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基于RFID的公交車信息管理系統(tǒng)的設(shè)計
作者：杭佳聞 劉錦高
來源：RFID世界網(wǎng)
日期：2007-09-20 16:05:27
摘要：公交車作為目前國內(nèi)客運量最大的公共交通工具，它的管理及服務上一直存在一些漏洞．鑒于此．一種基于RFID技術(shù)的公交信息管理系統(tǒng)設(shè)計方法被提出。該系統(tǒng)采用TI公司射頻收發(fā)器芯片RI-R6C=001A，并結(jié)合微處理器設(shè)計tSO／IEC15693瀆卡器．TJ公司的Tag—it HF-I作為電子標簽。通過軟件部分和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計對公交車信息進行管理。該系統(tǒng)成本低．效率高。
1 設(shè)計原理
本系統(tǒng)主要基于RFID技術(shù)，后期擴展結(jié)合數(shù)據(jù)庫以及傳感器網(wǎng)絡(luò)。
RFID(Radio Frequency Identification)即無線射頻識別技術(shù)【1】，它的基本工作原理：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動發(fā)送某一頻率的信號；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。RFID系統(tǒng)一般由兩個部分組成，電子標簽(TAG)和閱讀器(Reader)。典型的閱讀器包括高頻模塊(發(fā)射機和接收機)、控制單元、天線以及附加的接口(RS232等)。屯子標簽由IC芯片和LC諧振回路組成。
傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能是對某種環(huán)境中事物的數(shù)據(jù)采集。傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究包括傳感器、通信和計算(包括硬件、軟件和算法等)等3個方面。傳感器網(wǎng)絡(luò)一方面可以將互聯(lián)網(wǎng)的信息共享功能擴充，使其成為包括信息采集、信息處理和信息利用的集成網(wǎng)絡(luò)。另一方面，它可以將傳感器節(jié)點發(fā)展成為具有互聯(lián)結(jié)構(gòu)的新型信息處理功能的網(wǎng)絡(luò)。
2 基于RFID的公交車信息管理系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)組成(見圖1)
系統(tǒng)總體上由兩部分組成：射頻收發(fā)傳感系統(tǒng)以及中心控制系統(tǒng)。
射頻收發(fā)系統(tǒng)完成對公交車信息的采集，中心控制系統(tǒng)則完成信息管理和顯示控制。
射頻收發(fā)系統(tǒng)包括電子標簽、讀卡器以及MCU和串口擴展電路。其中電子標簽載于公交車上，含有每輛車各自唯一的ID號，而讀卡器位于站臺區(qū)域，用于識別車輛身份。MCU負責控制整個系統(tǒng)的運作，控制射頻電路的發(fā)射和接受，串口擴展電路將多個終端的Reader和中心計算機連接起來。
分布在各個站臺的讀卡器作為傳感系統(tǒng)的傳感節(jié)點【2】，數(shù)據(jù)采集中間件完成數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)的接入，中心控制器就完成數(shù)據(jù)的管理。中心控制器包括中央計算機，后臺數(shù)據(jù)庫和顯示控制電路以及顯示屏。MCU將車輛信息傳輸給中央計算機，中央計算機結(jié)合公交系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分析并通過MCU管理站臺顯示等外圍電路。
2。2 系統(tǒng)硬件
電子標簽安裝于公交車上，卡上存有每一輛公交車唯一的ID號以及相關(guān)信息。只要公交車在站臺讀卡器的有效讀卡范圍內(nèi)，卡上的信息就會被讀取進而傳輸?shù)街醒胗嬎銠C進行處理并按處理結(jié)果執(zhí)行特定站臺的顯示操作。系統(tǒng)采用德州儀器生產(chǎn)的Tag-it HF-I。Tag-it HF-1分為64個存儲塊，每塊32bit；內(nèi)含64bit的唯一的ID號，2kbit的用戶存儲區(qū)；與ISO15693—2，一3通訊協(xié)議兼容，工作于13．56MHz?？▋?nèi)含防沖撞機制，可以同時完成多張卡片的讀取而不會造成沖突。
2．2．2 讀卡器
讀卡器主要由射頻發(fā)射／接收電路和MCU組成， 用于識別車輛身份射頻發(fā)射／接收電路是以$6700多協(xié)議收發(fā)芯片RI-R6C一001A【3】為核心的臺灣聯(lián)公司的RF 201模塊【4】(具體電路圖如圖2)，遵循ISO／IEC 15693協(xié)議，+5V供電，實現(xiàn)對信號的調(diào)制和解調(diào)，用曼徹斯特編碼方式，接5On環(huán)形天線。
RI．R6C-00IA芯片是德州儀器生產(chǎn)的RF收發(fā)器，： 片內(nèi)含接收、發(fā)射和控制接口三部分。它是一種廉價的非接觸式芯片，無源最大讀寫距離在1．2米以上。能實現(xiàn)多目標、運動中識別。其典型發(fā)送功率為200mW，還可以再加一級功放電路，提高發(fā)射功率以提高讀寫距離。
電路工作原理： R6C的通信接口有三根線： SCLOCK、DIN、DOUT，分別代表時鐘線、數(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)輸出線。時鐘線是雙向的，發(fā)送數(shù)據(jù)時由MCU控制，接收數(shù)據(jù)時由R6C控制，在時鐘上升沿R6C鎖存數(shù)據(jù)。R6C的XTAL1和XTAL2引腳接13．56MHz的晶振，調(diào)制基帶信號。從DIN 腳輸入基帶信號經(jīng)R6C調(diào)制到13．56MHz的載波信號上，再由Tx_OUT腳發(fā)射出去：調(diào)節(jié)Ll、L2、C1O組成的串連諧振電路，使其輸出阻抗為5OQ 外接匹配阻抗為50n的環(huán)形天線：當天線收到電子標簽的射頻信號耦合到讀卡器， 由R6C解調(diào)為基帶信號再從DOUT腳輸出到MCU，進行后續(xù)處理。
在模塊RF一201中，R6C通過ATTINYI2L間接與MCU實現(xiàn)通信。ATTINYI2L的兩個I／O口和MCU相連，分別為DATA和CLOCK。MCU 采用AtmeI公司的Atmega16L嵌入式微控制器，Atmegal6L根據(jù)RF一201的通信協(xié)議，通過控制ATTINY12L間接與R6C通信。4013B包含兩個D觸發(fā)器，它將13．56MHz分頻，供給ATTINY12L的工作頻率。
3 軟件流程
3．1 通信過程
3．1．1 時序圖
RF一201與MCU之間通信的時序圖如圖3示。
3．1．2 數(shù)據(jù)格式(見表1)
低位先送。Length為數(shù)據(jù)長度。
Command1和Command2都由Bit0-Bit7八位組成，
Commandl用于讀寫狀態(tài)的設(shè)定，Command2用于卡片形態(tài)的設(shè)定。具體來說，Commandl的Bit3用于設(shè)置UID；Bit5和Bit4兩位不同的組合對應不同的四種狀態(tài)： “00”對應“Read System Information” ， “Ol” 代表“Read Block” ， “l(fā)O” 代表“Write Block” ， “l(fā)l”代表“Lock Block”。
Command2的Bit6 Bit5 Bit4三位組合為010時卡片型態(tài)為ISO15693。
UID碼為8個字節(jié)，它是唯一碼，不一定使用。因為它是唯一碼，當有多張卡片在一起時，可以針對所指定的UID卡片動作，而不影響其他卡片。
Block塊的大小為一個字節(jié)取值范圍為O～63，用于指定向哪個Block塊進行，在Block里可以寫入卡的唯一ID號。
BCC是各字節(jié)資料的總和，即BCC=Length+Command l+Command2+(UIDl+UID2+… +UID8)+(Block)+(datal+data2+data3+data4)
軟件流程如圖4所示。當站臺設(shè)置的讀卡器檢測到標簽卡存在，即有公交車進站時，完成信息收發(fā)檢測，配合數(shù)據(jù)庫對進站車輛信息進行檢索處理，如屬于哪條公交線路，公交線路，發(fā)車時間等等。然后把車輛經(jīng)過當前站臺的時間和站名發(fā)送至線路下幾個車站，并由站臺顯示屏予以顯示。如果是班次較多的公交線路，可以考慮同時并行顯示兩班車的信息。
由于系統(tǒng)涉及的信息量并不是很大，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性價比，公交信息的后臺管理選用Linux+MySQL+PHP【5】的組合。數(shù)據(jù)庫需要對線路信息表，車輛信息表，車輛即時信息記錄表以及車輛管理日志和管理人員表進行設(shè)計，此外還包括一些管理界面的設(shè)計，串口通信程序【8】以及中心計算機與各站點的通信程序設(shè)計等等。
4 系統(tǒng)分析評價
本系統(tǒng)尚處于實驗階段，實驗中以若干標簽卡進行測試可以達到識別等操作效果，但在實際應用中尚存在識別距離不夠長，移動中識別效率不夠高等等不足。識別距離可以考慮在發(fā)射端加射頻放大電路來實現(xiàn)增加，軟件執(zhí)行效率也有改善空間。另外，系統(tǒng)與無線傳感技術(shù)還有待進一步結(jié)合，以期實現(xiàn)中心控制系統(tǒng)與站臺間的無線通信管理?；赗FID的公交管理系統(tǒng)開發(fā)成本低，該技術(shù)還可以運用到一般的停車場車輛管理，物流運輸管理等等，應用前景較為廣泛。
參考文獻
【1】周曉華．王曉華．射頻識別技術(shù)原理與應用實例一RFID．M．人民郵電出版社， 2006．
【2】金發(fā)慶．傳感器技術(shù)與應用．機械工業(yè)出版社．2004．
【3】TI．Tag—it HF-I Transponder Inlays Reference Guide．http://www ti.rfid.com．
【4】聯(lián)電子股份有限公司．RF一201 Module手冊．http://www.sunion.com.cn．
【5】劉志勇．Linux+PHP+MySQL案例教程．中科多媒體電子出版社．2001．
作者簡介：杭佳聞(1982 )．女．華東師范大學信息學院碩士研究生．主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)：劉錦高， 男．教授。華東師范大學信息學院副院長，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。
本系統(tǒng)主要基于RFID技術(shù)，后期擴展結(jié)合數(shù)據(jù)庫以及傳感器網(wǎng)絡(luò)。
RFID(Radio Frequency Identification)即無線射頻識別技術(shù)【1】，它的基本工作原理：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動發(fā)送某一頻率的信號；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。RFID系統(tǒng)一般由兩個部分組成，電子標簽(TAG)和閱讀器(Reader)。典型的閱讀器包括高頻模塊(發(fā)射機和接收機)、控制單元、天線以及附加的接口(RS232等)。屯子標簽由IC芯片和LC諧振回路組成。
傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能是對某種環(huán)境中事物的數(shù)據(jù)采集。傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究包括傳感器、通信和計算(包括硬件、軟件和算法等)等3個方面。傳感器網(wǎng)絡(luò)一方面可以將互聯(lián)網(wǎng)的信息共享功能擴充，使其成為包括信息采集、信息處理和信息利用的集成網(wǎng)絡(luò)。另一方面，它可以將傳感器節(jié)點發(fā)展成為具有互聯(lián)結(jié)構(gòu)的新型信息處理功能的網(wǎng)絡(luò)。
2 基于RFID的公交車信息管理系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)組成(見圖1)
系統(tǒng)總體上由兩部分組成：射頻收發(fā)傳感系統(tǒng)以及中心控制系統(tǒng)。
射頻收發(fā)系統(tǒng)完成對公交車信息的采集，中心控制系統(tǒng)則完成信息管理和顯示控制。
射頻收發(fā)系統(tǒng)包括電子標簽、讀卡器以及MCU和串口擴展電路。其中電子標簽載于公交車上，含有每輛車各自唯一的ID號，而讀卡器位于站臺區(qū)域，用于識別車輛身份。MCU負責控制整個系統(tǒng)的運作，控制射頻電路的發(fā)射和接受，串口擴展電路將多個終端的Reader和中心計算機連接起來。
分布在各個站臺的讀卡器作為傳感系統(tǒng)的傳感節(jié)點【2】，數(shù)據(jù)采集中間件完成數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)的接入，中心控制器就完成數(shù)據(jù)的管理。中心控制器包括中央計算機，后臺數(shù)據(jù)庫和顯示控制電路以及顯示屏。MCU將車輛信息傳輸給中央計算機，中央計算機結(jié)合公交系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分析并通過MCU管理站臺顯示等外圍電路。
2。2 系統(tǒng)硬件
電子標簽安裝于公交車上，卡上存有每一輛公交車唯一的ID號以及相關(guān)信息。只要公交車在站臺讀卡器的有效讀卡范圍內(nèi)，卡上的信息就會被讀取進而傳輸?shù)街醒胗嬎銠C進行處理并按處理結(jié)果執(zhí)行特定站臺的顯示操作。系統(tǒng)采用德州儀器生產(chǎn)的Tag-it HF-I。Tag-it HF-1分為64個存儲塊，每塊32bit；內(nèi)含64bit的唯一的ID號，2kbit的用戶存儲區(qū)；與ISO15693—2，一3通訊協(xié)議兼容，工作于13．56MHz?？▋?nèi)含防沖撞機制，可以同時完成多張卡片的讀取而不會造成沖突。
2．2．2 讀卡器
讀卡器主要由射頻發(fā)射／接收電路和MCU組成， 用于識別車輛身份射頻發(fā)射／接收電路是以$6700多協(xié)議收發(fā)芯片RI-R6C一001A【3】為核心的臺灣聯(lián)公司的RF 201模塊【4】(具體電路圖如圖2)，遵循ISO／IEC 15693協(xié)議，+5V供電，實現(xiàn)對信號的調(diào)制和解調(diào)，用曼徹斯特編碼方式，接5On環(huán)形天線。
RI．R6C-00IA芯片是德州儀器生產(chǎn)的RF收發(fā)器，： 片內(nèi)含接收、發(fā)射和控制接口三部分。它是一種廉價的非接觸式芯片，無源最大讀寫距離在1．2米以上。能實現(xiàn)多目標、運動中識別。其典型發(fā)送功率為200mW，還可以再加一級功放電路，提高發(fā)射功率以提高讀寫距離。
電路工作原理： R6C的通信接口有三根線： SCLOCK、DIN、DOUT，分別代表時鐘線、數(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)輸出線。時鐘線是雙向的，發(fā)送數(shù)據(jù)時由MCU控制，接收數(shù)據(jù)時由R6C控制，在時鐘上升沿R6C鎖存數(shù)據(jù)。R6C的XTAL1和XTAL2引腳接13．56MHz的晶振，調(diào)制基帶信號。從DIN 腳輸入基帶信號經(jīng)R6C調(diào)制到13．56MHz的載波信號上，再由Tx_OUT腳發(fā)射出去：調(diào)節(jié)Ll、L2、C1O組成的串連諧振電路，使其輸出阻抗為5OQ 外接匹配阻抗為50n的環(huán)形天線：當天線收到電子標簽的射頻信號耦合到讀卡器， 由R6C解調(diào)為基帶信號再從DOUT腳輸出到MCU，進行后續(xù)處理。
在模塊RF一201中，R6C通過ATTINYI2L間接與MCU實現(xiàn)通信。ATTINYI2L的兩個I／O口和MCU相連，分別為DATA和CLOCK。MCU 采用AtmeI公司的Atmega16L嵌入式微控制器，Atmegal6L根據(jù)RF一201的通信協(xié)議，通過控制ATTINY12L間接與R6C通信。4013B包含兩個D觸發(fā)器，它將13．56MHz分頻，供給ATTINY12L的工作頻率。
3 軟件流程
3．1 通信過程
3．1．1 時序圖
RF一201與MCU之間通信的時序圖如圖3示。
3．1．2 數(shù)據(jù)格式(見表1)
低位先送。Length為數(shù)據(jù)長度。
Command1和Command2都由Bit0-Bit7八位組成，
Commandl用于讀寫狀態(tài)的設(shè)定，Command2用于卡片形態(tài)的設(shè)定。具體來說，Commandl的Bit3用于設(shè)置UID；Bit5和Bit4兩位不同的組合對應不同的四種狀態(tài)： “00”對應“Read System Information” ， “Ol” 代表“Read Block” ， “l(fā)O” 代表“Write Block” ， “l(fā)l”代表“Lock Block”。
Command2的Bit6 Bit5 Bit4三位組合為010時卡片型態(tài)為ISO15693。
UID碼為8個字節(jié)，它是唯一碼，不一定使用。因為它是唯一碼，當有多張卡片在一起時，可以針對所指定的UID卡片動作，而不影響其他卡片。
Block塊的大小為一個字節(jié)取值范圍為O～63，用于指定向哪個Block塊進行，在Block里可以寫入卡的唯一ID號。
BCC是各字節(jié)資料的總和，即BCC=Length+Command l+Command2+(UIDl+UID2+… +UID8)+(Block)+(datal+data2+data3+data4)
軟件流程如圖4所示。當站臺設(shè)置的讀卡器檢測到標簽卡存在，即有公交車進站時，完成信息收發(fā)檢測，配合數(shù)據(jù)庫對進站車輛信息進行檢索處理，如屬于哪條公交線路，公交線路，發(fā)車時間等等。然后把車輛經(jīng)過當前站臺的時間和站名發(fā)送至線路下幾個車站，并由站臺顯示屏予以顯示。如果是班次較多的公交線路，可以考慮同時并行顯示兩班車的信息。
由于系統(tǒng)涉及的信息量并不是很大，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性價比，公交信息的后臺管理選用Linux+MySQL+PHP【5】的組合。數(shù)據(jù)庫需要對線路信息表，車輛信息表，車輛即時信息記錄表以及車輛管理日志和管理人員表進行設(shè)計，此外還包括一些管理界面的設(shè)計，串口通信程序【8】以及中心計算機與各站點的通信程序設(shè)計等等。
4 系統(tǒng)分析評價
本系統(tǒng)尚處于實驗階段，實驗中以若干標簽卡進行測試可以達到識別等操作效果，但在實際應用中尚存在識別距離不夠長，移動中識別效率不夠高等等不足。識別距離可以考慮在發(fā)射端加射頻放大電路來實現(xiàn)增加，軟件執(zhí)行效率也有改善空間。另外，系統(tǒng)與無線傳感技術(shù)還有待進一步結(jié)合，以期實現(xiàn)中心控制系統(tǒng)與站臺間的無線通信管理?；赗FID的公交管理系統(tǒng)開發(fā)成本低，該技術(shù)還可以運用到一般的停車場車輛管理，物流運輸管理等等，應用前景較為廣泛。
參考文獻
【1】周曉華．王曉華．射頻識別技術(shù)原理與應用實例一RFID．M．人民郵電出版社， 2006．
【2】金發(fā)慶．傳感器技術(shù)與應用．機械工業(yè)出版社．2004．
【3】TI．Tag—it HF-I Transponder Inlays Reference Guide．http://www ti.rfid.com．
【4】聯(lián)電子股份有限公司．RF一201 Module手冊．http://www.sunion.com.cn．
【5】劉志勇．Linux+PHP+MySQL案例教程．中科多媒體電子出版社．2001．
作者簡介：杭佳聞(1982 )．女．華東師范大學信息學院碩士研究生．主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)：劉錦高， 男．教授。華東師范大學信息學院副院長，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。
