基于射频识别技术的公交车自动报站系统

学校代码学号

分类号密级

本科毕业论文

基于射频识别技术的公交车自动报

站系统

院(系)名称：电子信息工程学院电子工程系

专业名称：通信工程

年级：2010级

学生姓名：

指导教师：

2014年4月20日

基于射频识别的公交车自动报站系统

摘要

在城市生活中，公交车是一个很重要的交通工具。公交车到达每个站点时候，都需要为乘客通知站点信息，但当前运行的公交车的自动化程度还不够全面，以至于需要人力维护。射频识别是广泛应用于物联网领域的多学科交叉技术，主要用在条码识别、卡物识别等方面。如果把射频识别技术应用到公交车报站系统上，就可以让公交车每到达一个站点时自动识别出该站点，并同时由控制程序自动声音播报站点、屏幕显示站点。整个程序无需人力干预，司机只要专心开车就可以了。这个系统的组成部分有射频识别模块，控制核心单片机，语音播放单元和屏幕显示等四个部分。射频识别模块由电子标签和阅读器组成，电子标签放置在公交站牌上，阅读器放在公交车上与控制核心单片机相连。基于射频识别的公交车自动报站系统工作原理是射频识别模块用来识别公交车当前到达的站点，阅读器把识别出来的数据传送给单片机。单片机经过分析计算和校验接收到的数据，从存储器调用相对应的存储数据，供语音播放单元播报站点信息以及屏幕显示站点名字。将整个系统跟人对比的话，射频识别完成的功能是人的感知能力，单片机是人的大脑，负责分析数据、发出命令，语音播放单元和屏幕显示是人的反应能力。把这个系统投入到实际生活当中会给使公交车更完美。

关键词：公交车，射频识别，单片机，自动报站

Abstract

绪论

随着社会的发展，科技的进步，城市化的步伐越来越快。城市当中人流密度会变得大，一些问题会变得异常突出和重要，特别是公共性物体的利用。诱发城市化的原因是，人口聚集在一起易于管理，有限的自然资源得到合理的、充分的循环利用。城市中的人有自己的居住环境，工作环境，学习环境，娱乐环境等等由不同需求所打造的不同环境。但是这些环境很可能不属于同一片地区，这时候人们要不约而同的依赖交通工具。交通工具的选择非常重要，要从时间和经济的角度综合考虑找到适合自己的方式。选择了慢的交通工具，宝贵的时间资源会耗费在路上；选择了贵的交通方式，经济负担会加重。城市中的交通方式主要有地铁、公交、私家车、自行车、电动车等等。地铁和公交属于公共交通方式，是大多数人的优先选择，因为它既快又经济。在大城市中地铁和公交具有同等重要性，在城市交通中各有半边天的力量。然而很多中小型城市经济能力还不够发达，不具备开通地铁的能力，这时候，就只剩下公交车了。所以公交车在城市生活中是一个很重要的成员。如果城市是一个人的话，公交车就是他的腿。

大多数人都坐过公交车，坐车的人一路上都在想一个问题，到站了没？特别是小孩子和老年人，很容易出意外情况，不是坐过站就是没到站就先下车了。幸好公交车有报站系统，给了我们很多方便，不至于我们频繁出现以上情况。但现在公交车报站系统是键盘输入形式的，需要司机手动的按键盘才能报站。有些时候，司机以为乘客都知道公交站牌，乘客自己能判断什么时候下车，就不管报站系统的工作了；有些时候，司机犯懒嫌麻烦，不想管报站系统的工作。如果碰上这些情况，乘客就只能找人问了。如果公交车自动识别当前站牌信息，并发出到站下车提示信息，乘客就不怕出现以上情况。这样一来，乘客可以在上车以后专心致志的投入到自己的事情中，等有了提示信息后准备下车就可以了。这样就为乘客争取了很多宝贵时间，司机也可以专心的开车就行了。基于射频识别的公交车自动报站系统正是基于以上原因设计的。不管从哪个方面说，基于射频识别的公交车自动报站系统对城市交通系统有益无害。基于射频识别的公交车自动报站系统的报站方式有语音报站和屏幕显示两种方式，有了这两种方式就可以对一些听力不好或者视力不好的都能提供服务，设计目的更显得人性化。基于射频识别的公交车自动报站系统的工作原理图为图1.

图1 系统工作原理 基于射频识别的公交车自动报站系统组成部分有射频识别模块，控制核心单片机，语音播放单元和屏幕显示等四个部分。基于射频识别技术制作的电子标签被放置在公交站牌，每个电子标签都是独一无二的，有它自己专用的ID 号。与电子标签对应的有阅读器，用来读取电子标签上专有的ID 号，并将ID 号通过串口传送给单片机。单片机先经过分析计算和校验，再查找与这个ID 号相对应的公交站牌信息。语音播放单元和屏幕显示根据单片机的控制输出站牌信息。后续章节中会分别对每个模块进行细致到位的分析。第一章介绍射频识别技术、原理和设备的选择；第二章中介绍阅读器、单片机、语音播放单元和屏幕显示工作原理，硬件介绍和电路原理图等；第三章中介绍控制核心单片机的软件工作流程，控制原理。后续章节中会解决一些非常实际的一些问题，比如：现有的射频识别可否满足公交车识别站牌，应该选择什么类型的产品，耗电量，耐用性能不能满足要求；对阅读器传送回来的ID 号所对应的站牌信息是保存在外部存储器上还是内部存储器上；ID 号和与其对应的站牌信息的对应关系以什么机制为标准来建立。 电子

标签 阅读器 射频识别 单片机 语音播放

屏幕显示

1 射频识别

1.1 自动识别技术

现实生活中，我们会碰到很多信息和数据。这些信息和数据种类繁多，有农业的、医疗的、工业的、军事的、天气气候的、财务金融的等等。我们通过采集和分析这些信息和数据调整我们的生活方式，使生活更加舒适、更加适合于我们。不然的话，我们的决定和计划都将是纸上谈兵，没有任何现实基础，最后肯定走向失败。所以在这个信息化的时代，采集信息和数据变得异常重要。在早期时候，好多信息和数据都是用古老的方法，即做笔记记录，用人工来收集的。财务工作有专门的记账人员，工农业工作也是用人工24小时的做记录，科研实验需要时刻有人盯着。这种方法有很多缺陷，投入的人力大，劳动强度大，而且收集的数据误差很大，这也就失去了数据本身的参考价值。

到了后来随着人类的努力，计算机的广泛使用，各种各样自动识别技术的探索，渐渐的采集数据的工作变得越来越不需要人力。不仅用的人少了，而且数据的可靠性和实时性也提高了，从而数据的参考价值也就提升了。自动识别技术就是运用特殊制造的自动识别装置，通过目标物体的外部特征自动识别物体的有关信息，并把这些信息实时地传送到计算机的信息处理系统进行数据的分析和计算。所以自动识别技术是以计算机技术和通信技术为根本基础的多学科多领域交叉的综合性学科。

自动识别技术的发展在近十几年是最为活跃迅猛的，它涉及的学科范围有通信、物理、光、机电、磁、计算机等高新学科技术。自动识别技术的应用有条码识别，光学字符识别，生物识别，射频识别等。其中在物流和供应链方面应用最突出的是射频识别——RFID。

1.2 射频识别选型

射频识别的基本原理是运用电磁感应或者电磁传播的通信技术来自动识别被标识对象。要使用射频识别首先必须要将电子标签预先安装在被识别对象上，当被标识对象进入到阅读器所覆盖的有效阅读区时，标签向阅读器发送自身携带的数据信息，从而标签与阅读器之间建立一条无线通信连接，阅读器对接收到的数据信息进行解码并及时传送到后台计算机信息处理系统，到此达到射频识别的最终目的，射频识别基本模型为图2所示。

图2 射频识别基本模型 射频识别技术从不同的角度可以分为多种类型。从射频识别的工作方式可以分为电磁感应模型和电磁传播模型，电磁感应模型是指标签和阅读器之间用电磁感应定律实现耦合，电磁传播模型是指阅读器发射一个电磁波，碰到标签目标后反射回来，阅读器根据这个回波来判断识别目标。根据标签的供电方式可以把射频识别分为有源系统，无源系统，半有源系统。根据标签的调制方式可以把射频识别分为主动式，被动式和半主动式。基于射频识别的公交车自动报站系统中根据系统的实际应该选取有源、电磁传播模型、主动式、微波射频识别系统。因为公交车要识别公交站牌时识别距离应该在10m 左右，对功率要求偏高。

射频识别技术两个主要组成部分是电子标签和阅读器。电子标签的功能是向阅读器发射自身的ID 号。本设计要求是有源电子标签，它由芯片、感应线圈即天线、电容、电池等元器件构成。在芯片中存储标签ID 等数据信息并对其进行调制、加密、设置工作频率和传输速率等工作。天线电路负责把这些存储的信息发射向阅读器。电子标签的封装材质和封装形式也有多种多样。本设计的电子标签要长期固定在公交站牌上，因为电子标签要长期呆在风吹日晒雨淋的条件下，所以应该选取防日晒、防雨淋和防震动的封装材料和封装形式。阅读器在射频识别技术中有着举足轻重的作用，主要表现在两个方面。第一是，阅读器的工作频率决定了射频识别系统的工作频段；第二是，阅读器的功率直接影响到射频识别系统的有效工作距离和效果。阅读器的功能不仅有接收电子标签的ID 数据，还可以对电子标签写入数据，这样可以实现阅读器和电子标签的双向通信。阅读器还可以用RS232与计算机实现通信。阅读器的基本结构如图3所示。

RS232

图3 阅读器基本结构

电子标签 天线 阅读器

Patch 天线 Patch 天线 RF 单元和解码器 协议/转换器/内嵌式处理器 状态指示器和内部面板 12针圆形连接器 3针圆形连接器 Build-in PSU(可选)

2 硬件设备

在前面的一章内容中已经交代了射频识别技术以及射频识别设备的选择。所以本章中着重介绍控制核心单片机、语音存储播放单元和LED屏幕显示等各个硬件模块以及它们中间的连接情况和工作原理。

2.1 单片机介绍

单片机由于它的控制能力强、可靠性高、可用资源丰富和成本低等诸多优异性使得其应用范围非常广泛。单片机应用范围从航空航天、航母船只、导弹武器等国家产业到汽车电子、医疗控制、农畜自动化等民用产业。航空航天、航母船只、导弹武器等国家产业代表着一个国家的国际地位，让国家有能与世界列强公平竞争的资本，让本国民众有自豪感。汽车电子、医疗控制、农畜自动化等民用产业是日常生活所不可或缺的，使日常生活更加舒适，让人们从繁琐的劳动解脱。从这些方面我们可以间接的看出，单片机的作用、功能和它的重要性。

单片机的内部可用资源除了根据不同的应用需求而特殊定制的特别功能外，在大体上是一样的。单片机内部资源总体来说非常丰富，包括定时/计数器、特殊功能寄存器、中央处理器（CPU）、数据存储器、程序存储器、串行接口、中断资源、数据端口和地址端口。在实际应用中这些资源非常有用。使用者通过可以编写应用程序让单片机工作，程序可以用硬件描述性的汇编语言也可以用C51的C语言编写，只要使用的集成软件开发环境支持就可以。单片机中可以利用中央处理器完成简单的算法处理，用于信息的编解码处理；数据存储器中可以存储用户需要用到的表格等固定信息和算法的中间结果等临时信息；一般的单片机内部都有两个定时/计数器，定时器一般用于控制串口的波特率，计数器用来对外部的波形脉冲计数；数据端口和地址端口一般联合起来用于扩展外部接口，可以扩展存储器、键盘设备、中断设备等；串口接口用于串行数据传输、多机或点对点的单片机通信；中断资源是非常有用的用于实施处理内外部中断事件的系统；特殊功能寄存器中用来设置其它内部资源的工作方式或模式。单片机系统结构如图4。

时钟电路程序存储器数据存储器定时/计数器

CPU

总线控制电路可编程IO端口串行接口

图4 单片机系统结构

在本设计中采用AT89C51单片机。AT89C51用串口与射频识别的阅读器用RS232进行通信，接收阅读器的数据。AT89C51需要用数据端口和地址端口扩展语音存储播放单元和LED屏幕显示模块。

1.2 语音存储播放单元

这一块需要预先存储各个站点的语音信息，并能够驱动语音播放器即喇叭的器件。根据前端单片机传送过来的指令数据选取相应存储单元的站点信息并驱动喇叭播放当

前公交车要到达的站点名字。

ISD4004系列芯片包括了振荡器、防止混淆滤波器、平滑波形滤波器、音频功率放大器、自动降低噪声及高密度多电平闪烁存储单元阵列。芯片制造工艺技术是CMOS技术，采取多电平模拟量直接存储的设计，所以播放出的语音、音调、都非常真实、自然、失真程度小。存储空间被一个小段长单位任意分段或不分段，多段存储结构加上片内存储管理制度，可以方便的实现灵活搭配、任意播放的播放效果。内部的存储器是闪烁存储器，声音信息的每个采样值存储在片内闪烁存储器中，这样可以反复读写内部信息、在断电情况下长时间保存信息。芯片是基于所有操作必须由单片机之类的微控制器控制的理念设计的，微控制器可以对工作在SPI串行接口的ISSD4004语音芯片执行控制，SPI是同步串行数据传输协议。

在设计中要注重ISD4004的实际应用、语音播放过程的与单片机程序的配合时序，而不是它的内部构造结构。ISD芯片在上电操作后有一个延时时间，所以在单片机对芯片上电后先经过规定的延时时间才可以发出第一个操作指令。ISD4004芯片的指令列在了图5中。

图5 ISD4004芯片指令

1.3 LED屏幕显示

屏幕显示在生活中很多地方都可以遇到，有的是采用液晶显示屏，有的是采用LCD 显示屏，有的是采用LED显示屏。这些都是经过成本的估计、显示的效果、工作稳定性能、实现难易程度等综合考虑而选定的。在公交车上显示站点名需要显示的清楚明亮，而公交车是城市公共设施不适合采用成本过高的设施，还要必须设备的耐用性。LED显示屏正好符合以上种种要求，所以本次设计使用LED点阵显示屏。

LED显示屏是由若干个横平竖直排列整齐的发光管组成的。当使用它显示我们需要看到的信息的时候，使用单片机的控制程序有选择性的点亮其中的一些发光管，组成亮、暗相间的图形符号信息。本设计需要显示汉字，汉字相比于数字和字母编写比较复杂，所以使用的LED显示屏的点阵数目多，满足显示一个汉字的LED屏幕一般可以显示2-3个字母或数字。LED显示屏采用8×8点阵显示屏，但是要显示清楚的汉字，汉字需要采用16×16的字模点阵编码。本设计显示4个汉字就可以达到目的了，当实际应用中需要显示更多的汉字时，用同样的设计理念进行扩充就可以了。显示2个16×16的字模点阵编码时候需要用到16个8×8 LED点阵屏幕，8个8×8 LED点阵屏幕按照两行四列的形式排布用以显示一行上的两个字。汉字的字模点阵编码可以通过字模软件获取，在LED屏幕上显示时候用行扫描、静态显示的方法将每一个当前行对应的所有列字模点阵编码显示到屏幕上。这个LED屏幕有16×32点阵，所以行扫描需要扫描16次。扫描的相隔时间取的合适的话，由于人眼的视觉暂留特性，人们看到的是一幅完整的信息图。

1.4 系统电路原理图

整个系统的电路原理图在图6。

图6 系统电路原理图

中间的核心是AT89C51单片机，它通过ILC232与阅读器进行串口通信。单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3与音频存储播放模块ISD4004的CLK、MOSI、MISO和CS

相连，使得ISD4004串行数据传输。ISD4004连接麦克风和喇叭，麦克风用于存储语音、喇叭用于播放语音。单片机的P2.0、P2.1和P2.2与74LS138的A、B和C引脚相连，参与译码操作，P2.3通过两片译码器的使能端口完成选择功能。从RXD出来的串行数据经过74HC595的串并变换成为并行数据信号，传送的移位时钟信号由TXD端的波特率控制，P3.2提供四个74HC595的数据锁存信号。

3 编程思想和程序流程图

为了提高程序的可读性，提高编程效率，提高程序的可移植性整个系统的程序要尽量采用模块化编程思想。把整个系统按照各个独立的功能划分成各个逻辑模块，再实现各个小模块的功能。这样的程序编程人员写起来有头有尾、后期容易优化，读程序的人读起来也是容易理解。

根据本设计的实现逻辑，可以把整个程序分成串口初始化、串口中断处理、音频输出控制、LED 屏幕控制等几大模块。在主程序中只需调用模块就行，串口初始化后接收到数据后给出接收完中断，串口中断处理函数中将接收到的数据从串口接收数据缓冲区存入指定寄存器，并清除中断标志位、置接收到数据标志位。接收到数据标志位有效时，先后调用音频播放函数和屏幕显示函数。图7是主程序流程图。

否

是

图7 主程序流程图

主程序通过接收到数据标志位来判断程序流向。在串口中断处理程序中只执行中断标志位清零和接收到数据标志位清零这两个操作，所以主要介绍一下语音播放函数和屏幕显示函数。

3.1 语音播放

ISD4004芯片工作在SPI 串行数据传输模式。SPI 协议的思想是，在CS 端低电平时开始 串口初始化 接收到数据标志有效？ 调用语音播放函数 调用屏幕显示函数 接收到数据标志位清零

传输命令和地址。SCLK是时钟信号端，时钟信号上升沿时候从MISO线向芯片输入命令和地址，时钟信号下降沿时候由MOSI线从芯片读数据。命令是一个字节，地址分成高低两字节，按先地位后高位、先地址后命令的顺序传送。图8是语音播放函数流程图。

开始

根据ID号确定语音存储地址

上电

延时30ms

指定地址开始放音

连续放音

延时10s

停止放音

返回

图8 语音播放流程图

3.2 屏幕显示函数

完成在16×32的LED点阵屏幕上显示16×16字模点阵编码的汉字功能，静态显示两个汉字。先取第一行上的字模点阵编码的32位4字节数据传送到74HC595锁存，再通过74LS138选通屏幕的第一行；延时3ms后，取第二行的4字节数据，选通第二行；……同理，以此类推完成16行内容的扫描显示。上述过程循环执行10s完成显示，返回到主函数。屏幕显示函数流程图在图9中。

N

Y

N

N Y

N

Y

Y

图9 屏幕显示流程图

开始 串口在方式0工作 开启定时器1的10s 中断 调用获取当前扫描行的4字节数据的子程序 开启定时器0的3ms 中断 取一列数据中的对应1点 保存到显示缓冲区 返回 扫描行加1 串口发送4字节程序 3ms 时间到？ 10s 时间到？ 修改取表偏移量 返回

计算取表的字节偏移量 计算点在高、低两字节中的位置 子程序入口 取完1个字节 取完4字节

结论

经过以上的讨论完成了基于射频识别的公交车自动报站系统的设计。第一章介绍了射频识别技术、原理和设备的选择；第二章中介绍了阅读器、单片机、语音播放单元和屏幕显示工作原理，硬件介绍和电路原理图等；第三章中解释了控制核心单片机的软件工作流程等内容。但是这些都是理论上的探讨研究，如果投入到实际中，有些地方需要更深入的研究，有些地方需要些许改进。屏幕显示时候本设计只讨论了显示两个字的情况，实际要求显示的字数肯定比这个多。设计中涉及到的知识点有原理图搭建软件的使用，单片机编程，LED驱动，语音播放等。通过这次设计非常系统的回顾了大学所学的专业知识，有了更加深刻的理解。

致谢

参考文献

[1]朱兆优，陈坚，王海涛，邓文娟编著.单片机原理与应用.北京:电子工业出版社，2010.

[2]朱大奇，邬勤文，袁芳编著.单片机原理、应用与实验.北京:科学出版社，2009.

[3]游战清，刘克胜，吴翔，林汉宏编著.无线射频识别（RFID）与条码技术.北京:机械工业出版社:2006.

[4]宋戈，黄鹤松，员玉良，蒋海峰编著.51单片机应用开发范例大全.北京:人民邮电出版社:2012.