3基于物联网的智能交通控制系统设计doc.docx
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3基于物联网的智能交通控制系统设计doc
摘要
本文主要是针对智能交通系统的一个子系统——公交车自动报站系统进行设计。
该设计主要应用了RFID（射频识别）技术。
系统由本地模块和网络模块组成，本地模块主要由电子标签、阅读器、单片机、语音播放及电子显示屏组成；网络模块主要由网关及上位机组成。
整个系统的工作原理是当携带阅读器的公交车通过装有电子标签的公交站点时，识别出相应的站点信息传送给单片机并通过网关利用网络传输到公交监控中心。
同时单片机解码后播放并显示站点信息，解决了公交车不能自动报站及公交监控中心不能实时得到公交车到站信息的问题。
关键词：
物联网智能交通RFID自动报站
Abstract
Thisarticleisasubsystemforintelligenttransportsystems-designedbusautomaticstationsystems.ThedesignofthemainapplicationsofRFID（radiofrequencyidentification）technology.Systemconsistsofalocalmoduleandnetworkmodule,localmoduleoftheelectronictags,readers,SCM,voicebroadcastandelectronicdisplaycomposition;networkmoduleofthegatewayandthehostmachine.Whenthesystemworksisthatwhenthebuscarryingthereaderthroughthebusstationequippedwithelectronictagstoidentifytheappropriatesiteinformationtransmittedtothemicrocontrolleranduseofthetransmissionnetworkthroughagatewaytothebusmonitoringcenter.Atthesametimethemicrocontrollerdecodeandplaybackanddisplaystationinformation,tosolvetheproblemisnotautomaticallythebusstopsandbusmonitoringcentercangetreal-timebusarrivalinformation.
KeyWords：
TheInternetofthingsIntelligentTransportationRFIDAutomaticstation
摘要……………………………………………………………………………………I
Abstract…………………………………………………………………………………II
目录…………………………………………………………………………………
引 言……………………………………………………………………………………1
1绪论………………………………………………………………………………………3
1.1课题研究目的和意义…………………………………………………………………3
1.2课题研究背景和现状…………………………………………………………………3
1.3课题研究内容和结构…………………………………………………………………3
2RFID模块设计……………………………………………………………………………5
2.1射频识别技术…………………………………………………………………………5
2.2射频识别选型…………………………………………………………………………6
2.3射频识别模块设计……………………………………………………………………9
3硬件电路设计…………………………………………………………………………10
3.1单片机的选择………………………………………………………………………10
3.2语音播放硬件的选择………………………………………………………………11
3.3LED显示屏幕的选择…………………………………………………………………13
3.4系统电路原理图……………………………………………………………………14
4网络传输模块设计…………………………………………………………………15
4.1网络的选择…………………………………………………………………………15
4.2网关的选择…………………………………………………………………………15
4.3上位机的选择………………………………………………………………………17
5软件程序设计………………………………………………………………………20
5.1主程序流程图设计…………………………………………………………………20
5.2语音播放流程图设计………………………………………………………………21
5.3屏幕显示流程图设计………………………………………………………………21
结 论…………………………………………………………………………………23
致谢…………………………………………………………………………………24
参考文献…………………………………………………………………………………25
引言
对于人们来说，衣食住行是生活中不可或缺的元素。
行更是人们互相往来的重要途径。
随着社会的日益发展，科学技术的不断进步，发达城市的人流也越来越密集。
随之而来的是一些交通问题：
私家车越来越多，不断完善的道路建设并不能满足城市的道路拥堵问题。
当出现的问题越来越多，交通控制系统也正在一步步向智能化、自动化发展。
国内外更是针对智能交通系统进行深入的研究与实现。
比如：
IPA车牌图像自动泊车系统、ETC不停车收费系统、公交车自动报站系统等等。
我们的出行方式有很多：
公交、地铁、私家车、自行车、电动车等等，而公交和地铁更是政府鼓励的出行方式，也是更多人所选择的。
不仅仅是因为价格便宜、环保。
更多的是减少了私家车的出行而避免拥堵，以便减少出行路途上的时间。
很多城市还没有地铁，与此同时，公交车的作用更显得尤为重要。
在我们的日常生活中，最重要的代步工具就是公交车了。
尤其是在城市中，公交车更是不可或缺的一部分，乘坐公交车不仅减少交通拥堵，更为环境的保护增添一份贡献。
每当公交车在到达任何一个站点时候，都要播放或显示所到达的站点信息，以便乘客到站下车。
然而当前使用的公交车报站系统的自动化程度还不够全面，以至于需要司机手动按键进行报站。
人工操作不仅浪费时间，往往会疏忽而漏报站导致乘客不能及时收到到站信息。
同时如遇突发状况公交监控中心不能实时得到公交车所在有效信息。
在网络普及的今天，公交车也需要通过物联网来完善整个城市交通系统。
本文主要就是对智能交通系统中的子系统——公交车自动报站系统进行设计。
绝大多数的人们都坐过公交车，而我们在公交车上总会注意到一个问题：
听报站。
熟悉地理位置的人们可能不需要聆听报站就能知道所在位置，然而还有很多对此处陌生的人们，他们只有得到公交车所报站点的信息才能知道此时所在。
与此同时还会有很多意外情况：
比如说司机忘记了按键报站，此时乘客就不知道所到站点，不知道什么时候应该下车，导致坐过站或未到站下车。
这不仅给乘客带来了麻烦，耽误了乘客的时间，同时也为公交系统增添了负担。
还有一个重要的问题就是有的时候公交车遇到突发状况：
车辆故障、与他车发生事故等等，此时公交司机只能把车停在事发场地等候，这样就严重影响了正常行驶的车辆并极有可能导致当地的拥堵。
我认为造成以上问题有两个：
当前公交车自动报站为人为按键报站；公交车监控中心不能及时到达车辆所在位置以至于公交车停在道路上时间过长。
本文正是基于以上两个问题进行设计：
利用RFID（射频识别）技术实现自动报站，将电子标签安装在公交站牌上，当带有阅读器的公交车进入车站后自动识别到电子标签的信息后，传输到单片机通过解码进行语音报站与显示。
这样一来，公交车司机不用做任何事情，只需要认真开车就可以了，乘客也能准确的接收到到站信息准备下车。
与此同时单片机将信息利用网络通过网关传输到公交监控中心。
这样一来，当公交车遇到突发状况不能移动时，公交监控中心可以及时查询到公交车大致地理位置赶去营救。
1绪论
1.1课题研究目的和意义
研究目的：
充分的发挥物联网技术在现代的交通中的作用，保证交通内的车辆实现细致化的管理，给交通运行智能化、自动化、高科技化、安全性创造条件，为用户提高更方便、更迅捷的交通。
研究意义：
社会随着经济的发展，城市的车流量急剧增加。
采用合适的控制方法，最大限度的利用城市道路，缓解道路的交通阻塞状况。
1.2课题研究背景和现状
智能交通控制系统的研究和推进在我们国家还处于起步阶段，但是ITS的重要性已经得到了国家相关部门的高度重视，其中“十二五”的规划更加突出了物联网智能交通的地位。
而且当前的智能交通领域，走在我国前列的城市是北京和广州。
北京市的智能交通系统的建设已经取得了初步的成果，其中公共交通管理的规划中：
在动物园地区建成了公交枢纽的运营管理和乘客信息服务系统，公交区域运营组织与调度系统，BRT智能管理系统和公交抢修救援调度系统。
针对公交车报站系统，更是有着举足轻重的作用。
从以前的售票员口语报站到现在的人工按键电子语音报站，更是见证了我国交通控制系统的飞速发展。
当前公交车采用的报站系统具有语音和电子屏显示的基本功能，主要有两种设计系统：
GPS（全球定位系统）自动报站系统。
现在在一些城市已经在使用，价格昂贵且只是处于试验阶段，并且已经发现此系统的一些不足，比如树木遮挡、阴雨问题等接收不到GPS信号，就需要其他辅件来帮助定位。
它的原理是通过GPS技术确定地理位置，再自动报出车辆所在站名并且可以监控到公交地理信息。
还有一种是基于单片机的车路自动报站系统，主要是利用单片机AT89C51为CPU在中断处理程序中对外来脉冲计数，利用语音单元ISD4004和LED显示屏来实现报站。
主要用法就是公交车司机手动加减按键即可报站。
如果在使用中出现错报，手动调整就可以了。
此设计价格低廉操作简单自动化程度高。
但是在增加站台或者改变线路等其他情况时，后期修改程序就比较复杂。
尤其是遇到突发情况的时候该系统很可能不能正常运作并且无法监控到公交所在地理信息。
本文设计正是基于已有方案进行设计，既避免了GPS接收不到信号，又免去人工手动操作报站，同时还能监控到公交车地理信息。
1.3课题研究内容和结构
随着城市现代化程度的提升和人口数目的增长，交通拥堵成为城市交通一大难问题，人们在弃私家车改乘公交的同时，对公共交通系统的质量提出了更高的需求，公交车作为交通系统的重要组成部分必须从安全性，便捷性，舒适性，节能环保等方面进行完善。
然而现在的公交报站设施已经不能完全满足公众的需求。
在人们乘坐公交车的时候，公交车司机每到一站都需要人为按键报站，由于人为的疏忽，常常忘记按键或不按键报站，给很多乘客带来不便。
即使有售票员报站，也会因为有地方口音而使外来乘客带来不必要的误解。
同时若公交车遇到突发状况：
车辆故障、与他车发生事故等等，此时公交司机只能把车停在事发场地等候，这样就严重影响了正常行驶的车辆并极有可能导致当地的拥堵。
本文正是基于以上几个问题进行设计：
这个系统的组成部分有RFID模块，控制核心单片机，语音播放与显示单元和网络传输与接收等四个部分。
RFID模块是由电子标签和阅读器组成，电子标签安放在公交站牌上，阅读器放置在公交车上与控制核心单片机和网关相连。
当带有阅读器的公交车进入车站后自动识别到电子标签的信息后，传输到单片机通过解码进行语音报站与显示。
如此一来，公交车司机不用做任何事情，只需要认真开车就可以了，乘客也能准确的接收到到站信息准备下车。
与此同时单片机将信息利用网络通过网关传输到公交监控中心。
假如当公交车遇到突发状况不能移动时，公交监控中心也可以及时查询到公交车大致地理位置赶去营救。
系统的工作原理图如图1
图1系统工作原理图
2RFID模块
2.1射频识别技术
现实生活中，我们会碰到很多信息和数据。
这些信息和数据种类繁多，有农业的、医疗的、工业的、军事的、天气气候的、财务金融的等等。
我们通过采集和分析这些信息和数据调整我们的生活方式，使生活更加舒适、更加适合于我们。
不然的话，我们的决定和计划都将是纸上谈兵，没有任何现实基础，最后肯定走向失败。
所以在这个信息化的时代，采集信息和数据变得异常重要。
在早期时候，好多信息和数据都是用古老的方法，即做笔记记录，用人工来收集的。
财务工作有专门的记账人员，工农业工作也是用人工24小时的做记录，科研实验需要时刻有人盯着。
这种方法有很多缺陷，投入的人力大，劳动强度大，而且收集的数据误差很大，这也就失去了数据本身的参考价值。
到了后来随着人类的努力，计算机的广泛使用，各种各样自动识别技术的探索，渐渐的采集数据的工作变得越来越不需要人力。
不仅用的人少了，而且数据的可靠性和实时性也提高了，从而数据的参考价值也就提升了。
自动识别技术就是运用特殊制造的自动识别装置，通过目标物体的外部特征自动识别物体的有关信息，并把这些信息实时地传送到计算机的信息处理系统进行数据的分析和计算。
所以自动识别技术是以计算机技术和通信技术为根本基础的多学科多领域交叉的综合性学科。
自动识别技术的发展在近十几年是最为活跃迅猛的，它涉及的学科范围有通信、物理、光、机电、磁、计算机等高新学科技术。
自动识别技术的应用有条码识别，光学字符识别，生物识别，射频识别等。
其中在物流和供应链方面应用最突出的是射频识别——RFID。
RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术，识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下：
短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。
其所具备的独特优越性是其它识别技术无法企及的。
主要有以下几个方面特点：
1．读取方便快捷：
数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。
有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上；
2．识别速度快：
标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别；
3．数据容量大：
数据容量最大的二维条形码（如QR码），实际也最多只能存储2K字节的数据；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数十K；
4．使用寿命长，应用范围广：
其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码；
5．标签数据可动态更改：
利用编程器可以向写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更少；
6．更好的安全性：
不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性；
7．动态实时通信：
标签以与每秒50----100次的频率与解读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。
2.2射频识别选型
射频识别模块主要有两个部分组成：
电子标签和阅读器。
电子标签又叫做射频标签、应答器、数据载体；阅读器又叫做读卡器、扫描器、读头、读写器。
射频识别技术从不同的方面可以分为多种类型。
电子标签（即射频卡）：
电子标签里面存储着我们需要识别的信息，每一个电子标签都是与众不同的的，它们有着不同的ID号，安放在要识别的物体上，阅读器可以不接触电子标签就能读写到电子标签的信息。
电子标签由耦合元件及芯片组成，包括内置天线，可以和射频天线之间进行通信。
电子标签还可以分成为有源和无源两种电子标签。
无源电子标签就是说在阅读器的阅读范围之外没有自己的供电电源，处于无源状态。
只有在阅读器的识别范围内，它们才能通过阅读器发送的射频中获得电源。
还有一种是有源电子标签，有源电子标签就是有自己有供电电源，一些电路一直都处于工作状态，或者说是休眠状态，当阅读器靠近电子标签到可以识别的范围内，电子标签开始工作，供阅读器阅读到电子标签内的信息。
有源电子标签的功耗非常小，一块很小的纽扣电池就可以供它使用很长时间。
电子标签最小电路原理图如图2所示：
图2电子标签最小电路原理图
阅读器：
阅读器是射频识别模块当中不可缺少的一个组成部分。
阅读器的功用非常多，阅读器可以把需要识别的数据写入电子标签，也可以识别电子标签内已有的数据信息；它还可以和计算机网络互相传输信息等等。
阅读器分为很多种不同的工作频率，根据工作频率的不同，识别电子标签的距离范围也是不同的。
阅读器主要由三个部分组成：
RF模块、控制电路和外围电路。
它们分别有自己不同的功用：
RF模块可以通过天线来识别电子标签；控制电路负责各硬件功能的正常工作；外围电路则由多个电路组成：
LCD显示、电源电路、RS232接口等等。
阅读器最小电路原理图如图3所示：
图3阅读器最小电路原理图
通过射频识别的工作原理可以分为两种：
电磁感应和电磁传播模型。
电磁感应模型是说电子标签和阅读器通过电磁感应定律来实现耦合，电磁传播模型是说当阅读器到达识别范围内发射一个电磁波，碰到电子标签后反射回信息，阅读器根据这个信息来识别电子标签。
通过电子标签的能否自我供电可以把射频识别分为有源、无源、半有源系统。
读写器和电子标签发生的射频信号的耦合有电感耦合和磁反向耦合：
1、电感耦合：
利用变压器的模型，根据电磁感应定律，实现耦合是通过空间高频交变磁场。
电感耦合方式适合用在比较近的距离的射频识别系统，是在中、低频工作的。
典型的工作频率有：
125kHz、225kHz和13.56MHz，识别作用距离小于1m，典型作用距离为10--20cm。
2、磁反向散射耦合：
利用雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到电子标签后携带信息反回，使用的是电磁波的空间传播规律。
磁反向耦合：
适用于远距离射频识别系统，是在高频、微波工作的。
典型的工作频率有：
433MHz、945MHz、2.45GHz和5.8Gl-lz。
识别作用距离通常大于1m，典型作用距离一般为3～10m。
通过以上论述，基于公交车自动报站系统的实际需要，本次设计决定采用有源、电磁传播模型、主动式、微波射频识别系统。
因为公交车要识别公交站牌时识别距离应该在10m以内，对功率要求偏高。
所以我选择了工作频率为900MHZ的电子标签和900MHZ的RFID阅读器。
2.3射频识别模块设计
本模块的基本原理就是通过电磁传播来自动识别电子标签。
我们使用的是有源电子标签，电子标签的作用就是向阅读器传输自身的数据信息。
有源电子标签是由电子芯片、感应线圈、电池等组成。
首先我们需要像电子标签输入我们所需要的站点信息，并且将电子标签安装在站牌内侧，因为标签是长期暴露在户外，所以我们应该选择更稳固的包装方式来预防风吹雨淋。
阅读器我们选择的是900MHZ的RFID阅读器，当携带阅读器的公交车驶入公交车站，阅读器就可以通过自带的天线就会自动识别到电子标签的信息并带回。
此时阅读器对接收到的数据信息通过单片机进行解码并及时传送到后台公交信息处理系统。
到这里就达到了射频识别的最终目的。
射频识别的基本模型如图4所示：
图4射频识别基本模型
3硬件电路设计
3.1单片机选择
单片机由于它的控制能力强、可靠性高、可用资源丰富和成本低等诸多优异性使得其应用范围非常广泛。
单片机应用范围从航空航天、航母船只、导弹武器等国家产业到汽车电子、医疗控制、农畜自动化等民用产业。
航空航天、航母船只、导弹武器等国家产业代表着一个国家的国际地位，让国家有能与世界列强公平竞争的资本，让本国民众有自豪感。
汽车电子、医疗控制、农畜自动化等民用产业是日常生活所不可或缺的，使日常生活更加舒适，让人们从繁琐的劳动解脱。
从这些方面我们可以间接的看出，单片机的作用、功能和它的重要性。
单片机的内部可用资源除了根据不同的应用需求而特殊定制的特别功能外，在大体上是一样的。
单片机内部资源总体来说非常丰富，包括定时/计数器、特殊功能寄存器、中央处理器（CPU）、数据存储器、程序存储器、串行接口、中断资源、数据端口和地址端口。
在实际应用中这些资源非常有用。
使用者通过可以编写应用程序让单片机工作，程序可以用硬件描述性的汇编语言也可以用C51的C语言编写，只要使用的集成软件开发环境支持就可以。
单片机中可以利用中央处理器完成简单的算法处理，用于信息的编解码处理；数据存储器中可以存储用户需要用到的表格等固定信息和算法的中间结果等临时信息；一般的单片机内部都有两个定时/计数器，定时器一般用于控制串口的波特率，计数器用来对外部的波形脉冲计数；数据端口和地址端口一般联合起来用于扩展外部接口，可以扩展存储器、键盘设备、中断设备等；串口接口用于串行数据传输、多机或点对点的单片机通信；中断资源是非常有用的用于实施处理内外部中断事件的系统；特殊功能寄存器中用来设置其它内部资源的工作方式或模式。
在本设计中采用AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51提供以下标准功能：
4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C51单片机引脚图如图5所示：
图5AT89C51单片机引脚图
AT89C51用串口与射频识别的阅读器通过ICL232进行通信，同时接收阅读器的数据。
AT89C51数据端口和地址端口的作用是扩展语音存储播放单元。
3.2语音播放硬件选择
这一块需要预先存储各个站点的语音信息，并能够驱动语音播放器即喇叭的器件。
根据前端单片机传送过来的指令数据选取相应存储单元的站点信息并驱动喇叭播放当前公交车要到达的站点名字。
ISD4004系列芯片包括了振荡器、防止混淆滤波器、平滑波形滤波器、音频功率放大器、自动降低噪声及高密度多电平闪烁存储单元阵列。
工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。
芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口送入。
芯片制造工艺技术是CMOS技术，采取多电平模拟量直接存储的设计，所以播放出的语音、音调、都非常真实、自然、失真程度小，避免了一般固
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