武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)DESIGNOFVEHICLEMANAGEMENTSYSTEMBASEDONINTERNETTHINGS學(xué)生姓名徐芳芳學(xué)號(hào)1030030233專(zhuān)業(yè)班級(jí)電子信息工程1002指導(dǎo)教師金振坤2014年5月作者聲明本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注的地方外，沒(méi)有任何剽竊、抄襲、造假等違反學(xué)術(shù)道德、學(xué)術(shù)規(guī)范的行為，也沒(méi)有侵犯任何其他人或組織的科研成果及專(zhuān)利。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。如本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果歸武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院所有。特此聲明。作者專(zhuān)業(yè)電子信息工程作者學(xué)號(hào)1030030233作者簽名_年_月_日摘要車(chē)輛管理是現(xiàn)在智能交通中關(guān)鍵一環(huán)，是我們現(xiàn)在必須要提高和完善的課題。目前的車(chē)輛管理大多采用半人工方式，這不僅浪費(fèi)人力物力，而且給人們的出行造成了不便。如何讓車(chē)輛管理朝著人們所希望的方向發(fā)展，還需要我們不斷的研究和實(shí)驗(yàn)。本論文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛管理系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。它分為三個(gè)子系統(tǒng)信息采集子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)。它采用AT89C2051單片機(jī)和NRF401射頻芯片的可讀可寫(xiě)式射頻卡構(gòu)成硬件電路。它在基于AT89C2051單片機(jī)的基礎(chǔ)上，用軟件完成了串口通信。本文的硬件模塊主要是完成車(chē)輛在進(jìn)入高速路，和出去高速路的過(guò)程中車(chē)輛識(shí)別和收費(fèi)問(wèn)題，并采集相應(yīng)車(chē)輛數(shù)據(jù)。軟件模塊實(shí)現(xiàn)了入網(wǎng)功能，以及控制LED（顯示收費(fèi)額）、紅綠燈的顯示功能。在本論文的設(shè)計(jì)過(guò)程中，硬件模塊實(shí)現(xiàn)了信息采集功能但外圍電路設(shè)計(jì)有待完善；軟件設(shè)計(jì)中對(duì)信息管理的功能沒(méi)有能完整編寫(xiě)，還需要不斷改進(jìn)。關(guān)鍵詞物聯(lián)網(wǎng)；車(chē)輛管理；射頻識(shí)別；全球定位系統(tǒng)ABSTRACTTHEVEHICLEMANAGEMENTISNOWTHEKEYINTELLIGENTTRAFFICINARINGWEMUSTIMPROVEANDPERFECTTHETOPICNOWCURRENTLY,MOSTOFTHEVEHICLEMANAGEMENTUSEHALFARTIFICIALWAYTHISISNOTONLYAWASTEOFRESOURCES,BUTALSOTOPEOPLESTRAVELINCONVENIENCEHOWTOMAKETHEVEHICLEMANAGEMENTTOWARDSTHEDESIREDDIRECTION,WESTILLNEEDMORERESEARCHANDEXPERIMENTSTHISDISSERTATIONDESIGNSAVEHICLEMANAGEMENTSYSTEMBASEDONINTERNETOFTHINGSTHEKEYTECHNOLOGYINTHEINTERNETOFTHINGS,ITIMPLEMENTSTHENETWORKFUNCTIONITISDIVIDEDINTOTHREESUBSYSTEMSINFORMATIONCOLLECTIONSUBSYSTEM,INFORMATIONTRANSMISSIONSUBSYSTEM,INFORMATIONMANAGEMENTSUBSYSTEMITUSESAT89C2051SINGLECHIPMICROCOMPUTERANDRADIOFREQUENCYCHIPNRF401READABLEANDWRITABLERADIOFREQUENCYCARDCONSTITUTESHARDWARECIRCUITSONTHEBASISOFBASEDONAT89C2051SINGLECHIPMICROCOMPUTER,ITUSESSOFTWARETOCOMPLETETHESERIALCOMMUNICATIONINTHISDISSERTATION,THEHARDWAREMODULEISMAINLYTOCOMPLETETHEVEHICLEINANDOUTINTOTHEHIGHWAY,HIGHSPEEDROADINTHEPROCESSOFVEHICLERECOGNITIONANDCOLLECTFEESPROBLEM,ANDCOLLECTTHECORRESPONDINGVEHICLEDATATHESOFTWAREMODULESREALIZETHENETWORKFUNCTIONINCLUDINGTHECHARGINGCONTROLLEDDISPLAY,TRAFFICLIGHTSINTHISDISSERTATION,HARDWAREMODULESREALIZEINFORMATIONACQUISITIONBUTPERIPHERALCIRCUITDESIGNNEEDSTOBEIMPROVEDTHEDESIGNPROCESSSOFTWAREDESIGNFORINFORMATIONMANAGEMENTFUNCTIONISNOTABLETOCOMPLETETHEPREPARATION,BUTALSONEEDTOCONTINUETOIMPROVEKEYWORDSINTERNETOFTHINGSTRAFFICMANAGEMENTRFIDRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONGPSGLOBALPOSITIONINGSYSTEM目錄第1章緒論111本課題研究的背景及意義112本論文的研究?jī)?nèi)容113本論文的組織結(jié)構(gòu)4第2章物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)521物聯(lián)網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)522物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)6221射頻識(shí)別技術(shù)6222全球定位系統(tǒng)9223傳感器技術(shù)12第3章車(chē)輛管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1331車(chē)輛管理系統(tǒng)構(gòu)架1332信息采集子系統(tǒng)13321車(chē)輛識(shí)別模塊14322圖像監(jiān)控模塊14323信息處理模塊1533信息傳輸子系統(tǒng)1534信息管理子系統(tǒng)15341信息管理15342收費(fèi)管理16第4章車(chē)輛管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1741硬件設(shè)計(jì)17411AT89C2051單片機(jī)性能及串行通信功能17412射頻識(shí)別卡和閱讀器的設(shè)計(jì)2042軟件設(shè)計(jì)25421外圍控制器軟件的分析與實(shí)現(xiàn)26422數(shù)碼管、紅綠燈顯示的軟件分析與實(shí)現(xiàn)30第5章總結(jié)與展望33參考文獻(xiàn)34致謝35第1章緒論車(chē)輛管理1為現(xiàn)在的交通做著巨大的貢獻(xiàn)，但存在一些漏洞，也需不斷前進(jìn)和完善。本章主要是介紹我國(guó)目前一些車(chē)輛管理方面的情況，同時(shí)對(duì)所要研究的車(chē)輛管理系統(tǒng)進(jìn)行概述以及簡(jiǎn)單的介紹一下本論文的組織結(jié)構(gòu)。11本課題研究的背景及意義隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速公路建設(shè)步伐的不斷加快，我國(guó)的大部分地區(qū)已經(jīng)形成了四通八達(dá)的高速公路網(wǎng)，高速公路在貨運(yùn)、客運(yùn)方面起著越來(lái)越重要的作用。隨著高速公路里程和交通量的不斷增加，如何進(jìn)一步加強(qiáng)高速公路的管理水平，提高其運(yùn)營(yíng)效率，減少收費(fèi)不透明問(wèn)題成為高速公路管理研究的重要內(nèi)容。建設(shè)和優(yōu)化高速公路收費(fèi)機(jī)制是高速公路管理的重要任務(wù)之一，直接影響高速公路的通行效率和經(jīng)濟(jì)效益。為了保證投資效益和通行安全，高速公路管理部門(mén)設(shè)立了許多收費(fèi)站和交通監(jiān)控中心，然而過(guò)多的設(shè)立收費(fèi)站，又降低了高速公路通行的效率。近年來(lái)，隨著公路交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，公路收費(fèi)系統(tǒng)1開(kāi)始向自動(dòng)化方向發(fā)展，有效地降低了公路、橋梁等收費(fèi)處的車(chē)輛阻塞率。但目前各種收費(fèi)系統(tǒng)仍有不盡如人意的地方，有的磁卡或接觸式IC卡系統(tǒng)要求車(chē)輛必須停車(chē)才能進(jìn)行收費(fèi)作業(yè)，這在很大程度上給人們的出行造成了不便，同時(shí)也大大浪費(fèi)了人力物力。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，筑起了人與人，人與物在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上的連接，為高速不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)提供了前景。12本論文的研究?jī)?nèi)容目前我國(guó)擁有的半自動(dòng)收費(fèi)和人工收費(fèi)的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，已無(wú)法滿(mǎn)足高速公路現(xiàn)代化管理的需要。而電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)2（ETC）是指車(chē)輛在通過(guò)收費(fèi)站時(shí)，通過(guò)車(chē)載電子標(biāo)簽與路測(cè)天線的短程通信，進(jìn)行車(chē)輛識(shí)別，信息寫(xiě)入并自動(dòng)從預(yù)先綁定的IC卡或者銀行賬戶(hù)上扣除相應(yīng)資金，實(shí)現(xiàn)不停車(chē)收費(fèi)的電子系統(tǒng)。與傳統(tǒng)人工收費(fèi)（MANUALTOLLCOLLECTION，簡(jiǎn)稱(chēng)MTC）方式不同，ETC的好處3有（1）節(jié)省能源消耗，減少停車(chē)時(shí)的廢氣排放和對(duì)城市環(huán)境的污染。（2）降低車(chē)輛部件損耗，減少收費(fèi)人員，降低收費(fèi)管理單位的管理成本。（3）實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理，提高收費(fèi)管理單位的管理水平。（4）對(duì)因缺乏收費(fèi)廣場(chǎng)而無(wú)條件實(shí)施停車(chē)收費(fèi)的場(chǎng)合，有實(shí)施收費(fèi)的可能。（5）無(wú)需排隊(duì)停車(chē)，可節(jié)省出行人的時(shí)間。（6）避免因停車(chē)收費(fèi)而造成收費(fèi)口堵塞，形成新的瓶頸。ETC系統(tǒng)按收費(fèi)站車(chē)道配置，可分為ETC專(zhuān)用車(chē)道、MTC車(chē)道和ETC/MTC混合車(chē)道三類(lèi)。鑒于我國(guó)道路實(shí)際情況，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，ETC和MTC將共存。ETC系統(tǒng)按收費(fèi)站收費(fèi)方式，可分為聯(lián)網(wǎng)式和人工式。其中聯(lián)網(wǎng)式收費(fèi)是當(dāng)前收費(fèi)的主要方式，而ETC系統(tǒng)是聯(lián)網(wǎng)式收費(fèi)的組成部分。ETC系統(tǒng)包括站級(jí)子系統(tǒng)和車(chē)道級(jí)子系統(tǒng)兩部分，其中車(chē)道級(jí)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)ETC車(chē)道的電子不停車(chē)收費(fèi)，站級(jí)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)后臺(tái)的ETC交易數(shù)據(jù)服務(wù)、運(yùn)營(yíng)參數(shù)管理以及系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控，并通過(guò)數(shù)據(jù)接口軟件，在站級(jí)實(shí)現(xiàn)ETC系統(tǒng)與聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理工作。在各個(gè)設(shè)備中，電子標(biāo)簽讀寫(xiě)天線通過(guò)RS232串行線接到位于收費(fèi)亭的車(chē)道計(jì)算機(jī)上，讀寫(xiě)天線與車(chē)載電子標(biāo)簽之間的信息交換由應(yīng)用程序直接控制；其它設(shè)備如自動(dòng)欄桿、費(fèi)額顯示器、車(chē)道通行燈、車(chē)輛檢測(cè)器等設(shè)備通過(guò)車(chē)道控制器與車(chē)道計(jì)算機(jī)連接；視頻信號(hào)通過(guò)字符疊加器疊加在過(guò)車(chē)信息后傳遞到收費(fèi)站的監(jiān)視器上。ETC是利用微波通信原理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，完成不停車(chē)收費(fèi)作業(yè)。系統(tǒng)主要有二個(gè)部份組成，即是安裝在汽車(chē)上的車(chē)載標(biāo)識(shí)卡3（也亦為電子標(biāo)簽或智能識(shí)別卡）和安裝在收費(fèi)站的車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。車(chē)載標(biāo)識(shí)卡主要用于記錄與車(chē)輛有關(guān)的數(shù)據(jù)，如車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)牌號(hào)碼、相關(guān)卡號(hào)和銀行帳戶(hù)等。收費(fèi)站車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，有一個(gè)安裝在收費(fèi)車(chē)道上方的無(wú)線電收發(fā)器用于讀寫(xiě)出車(chē)載標(biāo)識(shí)卡與收費(fèi)相關(guān)的數(shù)據(jù)。ETC車(chē)道4主要由天線、地感線圈、自動(dòng)欄桿、信號(hào)燈等組成，如圖11所示圖11ETC車(chē)道示意圖其工作的流程如下（1）當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入通信范圍時(shí)，首先壓到觸發(fā)線圈，啟動(dòng)天線。（2）天線與電子標(biāo)簽（車(chē)載機(jī)CPU卡）進(jìn)行通信，判別車(chē)輛電子標(biāo)簽是否額有效。（3）若有效則進(jìn)行交易，交易成功，系統(tǒng)控制欄桿抬升，通行信號(hào)燈變綠，費(fèi)額顯示牌上交易信息；若無(wú)效（無(wú)效卡、無(wú)卡、假卡、低值卡等）則報(bào)警（通信信號(hào)燈變紅）并保持車(chē)道關(guān)閉，直到車(chē)輛離開(kāi)檢測(cè)線圈。（4）車(chē)輛通過(guò)抓拍線圈時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行圖像抓拍，字符疊加器將過(guò)車(chē)信息疊加到抓拍圖像。（5）車(chē)輛通過(guò)落桿線圈后，欄桿自動(dòng)回落，通行信號(hào)燈變紅。（6）系統(tǒng)保存交易記錄，并將其上傳至收費(fèi)站服務(wù)器中，等待下一輛車(chē)進(jìn)入。本系統(tǒng)由信息采集子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)三部分組成，射頻識(shí)別卡信號(hào)燈自動(dòng)欄ETC收費(fèi)站地感線圈帶RFID智能識(shí)別卡車(chē)輛通過(guò)自動(dòng)標(biāo)識(shí)通行車(chē)輛，自動(dòng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)上位機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)，完成相關(guān)系統(tǒng)控制和費(fèi)用的收繳，解決了原收費(fèi)系統(tǒng)預(yù)付卡購(gòu)買(mǎi)、儲(chǔ)值和收費(fèi)等環(huán)節(jié)，有利于車(chē)輛管理系統(tǒng)的應(yīng)用。13本論文的組織結(jié)構(gòu)本論文是一篇理論設(shè)計(jì)的論文。論文的結(jié)構(gòu)如下第1部分簡(jiǎn)單的介紹一下本課題研究的背景及意義，以及論文研究的目的。初步介紹車(chē)輛管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。第2部分中第一部分介紹物聯(lián)網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)，第二部分介紹物聯(lián)網(wǎng)里的相關(guān)技術(shù)以及它們的特性和所應(yīng)用的范圍。第3部分總體介紹車(chē)輛管理系統(tǒng)三個(gè)部分，并分別描述了每個(gè)部分所包括模塊的功能。第4部分介紹了用硬件實(shí)現(xiàn)其信息采集功能，用軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信以及紅綠燈的顯示。第5部分是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的總結(jié)和心得，系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。同時(shí)，闡述了本次設(shè)計(jì)過(guò)程中的體會(huì)。第2章物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)5（INTERNETOFTHINGS，縮寫(xiě)IOT）是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)可以用中心計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器、設(shè)備、人員進(jìn)行集中管理、控制，也可以對(duì)家庭設(shè)備、汽車(chē)進(jìn)行遙控，以及搜尋位置、防止物品被盜等各種應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人與人、人與物的連接主要靠的是其所獨(dú)有的分層結(jié)構(gòu)和所擁有的相關(guān)技術(shù)。21物聯(lián)網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)6分為三層感知互動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層。如圖21所示圖21物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)信息處理應(yīng)用服務(wù)層社會(huì)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用資源共享服務(wù)臺(tái)信息共享平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)傳輸層信息傳輸標(biāo)識(shí)管理系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)地址管理系統(tǒng)信息采集感知互動(dòng)層數(shù)據(jù)采集設(shè)備RFID智能控制系統(tǒng)感知互動(dòng)層處于整個(gè)體系的最底部，由大量具有感知和識(shí)別功能的設(shè)備組成，可以部署于世界任何位置、任何環(huán)境之中，被感知和識(shí)別的對(duì)象也不受限制。感知互動(dòng)層的主要作用是感知和識(shí)別物體，收集環(huán)境信息。作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和發(fā)展的基礎(chǔ)，感知互動(dòng)層涉及的主要技術(shù)包括RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)和控制技術(shù)等。網(wǎng)絡(luò)傳輸層位于整個(gè)體系的中間位置，包括各種通信網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)）形成的融合網(wǎng)絡(luò)，被普遍認(rèn)為是最成熟的部分。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是物聯(lián)網(wǎng)提供無(wú)處不在服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。應(yīng)用服務(wù)層位于整個(gè)體系的最頂部，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛智能化應(yīng)用的解決方案集。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)應(yīng)用服務(wù)層最終實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與行業(yè)的深度融合，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有廣泛影響。應(yīng)用服務(wù)層的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)信息的社會(huì)化共享以及解決信息安全的保障問(wèn)題。全面感知、可靠傳輸、智能處理作為物聯(lián)網(wǎng)的核心能力，分別對(duì)應(yīng)地在物聯(lián)網(wǎng)感知互動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層得到展現(xiàn)。全面感知是指利用RFID、二維碼、攝像頭、傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)等感知、捕獲、測(cè)量的技術(shù)手段隨時(shí)隨地對(duì)物體進(jìn)行信息采集和獲?。豢煽總鬏?是指通過(guò)各種通信網(wǎng)絡(luò)的融合，將物體接入信息網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地進(jìn)行可靠的信息交互和共享；智能處理是指利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量的跨地域、跨行業(yè)、跨部門(mén)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，提升對(duì)物理世界、經(jīng)濟(jì)社會(huì)各種活動(dòng)的變化的洞察力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制。22物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)221射頻識(shí)別技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)7（RFID）是物聯(lián)網(wǎng)感知互動(dòng)層的關(guān)鍵技術(shù)之一，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行雙向通信，對(duì)目標(biāo)對(duì)象加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。它廣泛應(yīng)用于交通、物流、軍事、醫(yī)療和安全等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍的各種產(chǎn)品、物資流動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)、快速、準(zhǔn)確的識(shí)別與管理。典型的RFID系統(tǒng)8由RFID標(biāo)簽（TAG）、RFID閱讀器（READER）、天線、計(jì)算機(jī)4組成，如圖22所示圖22RFID系統(tǒng)圖RFID標(biāo)簽（TAG）又稱(chēng)電子標(biāo)簽、射頻卡或應(yīng)答器，內(nèi)似貨物包裝上的條形碼的功能，記載貨物信息，是RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體。RFID標(biāo)簽是一種集成電路產(chǎn)品，由耦合器和專(zhuān)用芯片組成。RFID閱讀器（READER）又稱(chēng)讀/寫(xiě)器或讀卡器，是讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備。RFID閱讀器可以無(wú)接觸地讀取并識(shí)別RFID標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。天線是將RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息傳遞給閱讀器的設(shè)備。計(jì)算機(jī)用做后臺(tái)控制系統(tǒng)，通過(guò)有線或無(wú)線方式與讀寫(xiě)器相連，獲取電子標(biāo)簽的內(nèi)部信息，對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理并進(jìn)行后臺(tái)處理。RFID系統(tǒng)按其工作頻率可以分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波（MF）4種，如表21所示閱讀器（READER）天線計(jì)算機(jī)標(biāo)簽（TAG）表21RFID工作頻率分類(lèi)表頻段頻率范圍工作原理應(yīng)用特點(diǎn)低頻30300KHZ電磁感應(yīng)識(shí)讀距離短10CM，低沉本高頻330MHZ電磁感應(yīng)識(shí)讀距離短10CM，數(shù)據(jù)量大超高頻300MHZ3GHZ反向散射識(shí)讀距離遠(yuǎn)可達(dá)10CM，速度快微波2458GHZ反向散射識(shí)讀距離遠(yuǎn)，速度快1RFID的工作原理標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)，就能產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的自身編碼信息，閱讀器讀取編碼信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。這樣，讀寫(xiě)器通過(guò)天線可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸地讀取并識(shí)別標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號(hào)的耦合類(lèi)型有兩種（1）電感耦合變壓器模型，通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。（2）電磁反向散射耦合雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。2RFID讀寫(xiě)器RFID讀寫(xiě)器9主要完成車(chē)載卡片與主機(jī)的信息的交換，用于識(shí)別車(chē)輛信息，完成收費(fèi)等一系列動(dòng)作，此部分要求模塊穩(wěn)定度高，靈敏度高，可以實(shí)現(xiàn)2米以上讀卡，讀卡速度可以設(shè)定，至少是10MS，相同ID信息輸出時(shí)間間隔設(shè)定為2分鐘以上，系統(tǒng)可以在很短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)收費(fèi)等系列服務(wù)。RFID讀寫(xiě)器由射頻模塊、讀寫(xiě)模塊和天線構(gòu)成，如圖23所示圖23RFID讀寫(xiě)器結(jié)構(gòu)框圖射頻模塊的主要作用是對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行處理。讀寫(xiě)模塊的主要作用是對(duì)讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽的身份進(jìn)行驗(yàn)證，并控制讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽6之間的通信過(guò)程。222全球定位系統(tǒng)GPS10即全球定位系統(tǒng)（GLOBALPOSITIONINGSYSTEM）利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航。GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成空間部分GPS衛(wèi)星，地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)，用戶(hù)設(shè)備部分GPS信號(hào)接收。GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成（21顆工作衛(wèi)星；3顆備用衛(wèi)星），它位于距地表20200KM的上空，運(yùn)行周期為12H。衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道面上（每個(gè)軌道面4顆），軌道傾角為55。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都電源裝置射頻振蕩器射頻處理器射頻吸收器前置放大器微處理器、存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)接口、時(shí)鐘電路解碼及糾錯(cuò)放大器電源裝置電源射頻模塊讀寫(xiě)模塊其他設(shè)備輔助設(shè)備計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)天線可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息，GPS的衛(wèi)星因?yàn)榇髿饽Σ恋葐?wèn)題，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。地面監(jiān)控部分主要由1個(gè)主控站（MASTERCONTROLSTATION，簡(jiǎn)稱(chēng)MCS）、4個(gè)地面注入站（GROUNDANTENNA）和6個(gè)監(jiān)測(cè)站（MONITORSTATION）組成。如圖24所示數(shù)據(jù)處理器接收機(jī)調(diào)制解器氣象傳感器監(jiān)控站觀測(cè)星歷與時(shí)鐘編算注入導(dǎo)航文字計(jì)算誤差主控站調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)處理機(jī)高功率放大器指令發(fā)生器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和外部設(shè)備注入站銫鐘GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星圖24地面監(jiān)控系統(tǒng)框圖部分主控站是整個(gè)地面監(jiān)控系統(tǒng)的管理中心和技術(shù)中心。主控站主要負(fù)責(zé)收集監(jiān)控站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道。注入站目前有4個(gè)，注入站的作用是把主控站計(jì)算得到的衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文等信息注入到相應(yīng)的衛(wèi)星。注入站同時(shí)也是監(jiān)測(cè)站，另外還有2處監(jiān)測(cè)站，故監(jiān)測(cè)站目前有6個(gè)。監(jiān)測(cè)站設(shè)有GPS用戶(hù)接收機(jī)、原子鐘、傳感器和計(jì)算機(jī)。監(jiān)控站的主要作用是采集GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給主控站。用戶(hù)設(shè)備部分即GPS信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止L1L2S波段角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶(hù)所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶(hù)設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。1GPS的定位原理GPS定位的基本原理7是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖25所示，假設(shè)T時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間T，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式。101212121DVTCZYX22222T3031333DTZ44242424VTCYX（X1,Y1,Z1）衛(wèi)星1衛(wèi)星2（X2,Y2,Z2）衛(wèi)星3（X3,Y3,Z3）衛(wèi)星4（X4,Y4,Z4）XYZ（X,Y,Z）圖25GPS的定位圖上述4個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)X、Y、Z和VT0為未知參數(shù)，DII1、2、3、4分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。I1、2、3、4分IT別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號(hào)到接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。C為GPS信號(hào)的轉(zhuǎn)播速度（即光速）。4個(gè)方程中各個(gè)參數(shù)意義如下X、Y、Z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。而，XI、YI、ZII1、2、3、4分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在T時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求出。VII1、2、3、4分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。VT0為接收機(jī)的時(shí)鐘差。由以上4個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)X、Y、Z和接收機(jī)時(shí)鐘差VT0。223傳感器技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的端部就是傳感器，傳感器11是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。1傳感器的主要特性1分辨率是指?jìng)鞲衅骺筛惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超過(guò)分辨率時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。2靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況傳感器下輸出量變化對(duì)輸入量變化的比值，它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度。但靈敏度愈高，測(cè)量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。第3章車(chē)輛管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本章是在車(chē)輛管理的流程上對(duì)車(chē)輛管理三個(gè)部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，先介紹三個(gè)部分分為信息采集子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)，然后介紹了三個(gè)部分的各個(gè)模塊，以及每個(gè)模塊的功能。31車(chē)輛管理系統(tǒng)構(gòu)架本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛管理系統(tǒng)構(gòu)架主要包括三個(gè)部分信息采集子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)。如圖31所示圖31車(chē)輛管理系統(tǒng)構(gòu)架32信息采集子系統(tǒng)信息采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包含（1）車(chē)輛識(shí)別模塊；（2）圖像監(jiān)控模塊；（3）信息處理模塊。如圖32所示信息采集子系統(tǒng)信息管理子系統(tǒng)信息傳輸子系統(tǒng)圖32信息采集子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)321車(chē)輛識(shí)別模塊車(chē)輛識(shí)別模塊主要由RFID技術(shù)、GPS技術(shù)、收費(fèi)員計(jì)算機(jī)終端組成，它是整個(gè)不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制不停車(chē)收費(fèi)車(chē)道所有設(shè)備的運(yùn)行、收費(fèi)業(yè)務(wù)操收費(fèi)作的管理以及與收費(fèi)站計(jì)算機(jī)的通信和數(shù)據(jù)交換。其主要是當(dāng)收費(fèi)車(chē)輛進(jìn)入到不停車(chē)車(chē)道工作區(qū)后，車(chē)道控制系統(tǒng)的RFID技術(shù)里的天線統(tǒng)稱(chēng)電子標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備向車(chē)道的特定區(qū)域發(fā)出微波信號(hào)，喚醒電子標(biāo)簽；電子標(biāo)簽發(fā)射出本身數(shù)據(jù)信息，如發(fā)卡商發(fā)卡銀行編號(hào)、車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)、車(chē)類(lèi)參數(shù)、電子標(biāo)簽號(hào)等標(biāo)識(shí)信息；車(chē)道控制系統(tǒng)控制電子標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備接收被喚醒的電子標(biāo)簽發(fā)射的數(shù)據(jù)，分析出車(chē)輛的標(biāo)識(shí)信息車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)輛類(lèi)型參數(shù)和人口收費(fèi)站號(hào)；同時(shí)GPS里的地面檢測(cè)系統(tǒng)收集車(chē)輛信號(hào)，GPS的接收器接收信號(hào)進(jìn)行處理后通過(guò)GPS發(fā)送器發(fā)送給手機(jī)接收來(lái)實(shí)現(xiàn)定位從而對(duì)進(jìn)入收費(fèi)車(chē)道的車(chē)輛進(jìn)行電子標(biāo)簽的合法性校驗(yàn)，并根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行下一步操作。322圖像監(jiān)控模塊攝像頭作為RFID讀寫(xiě)器的輔助設(shè)備，可以在繳費(fèi)、登記時(shí)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行監(jiān)控、抓拍，防止在無(wú)人值守情況下發(fā)生車(chē)輛作弊行為。圖像監(jiān)控模塊車(chē)輛識(shí)別模塊信息處理模塊323信息處理模塊攝像頭的圖像以及RFID的電子標(biāo)簽和閱讀器采集的信息是直接從車(chē)載傳感器和GPS裝置獲取數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)。而信息處理模塊采用性?xún)r(jià)比高的微處理器對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行層次化組織管理，對(duì)來(lái)自傳感器和GPS裝置的信息和事件流進(jìn)行加工和預(yù)處理，消除冗余，以減少網(wǎng)絡(luò)流量，提高傳輸?shù)挠行浴Ｍ瑫r(shí)信息處理模塊還肩負(fù)著監(jiān)測(cè)終端傳感器和GPS模塊健康狀況的任務(wù)。當(dāng)傳感器和GPS裝置被惡意拆卸時(shí)，通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置向管理中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)。33信息傳輸子系統(tǒng)信息傳輸子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)出停車(chē)場(chǎng)時(shí)，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可將RFID讀寫(xiě)器對(duì)車(chē)主的射頻卡進(jìn)行的操作以短信或者語(yǔ)音播報(bào)的形式告知車(chē)主，這樣可以將停車(chē)場(chǎng)的收費(fèi)信息、停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位情況、環(huán)境信息及時(shí)傳達(dá)給車(chē)主，讓車(chē)主可以實(shí)時(shí)了解車(chē)輛以及與車(chē)輛收費(fèi)有關(guān)的信息。34信息管理子系統(tǒng)信息管理子系統(tǒng)的主要包含（1）信息管理；（2）收費(fèi)管理。341信息管理信息管理主要包括是信息錄入、信息查詢(xún)。信息錄入主要是對(duì)車(chē)主買(mǎi)車(chē)時(shí)信息進(jìn)行初始化并錄入電腦存檔主要包括小區(qū)編號(hào)、門(mén)牌編號(hào)、車(chē)輛牌號(hào)、車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)主身份、車(chē)主銀行卡。對(duì)于過(guò)往車(chē)輛的車(chē)輛牌號(hào)、車(chē)輛類(lèi)型及所訪問(wèn)業(yè)主進(jìn)行初始化設(shè)定。信息查詢(xún)主要是車(chē)主對(duì)信息進(jìn)行查詢(xún)。342收費(fèi)管理當(dāng)車(chē)輛離開(kāi)高速收費(fèi)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)讀取車(chē)載卡的信息自動(dòng)識(shí)別卡號(hào)，通過(guò)檢索系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)里的信息，查到相應(yīng)的車(chē)輛記錄，界面顯示業(yè)主名、車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)輛照片，以及動(dòng)態(tài)提供的出場(chǎng)時(shí)間，從綁定的銀行卡自動(dòng)扣除費(fèi)用，并通過(guò)綁定的手機(jī)卡將信息以短信的方式告知車(chē)主。若余額不足則系統(tǒng)報(bào)警，車(chē)主可續(xù)存費(fèi)用。第4章車(chē)輛管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本章介紹了以AT89C2051單片機(jī)14為平臺(tái)，基于NRF401射頻芯片的可讀可寫(xiě)式射頻識(shí)別卡12的設(shè)計(jì)思路及工作原理，以及外圍控制器中紅綠燈、顯示屏和欄桿機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路及其相應(yīng)的配套軟件和通信協(xié)議。41硬件設(shè)計(jì)411AT89C2051單片機(jī)性能及串行通信功能1基本特性（1）與MCS51單片機(jī)兼容，含80C51核；（2）片內(nèi)有2KB可重復(fù)編程的FLASH程序存儲(chǔ)器，可擦/寫(xiě)1000次以上；（3）27V60V的寬工作電壓范圍，全靜態(tài)邏輯，工作頻率可為024MHZ；（4）兩級(jí)程序存儲(chǔ)器加密，128字節(jié)內(nèi)部RAM；（5）15條可編程I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；（6）5個(gè)中斷源，1個(gè)可編程全雙工串行口。2器件引腳AT89C2051的引腳圖如圖41所示12345678911021341561781920RSTXDP30T1XAL2T1P32IN0IT10P34T15GNDVCP176P154P132P1AIN102P37圖41AT89C2051的引腳圖P1口AT89C2051精簡(jiǎn)了外部數(shù)據(jù)總線和地址總線，取消了P0口和P2口，因而也不具備尋址外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的能力。它的P1口是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向I/O口。P12P17內(nèi)置了上拉電阻，而P10和P11兩條口線卻沒(méi)有，需要外接上拉電阻。P10和P11分別是內(nèi)部高精度模擬比較器的/輸入端（AIN0/AIN1）。P1口的每個(gè)引腳的輸出緩沖器具有20MA的輸出驅(qū)動(dòng)能力，可直接點(diǎn)亮LED顯示器。與其它51系列單片機(jī)一樣，當(dāng)P1口的引腳作為輸入線使用時(shí)，應(yīng)先對(duì)其寫(xiě)1。P3口AT89C2051的P3口是一個(gè)具有7位的準(zhǔn)雙向多功能口。7條I/O口線是P30P35以及P37。P3口的每一個(gè)也同P1口一樣，具有20MA的輸出驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)其作為輸入口使用時(shí)也應(yīng)先對(duì)它們寫(xiě)1。P3口的全部口線都設(shè)置了內(nèi)部上拉電阻。P3口有5條線具有雙功能，它們是P30/RXD，P31/TXD，P32/，P33/，P34/T0，P35/T1，如表41所示INT0I1表41P3各端口引腳及兼用功能表端口引腳兼用功能P30RXD（串行輸入口）P31TXD（串行輸出口）P32（外部中斷1）0INTP33（外部中斷1）1IP34T0（定時(shí)器0的外部中斷）P35T1（定時(shí)器1的外部中斷）3單片機(jī)串行通信功能利用89C2051單片機(jī)進(jìn)行串行通信時(shí)必須對(duì)有關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，與串行通信有關(guān)的寄存器包括電源控制寄存器PCON在串行應(yīng)用中，該寄存器用于對(duì)SMOD設(shè)置，完成對(duì)波特率是否加倍的設(shè)定。如表42所示表42PCON的格式SMOD中斷允許控制寄存器IE該寄存器完成對(duì)全局中斷和局部中斷的設(shè)定。如表43所示表43IE的格式EAET2ESET1EX1ET0EX0其中EA為CPU中斷允許位1表示CPU開(kāi)中斷；0表示CPU關(guān)中斷。ES為串行口中斷允許位1表示串行口開(kāi)中斷；0表示串行口關(guān)中斷。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制寄存TMOD選擇定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及其工作方式，確定串行通信的波特率。如表44所示表44TMOD的格式GATEM1M0GATEM1M0串行口控制寄存器SCON用來(lái)定義串行口的工作方式，進(jìn)行接收、發(fā)送控制以及監(jiān)視串行口的工作狀態(tài)。如表45所示表45SCON的格式SM0SM1SM2RENTB8RB8T1R1其中SM2為多機(jī)通信1表示允許多機(jī)通信；0表示禁止多機(jī)通信。REN為接收控制1表示允許接收；0表示禁止接收。TB8為發(fā)送數(shù)據(jù)第9位，RB8為接收數(shù)據(jù)第9位，T1為發(fā)送終端標(biāo)志，R1為接收中斷標(biāo)志。SM0、SM1是串行口工作方式13選擇位，可選擇四種工作方式，如表46所示，表中FOSC為單片機(jī)時(shí)鐘頻率。表46串行口工作方式選擇SM0SM1方式功能波特率000同步移位寄存器FOSC/1201110位異步收發(fā)可變10211位異步收發(fā)FOSC/64或FOSC/3211311位異步收發(fā)可變412射頻識(shí)別卡和閱讀器的設(shè)計(jì)NRF40116是挪威NORDIC公司最新推出的單片無(wú)線收發(fā)一體芯片，是目前集成度最高的無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點(diǎn)。NRF401的外圍元件很少，只包括一個(gè)基準(zhǔn)晶振和幾個(gè)無(wú)源器件，基本無(wú)需調(diào)試，這給研制及生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便。本節(jié)研究的射頻識(shí)別卡系統(tǒng)采用AT89C2051單片機(jī)和NRF401射頻芯片作為主要元件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)收發(fā)的硬件電路設(shè)計(jì)。圖42是NRF401的典型應(yīng)用電路，圖中天線接口ANT1和ANT2輸出至印制天線，XC1、XC2是參考振蕩器輸入、輸出端，DIN、DOUT是發(fā)射數(shù)據(jù)輸入和接收數(shù)據(jù)輸出端口，CS是通道選擇端口CS“0”43392MHZCHANNEL1；CS“1”43433MHZCHANNEL2，PWR_UP是電源開(kāi)/PWR_UP“1”P(pán)OWERUPOPERATINGMODE；PWR_UP“0”P(pán)OWERDOWNSTANDBYMODE，TXEN為工作模式選擇端口TXEN“1”發(fā)射模式；TXEN“0”接收模式。C9220PF0603C6100NF0603U1NRF4011234567891020191817161514131211XC1VDDVSSFILT1VC01VC02VSSVDDDINDOUTXC2TXENPWR_UPVSSANT1ANT2VSSVDDCSRF_PWRC71NF0603C1156PF0603C3320PF0603R418K0603C415NF060313K0603R1L1220H0603C122PF0603DINDOUTC1033PF0603C147UF3216PWR_UPC8220PF0603C222PF0603CSY14000MHZ3VR322K0603TXENR247K0603圖42NRF401典型應(yīng)用電路圖43是可讀可寫(xiě)式射頻識(shí)別卡系統(tǒng)的原理圖，既可以作為閱讀器，又可以作為射頻識(shí)別卡，由軟件控制來(lái)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)切換?？紤]到NRF401和單片機(jī)都只有一個(gè)串口，單片機(jī)還要和上位機(jī)相連，所以本方案中用了兩個(gè)單片機(jī)，一個(gè)完成和上位機(jī)的串口通信，另一個(gè)完成和NRF401的串口通信，兩個(gè)單片機(jī)之間直接相連完成數(shù)據(jù)傳遞。下面說(shuō)明可讀可寫(xiě)射頻卡的工作原理。P02PR64K7P05VCCP03RXDP06VCCU5X2504512345678CSSOWPGNDSISCLKRSTVCCRSTP00GNDRXDPR14K7P23U3AT89C20511102054121314151617181923678911RST/VPPGNDVCCXTAL1XTAL2P10/AIN0P11/AIN1P12P13P14P15P16P17P30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P37TXDVCCP0133PFCAPNRF4011234567891020191817161514131211XC1VDDVSSFILT1VC01VC02VSSVDDDINDOUTXC2TXENPWR_UPVSSANT1ANT2VSSVDDCSRF_PWRP06P25GNDP03P24PR34K7WR33PFCAPP02GNDP05U2AT89C20511102054121314151617181923678911RST/VPPGNDVCCXTAL1XTAL2P10/AIN0P11/AIN1P12P13P14P15P16P17P30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P37P07C1601UFP04P24P22P23VCCP25VCCWDTP00VCCRSTA11TUESDAY,MAY06,2014TITLESIZEDOCUMENTNUMBERREVDATESHEETOFPR04K7GNDP32P07GNDTXDVCCWDTP01XTAL110592MGNDP04VCC圖43可讀可寫(xiě)式射頻識(shí)別卡系統(tǒng)原理圖圖43中，X25045是一種集看門(mén)狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM三種功能于一身的可編程電路。X25045中的看門(mén)狗對(duì)系統(tǒng)提供了保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過(guò)設(shè)置時(shí)間時(shí)，也就是說(shuō)，當(dāng)保持“1“或者“0“的時(shí)間大于看門(mén)狗的定時(shí)時(shí)間周期，電路中的看門(mén)狗將通過(guò)RESET輸出高電平信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位。另外，X25045所具有的電壓監(jiān)控功能也可以保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)免受低電壓的影響，它的正常工作電壓是45V55V和單片機(jī)共用，如果電源電壓低于45V并持續(xù)200MS，則RESET就輸出高電平復(fù)位單片機(jī)，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。發(fā)送過(guò)程上位機(jī)把要發(fā)送的數(shù)據(jù)送給電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)電平變換后，送給第一個(gè)單片機(jī)U2的P30RXD引腳，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)U2處理后，送給單片機(jī)U3，從串行口P31TXD引腳送出去，然后，數(shù)據(jù)通過(guò)NRF401的DIN引腳，進(jìn)入到射頻芯片內(nèi)部，經(jīng)過(guò)FSK調(diào)制，通過(guò)印刷天線發(fā)射出去。接收過(guò)程天線接收到數(shù)據(jù)，送到NRF401芯片內(nèi)部完成解調(diào)后，數(shù)據(jù)通過(guò)NRF401的串行口DOUT送給單片機(jī)U3的P30（TXD）,U3接收數(shù)據(jù)后，把它送給單片機(jī)U2，單片機(jī)U2再通過(guò)串行口P31TXD，把數(shù)據(jù)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送上位機(jī)。當(dāng)然在應(yīng)用中，如果作為射頻識(shí)別卡來(lái)使用，可以把卡號(hào)、車(chē)型、牌照、用戶(hù)余額、入口車(chē)站編號(hào)、出口車(chē)站編號(hào)等數(shù)據(jù)存入片內(nèi)存儲(chǔ)器，此時(shí)只要用一個(gè)單片機(jī)即可完成與閱讀器的通信。42軟件設(shè)計(jì)從射頻識(shí)別卡中提取數(shù)據(jù)（射頻識(shí)別卡的卡號(hào)）后，把數(shù)據(jù)送往上位機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出本次收費(fèi)額，下傳到LED進(jìn)行顯示；同時(shí)把處理后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制字，來(lái)控制紅綠燈和提桿機(jī)準(zhǔn)確動(dòng)作。為此，本論文設(shè)計(jì)了相應(yīng)配套軟件及通信協(xié)議。硬件部分以AT89C2051為設(shè)計(jì)核心，從上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)后，進(jìn)行軟件的相應(yīng)處理，處理完畢送數(shù)碼管顯示收費(fèi)額，同時(shí)送控制字到繼電器，繼電器控制紅綠燈和提桿機(jī)的動(dòng)作。421外圍控制器軟件的分析與實(shí)現(xiàn)在AT89C2051單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)可以以直接傳送或應(yīng)答握手的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但由于握手方式占用其他的端口，而單片機(jī)的端口數(shù)量有限，同時(shí)由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，本論文中計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信采用直接傳送的方式，下面將重點(diǎn)介紹。單片機(jī)AT89C2051的串行端口有4種工作方式，通過(guò)編程設(shè)計(jì)，可以使其工作在任一方式。單片機(jī)串行通信的波特率可以程控設(shè)定，在不同的工作方式下，由時(shí)鐘頻率的分頻值或定時(shí)器T1的溢出率確定。單片機(jī)的串行端口有兩個(gè)控制寄存器，用來(lái)設(shè)置工作方式、發(fā)送或接收的狀態(tài)、特征位、數(shù)據(jù)傳送的波特率以及中斷標(biāo)志TI和RI。單片機(jī)可以采用查詢(xún)方式或中斷方式實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳送。在查詢(xún)方式下，單片機(jī)循環(huán)對(duì)數(shù)據(jù)寄存器SBUF進(jìn)行讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；在中斷方式下，對(duì)方式1、2來(lái)說(shuō)，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完后，TI/RI自動(dòng)置1，請(qǐng)求串行中斷，若CPU響應(yīng)中斷，則執(zhí)行中斷服務(wù)程序，并把TI/RI清0以再次響應(yīng)中斷。對(duì)在方式2、3下的接收，還要視串口控制寄存器SCON的設(shè)置才可確定RI是否被置位以及串口中斷是否開(kāi)放。查詢(xún)方式直接，易于理解，但占用大量CPU時(shí)間。實(shí)時(shí)控制中，由于事件的突發(fā)性，常采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，中斷方式能更大限度地提高資源的利用率，使CPU在不進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)做其他工作。在此，由于事件的偶然性和要求傳送的實(shí)時(shí)性，故采用中斷方式來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸。下面介紹單片機(jī)在方式1下的中斷方式編程。方式1是10位異步通信方式，其中包括1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位。波特率由定時(shí)器T1的溢出率和串口控制寄存器SMOD的狀態(tài)決定。在串行口工作于方式1，同時(shí)定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器工作于方式2時(shí)，確定定時(shí)器的初值常采用如式41的計(jì)算公式17（41）V384TK256THOSC1其中，TH1就是要對(duì)定時(shí)器1設(shè)定的初始值，必須為整數(shù)，如果TH1不能取整，產(chǎn)生的波特率可能不理想，此時(shí)，必須選擇另外一種晶振頻率。是晶OSCT振頻率，V為波特率。K的值這樣確定當(dāng)SMOD1時(shí)，K2；當(dāng)SMOD0時(shí)，K1。在晶振為110592MHZ時(shí)，波特率常采用9600B/S，如果K1，可計(jì)算出2530FDH。1TH單片機(jī)的串行端口有一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器SBUF，該寄存器為發(fā)送和接收所共有，在一定條件下，向SBUF寫(xiě)入數(shù)據(jù)就啟動(dòng)了發(fā)送進(jìn)程，讀SBUF就啟動(dòng)了接收進(jìn)程。對(duì)SBUF進(jìn)行寫(xiě)操作就可以啟動(dòng)發(fā)送，在發(fā)送位移時(shí)鐘的同步下，從TXD先送出起始位，然后是8位數(shù)據(jù)位，最后是停止位，這樣一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完，中斷標(biāo)志TI置位。在允許接收的條件下（REN1），當(dāng)RXD出現(xiàn)由1到0的負(fù)跳變時(shí)，即被當(dāng)成是串行發(fā)送來(lái)的一幀數(shù)據(jù)的起始位，從而啟動(dòng)一次接收進(jìn)程。當(dāng)8位數(shù)據(jù)接收完，并檢測(cè)到高電平停止位后，即把收到的8位數(shù)據(jù)裝入SBUF，置位RI，一幀數(shù)據(jù)的接收過(guò)程就完成了。下面是單片機(jī)以方式1在直接傳送下的中斷接收和發(fā)送程序。由于沒(méi)有使用通信握手，所以通信雙方都應(yīng)作好通信準(zhǔn)備。在計(jì)算機(jī)接收、單片機(jī)發(fā)送時(shí)，由計(jì)算機(jī)先發(fā)送字母AA，通知單片機(jī)已準(zhǔn)備好，然后上位機(jī)處于等待狀態(tài)；當(dāng)單片機(jī)接收到AA時(shí)，向計(jì)算機(jī)發(fā)送Y，表示單片機(jī)也準(zhǔn)備好了，這樣，一旦計(jì)算機(jī)接收到Y(jié)就表示雙方都已經(jīng)準(zhǔn)備好了，二者之間就可以交換數(shù)據(jù)了。在計(jì)算機(jī)發(fā)送、單片機(jī)接收時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，單片機(jī)響應(yīng)中斷，接收數(shù)據(jù)。單片機(jī)程序具體實(shí)現(xiàn)通信過(guò)程的流程圖如圖44所示。圖44單片機(jī)與上位機(jī)通信的軟件實(shí)現(xiàn)開(kāi)始初始化等待中斷接收數(shù)據(jù)ACC聯(lián)絡(luò)標(biāo)志是1是AA嗎會(huì)送“Y”聯(lián)絡(luò)標(biāo)志位置1是控制幀結(jié)束是費(fèi)用幀結(jié)束接收數(shù)據(jù)中斷返回中斷返回結(jié)束是是否是是否是是否是是否是是是是是是是是部分代碼如下ORG0000HAJMPSTARTORG0023H；串行口中斷入口LJMPSERIORG0100HSTARTMOVTMOD,20H；設(shè)置定時(shí)器1為方式2MOVPCON,00H；使TMOD0MOVTL1,0FDHMOVTH1,OFDH；設(shè)置波特率為9600B/SSETBEA；全局開(kāi)中斷CLRET1；關(guān)T1中斷SETBES；開(kāi)串口中斷SETBTR1；開(kāi)定時(shí)器中斷CLR71HMOVSCON,50H；串行方式1，允許接收MOVR1，51HSJMPSERIJNBTI,RXDINT；判斷是否發(fā)送中斷CLRTI；TI1，清發(fā)送中斷標(biāo)志SJMPSENDRETIRXDINTJNBRI,ENDTRCLRRI；清除接收中斷標(biāo)志MOVA,SBUF；串口接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送AJB71H,DATACJNEA,AAH,ENDTR；是否接到AA,如果不是等待MOVSBUF,A；接到AA,發(fā)送YSETB71HSJMPENDTRDATACJNEA,4DH,NEXT；是否接到”紅綠燈結(jié)束標(biāo)志”，若沒(méi)有轉(zhuǎn)到NEXTMOVR1,51H；如果接到結(jié)束標(biāo)志,回到51HDATASAVEMOVR1,AINCR1SENDMOVA,R0；R0為要發(fā)送的數(shù)據(jù)存放的地址MOVSBUF,AJNBTI,CLRTIINCR0ENDTRRETIEND422數(shù)碼管、紅綠燈顯示的軟件分析與實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的個(gè)位、十位和百位的顯示分別由單片機(jī)的P32，P33，P35腳來(lái)控制片選，紅綠燈由P34腳來(lái)控制，同時(shí)P37腳用來(lái)向SN74HC377鎖存器發(fā)送啟動(dòng)脈沖。單片機(jī)從上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)放在以51H開(kāi)始的內(nèi)存單元中，由于控制數(shù)碼管和紅綠燈的通信幀協(xié)議不一樣，所以這些數(shù)據(jù)在向鎖存器送之前，還要進(jìn)行判斷，從而發(fā)送相應(yīng)控制字。部分程序如下BEGINMOVA,51HCJNEA,3DH,NEXT2；半段協(xié)議幀的字頭SETB7AHSJMPDONEXT2CJNEA,3AH,BEGINCLR7AHDOJB7AH,FEIYONG；如果7AH中的內(nèi)容是1，說(shuō)明接收的數(shù)據(jù)幀是費(fèi)用幀MOVP1,00H；如果是0，說(shuō)明是紅綠燈控制幀F(xiàn)EIYONGMOVA,51H；51H中存的是收費(fèi)額數(shù)據(jù)幀或紅綠燈控制字幀的字頭CJNEA,3DH,BB；如果不等，字頭可能是紅綠燈控制字頭ACALLNOP7；7個(gè)空操作SJMPDIG；送出52H和53H中的數(shù)據(jù)BBCJNEA,3AH,BEGIN；如果不是紅綠燈控制字字頭，轉(zhuǎn)BEGINCLR7AH；如果是紅綠燈控制字，7AH中內(nèi)容為0（標(biāo)志）NOPLJMPRGYDIGMOVA,52；52H中存放的是數(shù)碼管的具體顯示數(shù)據(jù)（個(gè)位）ANLA,0FHMOVDPTR,DIGLEDMOVCA,ADPTRMOV32H,AACALLSE2NOPNOPMOVA,53H；53H中存放的是數(shù)碼管的具體顯示數(shù)據(jù)（十位）ANLA,0FHMOVDPTR,DIGLEDMOVCA,ADPTRMOV33H,AACALLSE3NOPNOPLJMPBEGINRGYMOVA,52H；52H中存放