(gè)18位過采樣∑-△A／D轉(zhuǎn)換器。這樣利用一塊VS1003芯片與單片機(jī)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(bào)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(dá)(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(fù)責(zé)系統(tǒng)的電源能量供應(yīng)，分別為單片機(jī)、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(jī)對(duì)話的一個(gè)窗口，用以顯示和標(biāo)識(shí)車輛到站的提示信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的軟件也采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序、CC1100初始化程序、VS1003初始化程序、站臺(tái)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(tái)發(fā)射端
    系統(tǒng)上電后，單片機(jī)STC89C51首先對(duì)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(shí)別碼，后面加上結(jié)束標(biāo)識(shí)碼，然后通過CC1100調(diào)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(jī)STC89C58分別對(duì)CC1100，VS1003和顯示單元進(jìn)行初始化。當(dāng)汽車即將到達(dá)車站(距離站臺(tái)發(fā)射器約50 m)時(shí)，接收到站臺(tái)發(fā)射的RF信號(hào)，系統(tǒng)分兩次接收解碼出該站臺(tái)的ID編碼號(hào)，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(gè)值相等才判斷確定為該站臺(tái)的正確ID編碼號(hào)，并與上次存儲(chǔ)的ID號(hào)進(jìn)行比較，如若相同，判為同一站臺(tái)，返回重新檢測與識(shí)別，不再重復(fù)報(bào)站；如果不同，則存儲(chǔ)本次ID編碼值并搜索與讀取SD存儲(chǔ)卡中相對(duì)應(yīng)的MP3語音文件，然后輸送到VS1003進(jìn)行語音播放報(bào)站。其軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語
    本文針對(duì)當(dāng)前我國各城市公交車報(bào)站方式上的不足，利用無線射頻識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于RFID技術(shù)的公交車自動(dòng)識(shí)別車站、自動(dòng)報(bào)站的技術(shù)方案。這種基于RFID技術(shù)的公交車自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了公交車的自動(dòng)報(bào)站功能。在識(shí)別車站、自動(dòng)報(bào)站的過程中，完全不需要駕駛員進(jìn)行操作，減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)，增加了車輛行駛的安全性。本系統(tǒng)具有報(bào)站準(zhǔn)確率高、價(jià)格低廉、運(yùn)行成本低、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，不失為一種實(shí)用的公交車智能裝置，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。