基于電力載波和RFID的電子站牌系統(tǒng)設(shè)計

　　電子站牌即指電子站牌系統(tǒng)，包括車輛位置信息獲取、信息通信及顯示三個主要部分。目前一些大中城市正在進行試點的公交電子站牌[1-3]，均通過GPS獲 取車輛位置信息，通過GSM短消息方式進行通信，通過LCD或LED進行顯示。工作時車載GPS接收機通過接收衛(wèi)星信號獲得車輛位置坐標信息，并將其通過 短消息方式發(fā)送到移動運營商的GSM短消息收發(fā)中心，短消息收發(fā)中心通過專線將其傳輸?shù)杰囕v調(diào)度中心進行處理，得到車輛的距站信息(距下游站的距離及所需 時間等)，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，通過液晶顯示器進行顯示。現(xiàn)有的這種電子 站牌主要有以下兩個弊端：(1)前期建設(shè)成本高。車載GPS接收機雖然價格不算高，但如果在全市的公交車上全面推廣應用，將需要投入巨額資金;(2)后期 運營成本高。高運營成本主要是由GSM短消息通信造成的，為提高定位精度，車輛每隔幾秒至數(shù)十秒鐘就需要進行一次定位(接收一次衛(wèi)星信號)，并發(fā)送一條短 消息到GSM收發(fā)中心，GSM收發(fā)中心必須將每輛車的距站信息發(fā)送到電子站牌，即每輛車每進行一次定位就需要發(fā)送兩條短消息(一條由車輛發(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不高，但如此巨量的短消息造成的通信費用是公交公司所不能承受 的，若轉(zhuǎn)嫁到消費者身上，消費者也不會接受。故這種電子站牌目前只在某些線路上作試點，而難以推廣應用。本文提出了一種新的電子站牌解決方案，該方案通過 使用車載電子標簽(RFID)取代車載GPS接收機降低了前期建設(shè)成本，通過使用電力線傳輸車輛位置信息取代GSM短消息，降低了通信費用。

　　1 系統(tǒng)組成

　　本文所述電子站牌系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由位于車站的站裝置、安裝或貼于車上的電子標簽、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，主要由標簽閱讀器、電力載波發(fā)射機、電力載波接收機、主控制器(MCU)及LED車位指示屏等部分組成。電子標簽裝/貼于公交車上，車輛編碼信息(某某路某某號車的編碼表示)預先存儲于電子標簽中。

　　標簽閱讀器用于讀取到站車輛電子標簽所攜帶的車輛編碼信息。電力載波發(fā)射機將需要傳往下一站的數(shù)字信號進行載波調(diào)制后耦合進電力線傳輸，電力載波接收機將收到的調(diào)制信號(來自上游站)解調(diào)，恢復為數(shù)字信號。

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

　　LED車位指示屏如圖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)與時間分鐘數(shù)等。站名與某一刻度線對齊，在刻度線的上方標出該站 距始發(fā)站的公里數(shù)與公交車的行車時間。公交線路的長度、站位置、車輛運行所需時間均固定(正常情況)，故可將沿線各站距離始發(fā)站的公里數(shù)及所需行車時間標 示在刻度線上。在每一條刻度線上安裝一個LED，兩條刻度線間設(shè)置數(shù)個LED。當公交車到達某站時，點亮與該站對應的刻度線上的LED，離站時則關(guān)閉對應 刻度線上的LED，同時根據(jù)歷史行車時間相繼點亮本站刻度線與下一個最近站對應刻度線之間的LED。

　　通過LED車位指示屏，乘客可隨時了解公交車在沿線的位置分布、離本站的距離以及到達本站的時間。如果在預定的時間內(nèi)不能到達，一定是發(fā)生了阻車，而且還 可以知道阻車的位置。調(diào)度中心從收到的車編碼及站編碼信息，可知道某路某號車當前位于某站或哪兩個站間什么位置，下一時刻應該到達何處，如果在預期的時間 內(nèi)不能到達，便知道發(fā)生了阻車，視情況進行調(diào)度安排。這些信息可以通過LED車位指示屏或PC機進行直觀顯示。

　　為避免過站車輛間電子標簽所發(fā)信息的沖突，使用具有防沖突算法的電子標簽[4]。用6~8 bit(視實際需要定)分別對公交車的路數(shù)與號數(shù)(即某路某號車)進行編碼，得到各種車的編碼信息，將編碼信息存儲于電子標簽中，電子標簽裝或貼于相應的公交車上。

　　2 算法設(shè)計

　　如圖1所示，當裝或貼有電子標簽的車輛到達站i時，將收到站裝置中的標簽閱讀器發(fā)出的射頻信號，從而激活車載電子標簽，激活后的電子標簽便將預先存儲于其 中的本車編碼信息發(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輛的到站信息，然后交由發(fā)射機進行載波調(diào)制后 發(fā)往下一站(即站i+1)。同時主控制器根據(jù)車編碼信息中的路數(shù)(即某路)選擇對應的LED車位指示屏，關(guān)閉本站(即站i)刻度線前的最后一個LED，打 開本站刻度線上的LED。當該車離開本站(站i的標簽閱讀器不再讀該車電子標簽的信號)時，主控制器便將該車的離站信息交由發(fā)射機進行載波調(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。

　　當上游站i發(fā)出的車輛到站(到達站i)信息傳輸?shù)较掠握緄+1時，站i+1的站裝置中的電力載波接收機對其解調(diào)，得到上游到站車輛的車編碼與站編碼信息， 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)射機繼續(xù)傳往下一站，同時根據(jù)車編碼信息中的路數(shù)(即某某路)選擇相應的LED車位指示屏，根據(jù)站編 碼信息選擇相應的刻度線，關(guān)閉該刻度線前的最后一個LED，打開該刻度線上的LED(本例中將打開站i刻度線上的LED)。

　　隨后，當上游站i發(fā)出車輛離站(離開站i)信息傳輸?shù)竭_下游站i+1時，站i+1的站裝置中的電力載波接收機對其解調(diào)，得到上游離站車輛的車編碼與站編碼 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)射機繼續(xù)傳往下一站，同時根據(jù)車編碼信息中的路數(shù)(即某路)選擇相應的LED車位指示屏，根據(jù) 站編碼信息選擇相應的刻度線，關(guān)閉該刻度線上的LED，并相繼打開/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，公交車在此間的正常行車時間為T秒，則應在該車離開站iT/(n+1)秒后再關(guān)閉站i刻度線上的LED，同時打開站i與站i+1間的第一 個LED。2T/(n+1)秒后，關(guān)站i與站i+1間的第一個LED，同時打開其間的第二個LED，如此這般，直至打開站i與站i+1間的最后一個 LED。但在關(guān)閉這最后一個LED，打開站i+1刻度線上的LED時，站i+1與其后的站(如站i+2等)采取的行為不同。對站i+1，其需執(zhí)行的操作與 車到達站i時站i所做的相同。站i+1以后的站(如站i+2)必須等到站i+1傳輸來的車輛到站(到達站i+1)信息后才關(guān)閉站i與i+1間的最后一個 LED，打開站i+1刻度線上的LED。

　　車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車位指示屏顯示車輛在某一時刻的位置分布外，還可用PC 機進行顯示，以便于進行調(diào)度及其他管理工作。

　　3 硬件設(shè)計

　　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，標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，片內(nèi)含8 KB的可反復擦寫的Flash存儲器和256 B的隨機存取存儲器(RAM)，40條引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，2個外中斷口，3個16 bit可編程定時計數(shù)器，1個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本，完全可以滿足主機和從機系統(tǒng)的各種需要。

　　KQ-100E收發(fā)模塊的微機控制端由RX、TX、R/T 3個端口構(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為高電平時模塊處于接收狀態(tài)，R/T為低電平時處于發(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)送時電流約300 mA(不發(fā)送時為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，遠距離戶外通信時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讀寫器所設(shè)計的， 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為雙向串行時鐘線，在通信過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)送過來的數(shù)據(jù)通過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)通過此端口發(fā)往MCU作下一步處理， 同時DOUT還起到FIFO管理的作用， 監(jiān)測FIFO是否溢出，每當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為錯誤檢測線，主要用于檢測發(fā)往射頻標簽的命令是否送出，當命令送出后，F(xiàn)IFO緩沖器被清空，這時會有一個22 μs的脈沖在此引腳上產(chǎn)生。另外M_ERR還用于檢測是否有多卡/標簽沖突，當有多張卡/標簽進入讀區(qū)域時，在讀寫器天線接收端會引起數(shù)據(jù)沖突，引起解碼 錯誤，這時M_ERR會跳變?yōu)楦唠娖?，提示標簽?shù)據(jù)沖突。S6700芯片通過4個引腳(SCLOCK、MERR、DOUT、DIN)與后端單片機相連。

　　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，不需通信費用，LED車位指示屏與車載電子標簽成本遠遠低于液晶顯示器與車載GPS 接收機，故其是一種經(jīng)濟適用的電子站牌，易于推廣使用。其不足之處是定位精度沒有基于GPS接收機的高。不過，通過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LED數(shù)量)個站距(正常行車情況下)。對于民用來說，這個精度已達使用要求，且基于GPS的電子站牌存在的盲區(qū)與延 時抖動問題也將降低其理論定位精度。