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(yǔ)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(guó)家(如美國(guó)、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(yǔ)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(chǎng)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(yǔ)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(yǔ)音;報(bào)站語(yǔ)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(jiǎn)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(yǔ)音播放模塊(VS1003)、語(yǔ)音功率放大模塊(TDA7297)、顯示模塊、電源模塊等。
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(yǔ)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(guó)德州儀器(Texas Instruments,簡(jiǎn)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(jiǎn)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(yǔ)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(jiǎn)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(yǔ)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(yǔ)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。
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(cè)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(yǔ)音文件,然后輸送到VS1003進(jìn)行語(yǔ)音播放報(bào)站。
4 結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)當(dāng)前我國(guó)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。