基于電力載波和RFID的電子站牌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　電子站牌即指電子站牌系統(tǒng)，包括車(chē)輛位置信息獲取、信息通信及顯示三個(gè)主要部分。目前一些大中城市正在進(jìn)行試點(diǎn)的公交電子站牌[1-3]，均通過(guò)GPS獲 取車(chē)輛位置信息，通過(guò)GSM短消息方式進(jìn)行通信，通過(guò)LCD或LED進(jìn)行顯示。工作時(shí)車(chē)載GPS接收機(jī)通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)獲得車(chē)輛位置坐標(biāo)信息，并將其通過(guò) 短消息方式發(fā)送到移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的GSM短消息收發(fā)中心，短消息收發(fā)中心通過(guò)專線將其傳輸?shù)杰?chē)輛調(diào)度中心進(jìn)行處理，得到車(chē)輛的距站信息(距下游站的距離及所需 時(shí)間等)，距站信息再由調(diào)度中心回傳到GSM短消息收發(fā)中心，最后由GSM短消息收發(fā)中心發(fā)往下游站的電子站牌，通過(guò)液晶顯示器進(jìn)行顯示?，F(xiàn)有的這種電子 站牌主要有以下兩個(gè)弊端：(1)前期建設(shè)成本高。車(chē)載GPS接收機(jī)雖然價(jià)格不算高，但如果在全市的公交車(chē)上全面推廣應(yīng)用，將需要投入巨額資金;(2)后期 運(yùn)營(yíng)成本高。高運(yùn)營(yíng)成本主要是由GSM短消息通信造成的，為提高定位精度，車(chē)輛每隔幾秒至數(shù)十秒鐘就需要進(jìn)行一次定位(接收一次衛(wèi)星信號(hào))，并發(fā)送一條短 消息到GSM收發(fā)中心，GSM收發(fā)中心必須將每輛車(chē)的距站信息發(fā)送到電子站牌，即每輛車(chē)每進(jìn)行一次定位就需要發(fā)送兩條短消息(一條由車(chē)輛發(fā)到GSM中心， 另一條由GSM中心發(fā)到下游站電子站牌)，故短消息的數(shù)量非常巨大。雖然每條短消息的單價(jià)不高，但如此巨量的短消息造成的通信費(fèi)用是公交公司所不能承受 的，若轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者身上，消費(fèi)者也不會(huì)接受。故這種電子站牌目前只在某些線路上作試點(diǎn)，而難以推廣應(yīng)用。本文提出了一種新的電子站牌解決方案，該方案通過(guò) 使用車(chē)載電子標(biāo)簽(RFID)取代車(chē)載GPS接收機(jī)降低了前期建設(shè)成本，通過(guò)使用電力線傳輸車(chē)輛位置信息取代GSM短消息，降低了通信費(fèi)用。

　　1 系統(tǒng)組成

　　本文所述電子站牌系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由位于車(chē)站的站裝置、安裝或貼于車(chē)上的電子標(biāo)簽、電力線及調(diào)度中心組成。

　　站裝置是電子站牌系統(tǒng)的核心部分，如圖2所示，主要由標(biāo)簽閱讀器、電力載波發(fā)射機(jī)、電力載波接收機(jī)、主控制器(MCU)及LED車(chē)位指示屏等部分組成。電子標(biāo)簽裝/貼于公交車(chē)上，車(chē)輛編碼信息(某某路某某號(hào)車(chē)的編碼表示)預(yù)先存儲(chǔ)于電子標(biāo)簽中。

　　標(biāo)簽閱讀器用于讀取到站車(chē)輛電子標(biāo)簽所攜帶的車(chē)輛編碼信息。電力載波發(fā)射機(jī)將需要傳往下一站的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制后耦合進(jìn)電力線傳輸，電力載波接收機(jī)將收到的調(diào)制信號(hào)(來(lái)自上游站)解調(diào)，恢復(fù)為數(shù)字信號(hào)。

　　主控制器(MCU)主要完成車(chē)輛編碼信息處理、存儲(chǔ)、傳輸與控制。主控制器從標(biāo)簽閱讀器獲得到站車(chē)輛的編碼信息，進(jìn)行處理后得到其編號(hào)(即某某路某某號(hào) 車(chē))，一方面通過(guò)本站的LED車(chē)位指示屏進(jìn)行顯示，同時(shí)加上本站的站編碼后交由發(fā)射機(jī)發(fā)往下一站。主控制器同時(shí)亦從電力載波接收機(jī)獲得上游站發(fā)來(lái)的站編碼 與車(chē)編碼信息，從而知道某某路某某號(hào)車(chē)到了某某站，除在本站的顯示器上進(jìn)行顯示外，交由電力載波發(fā)射機(jī)傳往下一站。

　　LED車(chē)位指示屏如圖3所示，包括LED燈組和屏基板。屏基板上印有站名、刻度線、公里數(shù)與時(shí)間分鐘數(shù)等。站名與某一刻度線對(duì)齊，在刻度線的上方標(biāo)出該站 距始發(fā)站的公里數(shù)與公交車(chē)的行車(chē)時(shí)間。公交線路的長(zhǎng)度、站位置、車(chē)輛運(yùn)行所需時(shí)間均固定(正常情況)，故可將沿線各站距離始發(fā)站的公里數(shù)及所需行車(chē)時(shí)間標(biāo) 示在刻度線上。在每一條刻度線上安裝一個(gè)LED，兩條刻度線間設(shè)置數(shù)個(gè)LED。當(dāng)公交車(chē)到達(dá)某站時(shí)，點(diǎn)亮與該站對(duì)應(yīng)的刻度線上的LED，離站時(shí)則關(guān)閉對(duì)應(yīng) 刻度線上的LED，同時(shí)根據(jù)歷史行車(chē)時(shí)間相繼點(diǎn)亮本站刻度線與下一個(gè)最近站對(duì)應(yīng)刻度線之間的LED。

　　通過(guò)LED車(chē)位指示屏，乘客可隨時(shí)了解公交車(chē)在沿線的位置分布、離本站的距離以及到達(dá)本站的時(shí)間。如果在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)不能到達(dá)，一定是發(fā)生了阻車(chē)，而且還 可以知道阻車(chē)的位置。調(diào)度中心從收到的車(chē)編碼及站編碼信息，可知道某路某號(hào)車(chē)當(dāng)前位于某站或哪兩個(gè)站間什么位置，下一時(shí)刻應(yīng)該到達(dá)何處，如果在預(yù)期的時(shí)間 內(nèi)不能到達(dá)，便知道發(fā)生了阻車(chē)，視情況進(jìn)行調(diào)度安排。這些信息可以通過(guò)LED車(chē)位指示屏或PC機(jī)進(jìn)行直觀顯示。

　　為避免過(guò)站車(chē)輛間電子標(biāo)簽所發(fā)信息的沖突，使用具有防沖突算法的電子標(biāo)簽[4]。用6~8 bit(視實(shí)際需要定)分別對(duì)公交車(chē)的路數(shù)與號(hào)數(shù)(即某路某號(hào)車(chē))進(jìn)行編碼，得到各種車(chē)的編碼信息，將編碼信息存儲(chǔ)于電子標(biāo)簽中，電子標(biāo)簽裝或貼于相應(yīng)的公交車(chē)上。

　　2 算法設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，當(dāng)裝或貼有電子標(biāo)簽的車(chē)輛到達(dá)站i時(shí)，將收到站裝置中的標(biāo)簽閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，從而激活車(chē)載電子標(biāo)簽，激活后的電子標(biāo)簽便將預(yù)先存儲(chǔ)于其 中的本車(chē)編碼信息發(fā)給閱讀器，閱讀器將其送往主控制器(MCU)，主控制器在其中添加上本站的站編碼后得到車(chē)輛的到站信息，然后交由發(fā)射機(jī)進(jìn)行載波調(diào)制后 發(fā)往下一站(即站i+1)。同時(shí)主控制器根據(jù)車(chē)編碼信息中的路數(shù)(即某路)選擇對(duì)應(yīng)的LED車(chē)位指示屏，關(guān)閉本站(即站i)刻度線前的最后一個(gè)LED，打 開(kāi)本站刻度線上的LED。當(dāng)該車(chē)離開(kāi)本站(站i的標(biāo)簽閱讀器不再讀該車(chē)電子標(biāo)簽的信號(hào))時(shí)，主控制器便將該車(chē)的離站信息交由發(fā)射機(jī)進(jìn)行載波調(diào)制后發(fā)往下一 站(即站i+1)，并關(guān)閉本站刻度線上的LED。

　　當(dāng)上游站i發(fā)出的車(chē)輛到站(到達(dá)站i)信息傳輸?shù)较掠握緄+1時(shí)，站i+1的站裝置中的電力載波接收機(jī)對(duì)其解調(diào)，得到上游到站車(chē)輛的車(chē)編碼與站編碼信息， 送到主控制器處理。主控制器一方面將其交由電力載波發(fā)射機(jī)繼續(xù)傳往下一站，同時(shí)根據(jù)車(chē)編碼信息中的路數(shù)(即某某路)選擇相應(yīng)的LED車(chē)位指示屏，根據(jù)站編 碼信息選擇相應(yīng)的刻度線，關(guān)閉該刻度線前的最后一個(gè)LED，打開(kāi)該刻度線上的LED(本例中將打開(kāi)站i刻度線上的LED)。

　　隨后，當(dāng)上游站i發(fā)出車(chē)輛離站(離開(kāi)站i)信息傳輸?shù)竭_(dá)下游站i+1時(shí)，站i+1的站裝置中的電力載波接收機(jī)對(duì)其解調(diào)，得到上游離站車(chē)輛的車(chē)編碼與站編碼 信息，送到主控制器處理。主控制器一方面將其交由電力載波發(fā)射機(jī)繼續(xù)傳往下一站，同時(shí)根據(jù)車(chē)編碼信息中的路數(shù)(即某路)選擇相應(yīng)的LED車(chē)位指示屏，根據(jù) 站編碼信息選擇相應(yīng)的刻度線，關(guān)閉該刻度線上的LED，并相繼打開(kāi)/關(guān)閉指示屏上站i與站i+1刻度線間的所有LED。若站i與站i+1兩刻度線間的 LED數(shù)量為n，公交車(chē)在此間的正常行車(chē)時(shí)間為T(mén)秒，則應(yīng)在該車(chē)離開(kāi)站iT/(n+1)秒后再關(guān)閉站i刻度線上的LED，同時(shí)打開(kāi)站i與站i+1間的第一 個(gè)LED。2T/(n+1)秒后，關(guān)站i與站i+1間的第一個(gè)LED，同時(shí)打開(kāi)其間的第二個(gè)LED，如此這般，直至打開(kāi)站i與站i+1間的最后一個(gè) LED。但在關(guān)閉這最后一個(gè)LED，打開(kāi)站i+1刻度線上的LED時(shí)，站i+1與其后的站(如站i+2等)采取的行為不同。對(duì)站i+1，其需執(zhí)行的操作與 車(chē)到達(dá)站i時(shí)站i所做的相同。站i+1以后的站(如站i+2)必須等到站i+1傳輸來(lái)的車(chē)輛到站(到達(dá)站i+1)信息后才關(guān)閉站i與i+1間的最后一個(gè) LED，打開(kāi)站i+1刻度線上的LED。

　　車(chē)輛的到站信息與離站信息就這樣相繼傳往下游各站，直至調(diào)度中心。下游各站(如站i+2，...，站n)需完成的操作與站i和站i+1相同。調(diào)度中心是信 息終端，除不需轉(zhuǎn)發(fā)信息外，其需完成的操作與其他站裝置相似。另外調(diào)度中心除可用站裝置中的LED車(chē)位指示屏顯示車(chē)輛在某一時(shí)刻的位置分布外，還可用PC 機(jī)進(jìn)行顯示，以便于進(jìn)行調(diào)度及其他管理工作。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　硬件電路主要部分框圖如圖4所示，主控制器選擇Atmel的AT89C52單片機(jī)，標(biāo)簽閱讀器主芯片選擇TI的S6700多協(xié)議收發(fā)芯片，電力載波收發(fā)部分選擇科強(qiáng)電子的KQ-100E的電力載波收發(fā)模塊。

　　AT89C52是一款高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器和256 B的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，40條引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，2個(gè)外中斷口，3個(gè)16 bit可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線，可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本，完全可以滿足主機(jī)和從機(jī)系統(tǒng)的各種需要。

　　KQ-100E收發(fā)模塊的微機(jī)控制端由RX、TX、R/T 3個(gè)端口構(gòu)成，全是TTL電平。TX接收微控制器TXD端發(fā)送數(shù)據(jù)，RX接微控制器RXD端接收數(shù)據(jù)，R/T為接收/發(fā)送控制端，R/T為高電平時(shí)模塊處于接收狀態(tài)，R/T為低電平時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)。+5 V端接+5 V±5%的直流電源，電流約45 mA，VAA為發(fā)送功率電源，可用直流穩(wěn)壓電源，發(fā)送時(shí)電流約300 mA(不發(fā)送時(shí)為0 mA)，VAA可在9 V～15 V之間選定，VAA和+5 V電源需用兩組電源供電。兩個(gè)AC端可以直接接市電的火線和零線，也可以接火線和地線，遠(yuǎn)距離戶外通信時(shí)宜采用接火線和零線的通信方式。

　　S6700多協(xié)議收發(fā)芯片是TI公司專為13.56 MHz的RFID讀寫(xiě)器所設(shè)計(jì)的， 支持多種RFID傳輸協(xié)議，由5 V直流供電，輸出功率200 mW，內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)編、解碼模塊。S6700芯片提供給用戶MCU數(shù)據(jù)控制的接口主要有4根：SCLOCK、DIN、DOUT與M_ERR。 SCLOCK為雙向串行時(shí)鐘線，在通信過(guò)程中被芯片和主控器MCU交替使用;DIN為數(shù)據(jù)輸入端，MCU發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)此輸入端傳送到芯片;DOUT 為數(shù)據(jù)輸出端，芯片將解碼后的數(shù)據(jù)通過(guò)此端口發(fā)往MCU作下一步處理， 同時(shí)DOUT還起到FIFO管理的作用， 監(jiān)測(cè)FIFO是否溢出，每當(dāng)FIFO滿了，DOUT就跳變?yōu)楦唠娖?，通知MCU暫停發(fā)送數(shù)據(jù)，直到FIFO被清空，MCU才能繼續(xù)發(fā)送剩余的數(shù) 據(jù);M_ERR為錯(cuò)誤檢測(cè)線，主要用于檢測(cè)發(fā)往射頻標(biāo)簽的命令是否送出，當(dāng)命令送出后，F(xiàn)IFO緩沖器被清空，這時(shí)會(huì)有一個(gè)22 μs的脈沖在此引腳上產(chǎn)生。另外M_ERR還用于檢測(cè)是否有多卡/標(biāo)簽沖突，當(dāng)有多張卡/標(biāo)簽進(jìn)入讀區(qū)域時(shí)，在讀寫(xiě)器天線接收端會(huì)引起數(shù)據(jù)沖突，引起解碼 錯(cuò)誤，這時(shí)M_ERR會(huì)跳變?yōu)楦唠娖?，提示?biāo)簽數(shù)據(jù)沖突。S6700芯片通過(guò)4個(gè)引腳(SCLOCK、MERR、DOUT、DIN)與后端單片機(jī)相連。

　　本文提出的電子站牌利用已經(jīng)存在的電力線，尤其是路燈電力線傳輸信息，不需通信費(fèi)用，LED車(chē)位指示屏與車(chē)載電子標(biāo)簽成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液晶顯示器與車(chē)載GPS 接收機(jī)，故其是一種經(jīng)濟(jì)適用的電子站牌，易于推廣使用。其不足之處是定位精度沒(méi)有基于GPS接收機(jī)的高。不過(guò)，通過(guò)增加安裝在兩刻度線間LED的數(shù)量，定 位精度可提高到1/(n+1)(n為L(zhǎng)ED數(shù)量)個(gè)站距(正常行車(chē)情況下)。對(duì)于民用來(lái)說(shuō)，這個(gè)精度已達(dá)使用要求，且基于GPS的電子站牌存在的盲區(qū)與延 時(shí)抖動(dòng)問(wèn)題也將降低其理論定位精度。