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基于RFID的公交車信息管理系統的設計
作者：杭佳聞 劉錦高
來源：RFID世界網
日期：2007-09-20 16:05:27
摘要：公交車作為目前國內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技術的公交信息管理系統設計方法被提出。該系統采用TI公司射頻收發器芯片RI-R6C=001A，并結合微處理器設計tSO／IEC15693瀆卡器．TJ公司的Tag—it HF-I作為電子標簽。通過軟件部分和數據庫的設計對公交車信息進行管理。該系統成本低．效率高。
1 設計原理
本系統主要基于RFID技術，后期擴展結合數據庫以及傳感器網絡。
RFID(Radio Frequency Identification)即無線射頻識別技術【1】，它的基本工作原理：標簽進入磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息，或者主動發送某一頻率的信號；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。RFID系統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。
傳感器網絡的主要功能是對某種環境中事物的數據采集。傳感器網絡的相關研究包括傳感器、通信和計算(包括硬件、軟件和算法等)等3個方面。傳感器網絡一方面可以將互聯網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絡。另一方面，它可以將傳感器節點發展成為具有互聯結構的新型信息處理功能的網絡。
2 基于RFID的公交車信息管理系統
2．1 系統組成(見圖1)
系統總體上由兩部分組成：射頻收發傳感系統以及中心控制系統。
射頻收發系統完成對公交車信息的采集，中心控制系統則完成信息管理和顯示控制。
射頻收發系統包括電子標簽、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域，用于識別車輛身份。MCU負責控制整個系統的運作，控制射頻電路的發射和接受，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的傳感節點【2】，數據采集中間件完成數據到網絡的接入，中心控制器就完成數據的管理。中心控制器包括中央計算機，后臺數據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，中央計算機結合公交系統數據庫分析并通過MCU管理站臺顯示等外圍電路。
2。2 系統硬件
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號以及相關信息。只要公交車在站臺讀卡器的有效讀卡范圍內，卡上的信息就會被讀取進而傳輸到中央計算機進行處理并按處理結果執行特定站臺的顯示操作。系統采用德州儀器生產的Tag-it HF-I。Tag-it HF-1分為64個存儲塊，每塊32bit；內含64bit的唯一的ID號，2kbit的用戶存儲區；與ISO15693—2，一3通訊協議兼容，工作于13．56MHz。卡內含防沖撞機制，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射／接收電路和MCU組成， 用于識別車輛身份射頻發射／接收電路是以$6700多協議收發芯片RI-R6C一001A【3】為核心的臺灣聯公司的RF 201模塊【4】(具體電路圖如圖2)，遵循ISO／IEC 15693協議，+5V供電，實現對信號的調制和解調，用曼徹斯特編碼方式，接5On環形天線。
RI．R6C-00IA芯片是德州儀器生產的RF收發器，： 片內含接收、發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。能實現多目標、運動中識別。其典型發送功率為200mW，還可以再加一級功放電路，提高發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、數據輸入線、數據輸出線。時鐘線是雙向的，發送數據時由MCU控制，接收數據時由R6C控制，在時鐘上升沿R6C鎖存數據。R6C的XTAL1和XTAL2引腳接13．56MHz的晶振，調制基帶信號。從DIN 腳輸入基帶信號經R6C調制到13．56MHz的載波信號上，再由Tx_OUT腳發射出去：調節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解調為基帶信號再從DOUT腳輸出到MCU，進行后續處理。
在模塊RF一201中，R6C通過ATTINYI2L間接與MCU實現通信。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RF一201的通信協議，通過控制ATTINY12L間接與R6C通信。4013B包含兩個D觸發器，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 數據格式(見表1)
低位先送。Length為數據長度。
Command1和Command2都由Bit0-Bit7八位組成，
Commandl用于讀寫狀態的設定，Command2用于卡片形態的設定。具體來說，Commandl的Bit3用于設置UID；Bit5和Bit4兩位不同的組合對應不同的四種狀態： “00”對應“Read System Information” ， “Ol” 代表“Read Block” ， “lO” 代表“Write Block” ， “ll”代表“Lock Block”。
Command2的Bit6 Bit5 Bit4三位組合為010時卡片型態為ISO15693。
UID碼為8個字節，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，完成信息收發檢測，配合數據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，發車時間等等。然后把車輛經過當前站臺的時間和站名發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。
由于系統涉及的信息量并不是很大，考慮系統的穩定性和性價比，公交信息的后臺管理選用Linux+MySQL+PHP【5】的組合。數據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計，此外還包括一些管理界面的設計，串口通信程序【8】以及中心計算機與各站點的通信程序設計等等。
4 系統分析評價
本系統尚處于實驗階段，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射端加射頻放大電路來實現增加，軟件執行效率也有改善空間。另外，系統與無線傳感技術還有待進一步結合，以期實現中心控制系統與站臺間的無線通信管理。基于RFID的公交管理系統開發成本低，該技術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．射頻識別技術原理與應用實例一RFID．M．人民郵電出版社， 2006．
【2】金發慶．傳感器技術與應用．機械工業出版社．2004．
【3】TI．Tag—it HF-I Transponder Inlays Reference Guide．http://www ti.rfid.com．
【4】聯電子股份有限公司．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：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。
本系統主要基于RFID技術，后期擴展結合數據庫以及傳感器網絡。
RFID(Radio Frequency Identification)即無線射頻識別技術【1】，它的基本工作原理：標簽進入磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息，或者主動發送某一頻率的信號；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。RFID系統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。
傳感器網絡的主要功能是對某種環境中事物的數據采集。傳感器網絡的相關研究包括傳感器、通信和計算(包括硬件、軟件和算法等)等3個方面。傳感器網絡一方面可以將互聯網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絡。另一方面，它可以將傳感器節點發展成為具有互聯結構的新型信息處理功能的網絡。
2 基于RFID的公交車信息管理系統
2．1 系統組成(見圖1)
系統總體上由兩部分組成：射頻收發傳感系統以及中心控制系統。
射頻收發系統完成對公交車信息的采集，中心控制系統則完成信息管理和顯示控制。
射頻收發系統包括電子標簽、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域，用于識別車輛身份。MCU負責控制整個系統的運作，控制射頻電路的發射和接受，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的傳感節點【2】，數據采集中間件完成數據到網絡的接入，中心控制器就完成數據的管理。中心控制器包括中央計算機，后臺數據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，中央計算機結合公交系統數據庫分析并通過MCU管理站臺顯示等外圍電路。
2。2 系統硬件
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號以及相關信息。只要公交車在站臺讀卡器的有效讀卡范圍內，卡上的信息就會被讀取進而傳輸到中央計算機進行處理并按處理結果執行特定站臺的顯示操作。系統采用德州儀器生產的Tag-it HF-I。Tag-it HF-1分為64個存儲塊，每塊32bit；內含64bit的唯一的ID號，2kbit的用戶存儲區；與ISO15693—2，一3通訊協議兼容，工作于13．56MHz。卡內含防沖撞機制，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射／接收電路和MCU組成， 用于識別車輛身份射頻發射／接收電路是以$6700多協議收發芯片RI-R6C一001A【3】為核心的臺灣聯公司的RF 201模塊【4】(具體電路圖如圖2)，遵循ISO／IEC 15693協議，+5V供電，實現對信號的調制和解調，用曼徹斯特編碼方式，接5On環形天線。
RI．R6C-00IA芯片是德州儀器生產的RF收發器，： 片內含接收、發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。能實現多目標、運動中識別。其典型發送功率為200mW，還可以再加一級功放電路，提高發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、數據輸入線、數據輸出線。時鐘線是雙向的，發送數據時由MCU控制，接收數據時由R6C控制，在時鐘上升沿R6C鎖存數據。R6C的XTAL1和XTAL2引腳接13．56MHz的晶振，調制基帶信號。從DIN 腳輸入基帶信號經R6C調制到13．56MHz的載波信號上，再由Tx_OUT腳發射出去：調節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解調為基帶信號再從DOUT腳輸出到MCU，進行后續處理。
在模塊RF一201中，R6C通過ATTINYI2L間接與MCU實現通信。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RF一201的通信協議，通過控制ATTINY12L間接與R6C通信。4013B包含兩個D觸發器，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 數據格式(見表1)
低位先送。Length為數據長度。
Command1和Command2都由Bit0-Bit7八位組成，
Commandl用于讀寫狀態的設定，Command2用于卡片形態的設定。具體來說，Commandl的Bit3用于設置UID；Bit5和Bit4兩位不同的組合對應不同的四種狀態： “00”對應“Read System Information” ， “Ol” 代表“Read Block” ， “lO” 代表“Write Block” ， “ll”代表“Lock Block”。
Command2的Bit6 Bit5 Bit4三位組合為010時卡片型態為ISO15693。
UID碼為8個字節，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，完成信息收發檢測，配合數據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，發車時間等等。然后把車輛經過當前站臺的時間和站名發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。
由于系統涉及的信息量并不是很大，考慮系統的穩定性和性價比，公交信息的后臺管理選用Linux+MySQL+PHP【5】的組合。數據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計，此外還包括一些管理界面的設計，串口通信程序【8】以及中心計算機與各站點的通信程序設計等等。
4 系統分析評價
本系統尚處于實驗階段，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射端加射頻放大電路來實現增加，軟件執行效率也有改善空間。另外，系統與無線傳感技術還有待進一步結合，以期實現中心控制系統與站臺間的無線通信管理。基于RFID的公交管理系統開發成本低，該技術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．射頻識別技術原理與應用實例一RFID．M．人民郵電出版社， 2006．
【2】金發慶．傳感器技術與應用．機械工業出版社．2004．
【3】TI．Tag—it HF-I Transponder Inlays Reference Guide．http://www ti.rfid.com．
【4】聯電子股份有限公司．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：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。
