基于電力載波和RFID技術(shù)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(jìn)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(jìn)行通信，通過LCD或LED進(jìn)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(yù)先存儲于電子標(biāo)簽中。

　　標(biāo)簽閱讀器用于讀取到站車輛電子標(biāo)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(jìn)行載波調(diào)制后耦合進(jìn)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(fù)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(biāo)簽閱讀器獲得到站車輛的編碼信息，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(biāo)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(dāng)公交車到達(dá)某站時，點亮與該站對應(yīng)的刻度線上的LED，離站時則關(guān)閉對應(yīng)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(yīng)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(dá)本站的時間。如果在預(yù)定的時間內(nèi)不能到達(dá)，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(dāng)前位于某站或哪兩個站間什么位置，下一時刻應(yīng)該到達(dá)何處，如果在預(yù)期的時間內(nèi)不能到達(dá)，便知道發(fā)生了阻車，視情況進(jìn)行調(diào)度安排。這些信息可以通過LED車位指示屏或PC機進(jìn)行直觀顯示。

　　為避免過站車輛間電子標(biāo)簽所發(fā)信息的沖突，使用具有防沖突算法的電子標(biāo)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(jìn)行編碼，得到各種車的編碼信息，將編碼信息存儲于電子標(biāo)簽中，電子標(biāo)簽裝或貼于相應(yīng)的公交車上。

　　2 算法設(shè)計

　　如圖1所示，當(dāng)裝或貼有電子標(biāo)簽的車輛到達(dá)站i時，將收到站裝置中的標(biāo)簽閱讀器發(fā)出的射頻信號，從而激活車載電子標(biāo)簽，激活后的電子標(biāo)簽便將預(yù)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(jìn)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(yīng)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(dāng)該車離開本站（站i的標(biāo)簽閱讀器不再讀該車電子標(biāo)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(jìn)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(dāng)上游站i發(fā)出的車輛到站（到達(dá)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(yīng)的LED車位指示屏，根據(jù)站編碼信息選擇相應(yīng)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(dāng)上游站i發(fā)出車輛離站（離開站i）信息傳輸?shù)竭_(dá)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(yīng)的LED車位指示屏，根據(jù)站編碼信息選擇相應(yīng)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(yīng)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(dá)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(dá)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(jìn)行顯示，以便于進(jìn)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(biāo)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(fù)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(jìn)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(fù)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(yuǎn)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(dāng)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(biāo)簽的命令是否送出，當(dāng)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(biāo)簽沖突，當(dāng)有多張卡/標(biāo)簽進(jìn)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?biāo)簽數(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(biāo)簽成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液晶顯示器與車載GPS接收機，故其是一種經(jīng)濟(jì)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(dá)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。