基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通控制系統(tǒng)設計

1、 摘 要本文主要是針對智能交通系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)公交車自動報站系統(tǒng)進行設計。該設計主要應用了RFID（射頻識別）技術。系統(tǒng)由本地模塊和網(wǎng)絡模塊組成，本地模塊主要由電子標簽、閱讀器、單片機、語音播放及電子顯示屏組成；網(wǎng)絡模塊主要由網(wǎng)關及上位機組成。整個系統(tǒng)的工作原理是當攜帶閱讀器的公交車通過裝有電子標簽的公交站點時，識別出相應的站點信息傳送給單片機并通過網(wǎng)關利用網(wǎng)絡傳輸?shù)焦槐O(jiān)控中心。同時單片機解碼后播放并顯示站點信息，解決了公交車不能自動報站及公交監(jiān)控中心不能實時得到公交車到站信息的問題。關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 智能交通 RFID 自動報站AbstractThis article is a subsys

2、tem for intelligent transport systems - designed bus automatic station systems. The design of the main applications of RFID (radio frequency identification) technology. System consists of a local module and network module, local module of the electronic tags, readers, SCM, voice broadcast and electr

3、onic display composition; network module of the gateway and the host machine. When the system works is that when the bus carrying the reader through the bus station equipped with electronic tags to identify the appropriate site information transmitted to the microcontroller and use of the transmissi

4、on network through a gateway to the bus monitoring center. At the same time the microcontroller decode and play back and display station information, to solve the problem is not automatically the bus stops and bus monitoring center can get real-time bus arrival information. Key Words：The Internet of

5、 things Intelligent Transportation RFID Automatic station目 錄摘 要IAbstract II目 錄III引言11 緒論31.1課題研究目的和意義31.2課題研究背景和現(xiàn)狀31.3 課題研究內(nèi)容和結構32 RFID模塊設計52.1 射頻識別技術52.2 射頻識別選型62.3 射頻識別模塊設計93硬件電路設計 103.1 單片機的選擇 103.2 語音播放硬件的選擇113.3 LED顯示屏幕的選擇133.4 系統(tǒng)電路原理圖 144 網(wǎng)絡傳輸模塊設計154.1 網(wǎng)絡的選擇 154.2網(wǎng)關的選擇154.3 上位機的選擇 175 軟件程序設計20

6、5.1 主程序流程圖設計205.2 語音播放流程圖設計 215.3 屏幕顯示流程圖設計21結論 23致 謝 24參考文獻 25引 言對于人們來說，衣食住行是生活中不可或缺的元素。行更是人們互相往來的重要途徑。隨著社會的日益發(fā)展，科學技術的不斷進步，發(fā)達城市的人流也越來越密集。隨之而來的是一些交通問題：私家車越來越多，不斷完善的道路建設并不能滿足城市的道路擁堵問題。當出現(xiàn)的問題越來越多，交通控制系統(tǒng)也正在一步步向智能化、自動化發(fā)展。國內(nèi)外更是針對智能交通系統(tǒng)進行深入的研究與實現(xiàn)。比如：IPA車牌圖像自動泊車系統(tǒng)、ETC不停車收費系統(tǒng)、公交車自動報站系統(tǒng)等等。我們的出行方式有很多：公交、地鐵、私家

7、車、自行車、電動車等等，而公交和地鐵更是政府鼓勵的出行方式，也是更多人所選擇的。不僅僅是因為價格便宜、環(huán)保。更多的是減少了私家車的出行而避免擁堵，以便減少出行路途上的時間。很多城市還沒有地鐵，與此同時，公交車的作用更顯得尤為重要。在我們的日常生活中，最重要的代步工具就是公交車了。尤其是在城市中，公交車更是不可或缺的一部分，乘坐公交車不僅減少交通擁堵，更為環(huán)境的保護增添一份貢獻。每當公交車在到達任何一個站點時候，都要播放或顯示所到達的站點信息，以便乘客到站下車。然而當前使用的公交車報站系統(tǒng)的自動化程度還不夠全面，以至于需要司機手動按鍵進行報站。人工操作不僅浪費時間，往往會疏忽而漏報站導致乘客不能

8、及時收到到站信息。同時如遇突發(fā)狀況公交監(jiān)控中心不能實時得到公交車所在有效信息。在網(wǎng)絡普及的今天，公交車也需要通過物聯(lián)網(wǎng)來完善整個城市交通系統(tǒng)。本文主要就是對智能交通系統(tǒng)中的子系統(tǒng)公交車自動報站系統(tǒng)進行設計。絕大多數(shù)的人們都坐過公交車，而我們在公交車上總會注意到一個問題：聽報站。熟悉地理位置的人們可能不需要聆聽報站就能知道所在位置，然而還有很多對此處陌生的人們，他們只有得到公交車所報站點的信息才能知道此時所在。與此同時還會有很多意外情況：比如說司機忘記了按鍵報站，此時乘客就不知道所到站點，不知道什么時候應該下車，導致坐過站或未到站下車。這不僅給乘客帶來了麻煩，耽誤了乘客的時間，同時也為公交系統(tǒng)增

9、添了負擔。還有一個重要的問題就是有的時候公交車遇到突發(fā)狀況：車輛故障、與他車發(fā)生事故等等，此時公交司機只能把車停在事發(fā)場地等候，這樣就嚴重影響了正常行駛的車輛并極有可能導致當?shù)氐膿矶?。我認為造成以上問題有兩個：當前公交車自動報站為人為按鍵報站；公交車監(jiān)控中心不能及時到達車輛所在位置以至于公交車停在道路上時間過長。本文正是基于以上兩個問題進行設計：利用RFID（射頻識別）技術實現(xiàn)自動報站，將電子標簽安裝在公交站牌上，當帶有閱讀器的公交車進入車站后自動識別到電子標簽的信息后，傳輸?shù)絾纹瑱C通過解碼進行語音報站與顯示。這樣一來，公交車司機不用做任何事情，只需要認真開車就可以了，乘客也能準確的接收到到站

10、信息準備下車。與此同時單片機將信息利用網(wǎng)絡通過網(wǎng)關傳輸?shù)焦槐O(jiān)控中心。這樣一來，當公交車遇到突發(fā)狀況不能移動時，公交監(jiān)控中心可以及時查詢到公交車大致地理位置趕去營救。1 緒論1.1 課題研究目的和意義研究目的：充分的發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術在現(xiàn)代的交通中的作用，保證交通內(nèi)的車輛實現(xiàn)細致化的管理，給交通運行智能化、自動化、高科技化、安全性創(chuàng)造條件，為用戶提高更方便、更迅捷的交通。研究意義：社會隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市的車流量急劇增加。采用合適的控制方法，最大限度的利用城市道路，緩解道路的交通阻塞狀況。1.2 課題研究背景和現(xiàn)狀智能交通控制系統(tǒng)的研究和推進在我們國家還處于起步階段，但是ITS的重要性已經(jīng)得到了國

11、家相關部門的高度重視，其中 “十二五”的規(guī)劃更加突出了物聯(lián)網(wǎng)智能交通的地位。而且當前的智能交通領域，走在我國前列的城市是北京和廣州。北京市的智能交通系統(tǒng)的建設已經(jīng)取得了初步的成果， 其中公共交通管理的規(guī)劃中：在動物園地區(qū)建成了公交樞紐的運營管理和乘客信息服務系統(tǒng)，公交區(qū)域運營組織與調(diào)度系統(tǒng)，BRT智能管理系統(tǒng)和公交搶修救援調(diào)度系統(tǒng)。針對公交車報站系統(tǒng)，更是有著舉足輕重的作用。從以前的售票員口語報站到現(xiàn)在的人工按鍵電子語音報站，更是見證了我國交通控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展。當前公交車采用的報站系統(tǒng)具有語音和電子屏顯示的基本功能，主要有兩種設計系統(tǒng)：GPS（全球定位系統(tǒng)）自動報站系統(tǒng)。現(xiàn)在在一些城市已經(jīng)在

12、使用，價格昂貴且只是處于試驗階段，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)的一些不足，比如樹木遮擋、陰雨問題等接收不到GPS信號，就需要其他輔件來幫助定位。它的原理是通過GPS技術確定地理位置，再自動報出車輛所在站名并且可以監(jiān)控到公交地理信息。還有一種是基于單片機的車路自動報站系統(tǒng)，主要是利用單片機AT89C51為CPU在中斷處理程序中對外來脈沖計數(shù)，利用語音單元ISD4004和LED顯示屏來實現(xiàn)報站。主要用法就是公交車司機手動加減按鍵即可報站。如果在使用中出現(xiàn)錯報，手動調(diào)整就可以了。此設計價格低廉操作簡單自動化程度高。但是在增加站臺或者改變線路等其他情況時，后期修改程序就比較復雜。尤其是遇到突發(fā)情況的時候該系統(tǒng)很

13、可能不能正常運作并且無法監(jiān)控到公交所在地理信息。本文設計正是基于已有方案進行設計，既避免了GPS接收不到信號，又免去人工手動操作報站，同時還能監(jiān)控到公交車地理信息。1.3 課題研究內(nèi)容和結構隨著城市現(xiàn)代化程度的提升和人口數(shù)目的增長，交通擁堵成為城市交通一大難問題，人們在棄私家車改乘公交的同時，對公共交通系統(tǒng)的質(zhì)量提出了更高的需求，公交車作為交通系統(tǒng)的重要組成部分必須從安全性，便捷性，舒適性，節(jié)能環(huán)保等方面進行完善。然而現(xiàn)在的公交報站設施已經(jīng)不能完全滿足公眾的需求。在人們乘坐公交車的時候，公交車司機每到一站都需要人為按鍵報站，由于人為的疏忽，常常忘記按鍵或不按鍵報站，給很多乘客帶來不便。即使有售

14、票員報站，也會因為有地方口音而使外來乘客帶來不必要的誤解。同時若公交車遇到突發(fā)狀況：車輛故障、與他車發(fā)生事故等等，此時公交司機只能把車停在事發(fā)場地等候，這樣就嚴重影響了正常行駛的車輛并極有可能導致當?shù)氐膿矶?。本文正是基于以上幾個問題進行設計：這個系統(tǒng)的組成部分有RFID模塊，控制核心單片機，語音播放與顯示單元和網(wǎng)絡傳輸與接收等四個部分。RFID模塊是由電子標簽和閱讀器組成，電子標簽安放在公交站牌上，閱讀器放置在公交車上與控制核心單片機和網(wǎng)關相連。當帶有閱讀器的公交車進入車站后自動識別到電子標簽的信息后，傳輸?shù)絾纹瑱C通過解碼進行語音報站與顯示。如此一來，公交車司機不用做任何事情，只需要認真開車就

15、可以了，乘客也能準確的接收到到站信息準備下車。與此同時單片機將信息利用網(wǎng)絡通過網(wǎng)關傳輸?shù)焦槐O(jiān)控中心。假如當公交車遇到突發(fā)狀況不能移動時，公交監(jiān)控中心也可以及時查詢到公交車大致地理位置趕去營救。系統(tǒng)的工作原理圖如圖1網(wǎng)關網(wǎng)關公交監(jiān)控中心電子標簽閱讀器單片機語音播放與顯示圖1 系統(tǒng)工作原理圖2 RFID模塊2.1 射頻識別技術 現(xiàn)實生活中，我們會碰到很多信息和數(shù)據(jù)。這些信息和數(shù)據(jù)種類繁多，有農(nóng)業(yè)的、醫(yī)療的、工業(yè)的、軍事的、天氣氣候的、財務金融的等等。我們通過采集和分析這些信息和數(shù)據(jù)調(diào)整我們的生活方式，使生活更加舒適、更加適合于我們。不然的話，我們的決定和計劃都將是紙上談兵，沒有任何現(xiàn)實基礎，最后

16、肯定走向失敗。所以在這個信息化的時代，采集信息和數(shù)據(jù)變得異常重要。在早期時候，好多信息和數(shù)據(jù)都是用古老的方法，即做筆記記錄，用人工來收集的。財務工作有專門的記賬人員，工農(nóng)業(yè)工作也是用人工24小時的做記錄，科研實驗需要時刻有人盯著。這種方法有很多缺陷，投入的人力大，勞動強度大，而且收集的數(shù)據(jù)誤差很大，這也就失去了數(shù)據(jù)本身的參考價值。到了后來隨著人類的努力，計算機的廣泛使用，各種各樣自動識別技術的探索，漸漸的采集數(shù)據(jù)的工作變得越來越不需要人力。不僅用的人少了，而且數(shù)據(jù)的可靠性和實時性也提高了，從而數(shù)據(jù)的參考價值也就提升了。自動識別技術就是運用特殊制造的自動識別裝置，通過目標物體的外部特征自動識別物

17、體的有關信息，并把這些信息實時地傳送到計算機的信息處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的分析和計算。所以自動識別技術是以計算機技術和通信技術為根本基礎的多學科多領域交叉的綜合性學科。自動識別技術的發(fā)展在近十幾年是最為活躍迅猛的，它涉及的學科范圍有通信、物理、光、機電、磁、計算機等高新學科技術。自動識別技術的應用有條碼識別，光學字符識別，生物識別，射頻識別等。其中在物流和供應鏈方面應用最突出的是射頻識別RFID。RFID是一項易于操控，簡單實用且特別適合用于自動化控制的靈活性應用技術，識別工作無須人工干預，它既可支持只讀工作模式也可支持讀寫工作模式，且無需接觸或瞄準；可自由工作在各種惡劣環(huán)境下：短距離射頻產(chǎn)品不怕油

18、漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可以替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體；長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等。其所具備的獨特優(yōu)越性是其它識別技術無法企及的。主要有以下幾個方面特點：1讀取方便快捷：數(shù)據(jù)的讀取無需光源，甚至可以透過外包裝來進行。有效識別距離更大，采用自帶電池的主動標簽時，有效識別距離可達到30米以上；2識別速度快：標簽一進入磁場，解讀器就可以即時讀取其中的信息，而且能夠同時處理多個標簽，實現(xiàn)批量識別；3數(shù)據(jù)容量大：數(shù)據(jù)容量最大的二維條形碼(如QR碼)，實際也最多只能存儲2K字節(jié)的數(shù)據(jù)；RFID標簽則可以根據(jù)用戶的需要擴充到數(shù)十K；4使用壽命長，

19、應用范圍廣：其無線電通信方式，使其可以應用于粉塵、油污等高污染環(huán)境和放射性環(huán)境，而且其封閉式包裝使得其壽命大大超過印刷的條形碼；5標簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改：利用編程器可以向?qū)懭霐?shù)據(jù)，從而賦予RFID標簽交互式便攜數(shù)據(jù)文件的功能，而且寫入時間相比打印條形碼更少；6更好的安全性：不僅可以嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品上，而且可以為標簽數(shù)據(jù)的讀寫設置密碼保護，從而具有更高的安全性；7動態(tài)實時通信：標簽以與每秒50-100次的頻率與解讀器進行通信，所以只要RFID標簽所附著的物體出現(xiàn)在解讀器的有效識別范圍內(nèi)，就可以對其位置進行動態(tài)的追蹤和監(jiān)控。2.2 射頻識別選型射頻識別模塊主要有兩個部分組成：電子標簽和

20、閱讀器。電子標簽又叫做射頻標簽、應答器、數(shù)據(jù)載體；閱讀器又叫做讀卡器、掃描器、讀頭、讀寫器。射頻識別技術從不同的方面可以分為多種類型。電子標簽(即射頻卡)：電子標簽里面存儲著我們需要識別的信息，每一個電子標簽都是與眾不同的的，它們有著不同的ID號，安放在要識別的物體上，閱讀器可以不接觸電子標簽就能讀寫到電子標簽的信息。電子標簽由耦合元件及芯片組成，包括內(nèi)置天線，可以和射頻天線之間進行通信。電子標簽還可以分成為有源和無源兩種電子標簽。無源電子標簽就是說在閱讀器的閱讀范圍之外沒有自己的供電電源，處于無源狀態(tài)。只有在閱讀器的識別范圍內(nèi)，它們才能通過閱讀器發(fā)送的射頻中獲得電源。還有一種是有源電子標簽，

21、有源電子標簽就是有自己有供電電源，一些電路一直都處于工作狀態(tài)，或者說是休眠狀態(tài)，當閱讀器靠近電子標簽到可以識別的范圍內(nèi)，電子標簽開始工作，供閱讀器閱讀到電子標簽內(nèi)的信息。有源電子標簽的功耗非常小，一塊很小的紐扣電池就可以供它使用很長時間。電子標簽最小電路原理圖如圖2所示：圖2 電子標簽最小電路原理圖閱讀器：閱讀器是射頻識別模塊當中不可缺少的一個組成部分。閱讀器的功用非常多，閱讀器可以把需要識別的數(shù)據(jù)寫入電子標簽，也可以識別電子標簽內(nèi)已有的數(shù)據(jù)信息；它還可以和計算機網(wǎng)絡互相傳輸信息等等。閱讀器分為很多種不同的工作頻率，根據(jù)工作頻率的不同，識別電子標簽的距離范圍也是不同的。閱讀器主要由三個部分組成

22、：RF模塊、控制電路和外圍電路。它們分別有自己不同的功用：RF模塊可以通過天線來識別電子標簽；控制電路負責各硬件功能的正常工作；外圍電路則由多個電路組成：LCD顯示、電源電路、RS232接口等等。閱讀器最小電路原理圖如圖3所示：圖3 閱讀器最小電路原理圖通過射頻識別的工作原理可以分為兩種：電磁感應和電磁傳播模型。電磁感應模型是說電子標簽和閱讀器通過電磁感應定律來實現(xiàn)耦合，電磁傳播模型是說當閱讀器到達識別范圍內(nèi)發(fā)射一個電磁波，碰到電子標簽后反射回信息，閱讀器根據(jù)這個信息來識別電子標簽。通過電子標簽的能否自我供電可以把射頻識別分為有源、無源、半有源系統(tǒng)。讀寫器和電子標簽發(fā)生的射頻信號的耦合有電感耦

23、合和磁反向耦合：1、電感耦合：利用變壓器的模型，根據(jù)電磁感應定律，實現(xiàn)耦合是通過空間高頻交變磁場。電感耦合方式適合用在比較近的距離的射頻識別系統(tǒng)，是在中、低頻工作的。典型的工作頻率有：125kHz、225kHz和13.56MHz，識別作用距離小于1m，典型作用距離為10-20cm。2、磁反向散射耦合：利用雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到電子標簽后攜帶信息反回，使用的是電磁波的空間傳播規(guī)律。磁反向耦合：適用于遠距離射頻識別系統(tǒng)，是在高頻、微波工作的。典型的工作頻率有：433MHz、945MHz、2.45GHz和5.8Gl-lz。識別作用距離通常大于1m，典型作用距離一般為310m。通過以上論述

24、，基于公交車自動報站系統(tǒng)的實際需要，本次設計決定采用有源、電磁傳播模型、主動式、微波射頻識別系統(tǒng)。因為公交車要識別公交站牌時識別距離應該在10m以內(nèi)，對功率要求偏高。所以我選擇了工作頻率為900MHZ的電子標簽和900MHZ的RFID閱讀器。2.3 射頻識別模塊設計本模塊的基本原理就是通過電磁傳播來自動識別電子標簽。我們使用的是有源電子標簽，電子標簽的作用就是向閱讀器傳輸自身的數(shù)據(jù)信息。有源電子標簽是由電子芯片、感應線圈、電池等組成。首先我們需要像電子標簽輸入我們所需要的站點信息，并且將電子標簽安裝在站牌內(nèi)側，因為標簽是長期暴露在戶外，所以我們應該選擇更穩(wěn)固的包裝方式來預防風吹雨淋。閱讀器我們

25、選擇的是900MHZ的RFID閱讀器，當攜帶閱讀器的公交車駛入公交車站，閱讀器就可以通過自帶的天線就會自動識別到電子標簽的信息并帶回。此時閱讀器對接收到的數(shù)據(jù)信息通過單片機進行解碼并及時傳送到后臺公交信息處理系統(tǒng)。到這里就達到了射頻識別的最終目的。射頻識別的基本模型如圖4所示：閱讀器天線電子標簽圖4 射頻識別基本模型3 硬件電路設計3.1 單片機選擇單片機由于它的控制能力強、可靠性高、可用資源豐富和成本低等諸多優(yōu)異性使得其應用范圍非常廣泛。單片機應用范圍從航空航天、航母船只、導彈武器等國家產(chǎn)業(yè)到汽車電子、醫(yī)療控制、農(nóng)畜自動化等民用產(chǎn)業(yè)。航空航天、航母船只、導彈武器等國家產(chǎn)業(yè)代表著一個國家的國際

26、地位，讓國家有能與世界列強公平競爭的資本，讓本國民眾有自豪感。汽車電子、醫(yī)療控制、農(nóng)畜自動化等民用產(chǎn)業(yè)是日常生活所不可或缺的，使日常生活更加舒適，讓人們從繁瑣的勞動解脫。從這些方面我們可以間接的看出，單片機的作用、功能和它的重要性。單片機的內(nèi)部可用資源除了根據(jù)不同的應用需求而特殊定制的特別功能外，在大體上是一樣的。單片機內(nèi)部資源總體來說非常豐富，包括定時/計數(shù)器、特殊功能寄存器、中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、串行接口、中斷資源、數(shù)據(jù)端口和地址端口。在實際應用中這些資源非常有用。使用者通過可以編寫應用程序讓單片機工作，程序可以用硬件描述性的匯編語言也可以用C51的C語言編寫，只要

27、使用的集成軟件開發(fā)環(huán)境支持就可以。單片機中可以利用中央處理器完成簡單的算法處理，用于信息的編解碼處理；數(shù)據(jù)存儲器中可以存儲用戶需要用到的表格等固定信息和算法的中間結果等臨時信息；一般的單片機內(nèi)部都有兩個定時/計數(shù)器，定時器一般用于控制串口的波特率，計數(shù)器用來對外部的波形脈沖計數(shù)；數(shù)據(jù)端口和地址端口一般聯(lián)合起來用于擴展外部接口，可以擴展存儲器、鍵盤設備、中斷設備等；串口接口用于串行數(shù)據(jù)傳輸、多機或點對點的單片機通信；中斷資源是非常有用的用于實施處理內(nèi)外部中斷事件的系統(tǒng)；特殊功能寄存器中用來設置其它內(nèi)部資源的工作方式或模式。在本設計中采用AT89C51單片機。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLAS

28、H存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51 提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個1

29、6位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。AT89C51單片機引腳圖如圖5所示： 圖5 AT89C51單片機引腳圖AT89C51用串口與射頻識別的閱讀器通過ICL232進行通信，同時接收閱讀器的數(shù)據(jù)。AT89C51數(shù)據(jù)端口和地址端口的作用是擴展語音存儲播放單元。3.2 語音播放硬件選擇這一塊需要預先存儲

30、各個站點的語音信息，并能夠驅(qū)動語音播放器即喇叭的器件。根據(jù)前端單片機傳送過來的指令數(shù)據(jù)選取相應存儲單元的站點信息并驅(qū)動喇叭播放當前公交車要到達的站點名字。ISD4004系列芯片包括了振蕩器、防止混淆濾波器、平滑波形濾波器、音頻功率放大器、自動降低噪聲及高密度多電平閃爍存儲單元陣列。工作電壓3V,單片錄放時間8 至16 分鐘,音質(zhì)好,適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口送入。芯片制造工藝技術是CMOS技術，采取多電平模擬量直接存儲的設計，所以播放出的語音、音調(diào)、都非常真實、自然、失真程度小，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造

31、成的量化噪聲和金屬聲。采樣頻率可為 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,頻率越低,錄放時間越長,而音質(zhì)則有所下降,片內(nèi)信息存于FLASH存貯器中,可在斷電情況下保存100 年(典型值),反復錄音10 萬次。存儲空間被一個小段長單位任意分段或不分段，多段存儲結構加上片內(nèi)存儲管理制度，可以方便的實現(xiàn)靈活搭配、任意播放的播放效果。內(nèi)部的存儲器是閃爍存儲器，聲音信息的每個采樣值存儲在片內(nèi)閃爍存儲器中，這樣可以反復讀寫內(nèi)部信息、在斷電情況下長時間保存信息。芯片是基于所有操作必須由單片機之類的微控制器控制的理念設計的，微控制器可以對工作在SPI串行接口的ISSD4004語音芯片執(zhí)行控制，SPI是同步串行

32、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。ISD4004芯片管腳圖如圖6所示：圖6 ISD4004芯片管腳圖電源(VCCA，VCCD)：為使噪聲最小，模擬和數(shù)字電源端最好分別走線，盡可能在靠近供電端處相連，而去耦電容應盡量靠近器件。地線(VSSA，VSSD)：芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路使用不同的地線。同相模擬輸入(ANA IN+)：這是錄音信號的同相輸入端。輸入放大器可用單端或差分驅(qū)動。反相模擬輸入(ANA IN-)：差分驅(qū)動時，這是錄音信號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值16mV音頻輸出(AUD OUT)：提供音頻輸出，可驅(qū)動5K的負載。片選(SS)：此端為低，即向該ISD4004芯片發(fā)送指令，兩條指

33、令之間為高電平。串行輸入(MOSI)：此端為串行輸入端，主控制器應在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到本端，供ISD輸入。串行輸出(MISO)：ISD的串行輸出端。ISD未選中時，本端呈高阻態(tài)。串行時鐘(SCLK)：ISD的時鐘輸入端，由主控制器產(chǎn)生，用于同步MOSI和MISO的數(shù)據(jù)傳輸。中斷(/INT)：本端為漏極開路輸出。ISD在任何操作(包括快進)中檢測到EOM或OVF時，本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始時清除。中斷狀態(tài)也可用RINT指令讀取。行地址時鐘(RAC)：漏極開路輸出。每個RAC周期表示ISD存儲器的操作進行了一行(ISD4004系列中的存貯器共2400行)。該

34、端可用于存儲管理技術。外部時鐘(XCLK)：本端內(nèi)部有下拉元件。芯片內(nèi)部的采樣時鐘在出廠前已調(diào)校，誤差在+1%內(nèi)。在不外接地時鐘時，此端必須接地。自動靜噪(AMCAP)：當錄音信號電平下降到內(nèi)部設定的某一閾值以下時，自動靜噪功能使信號衰弱，這樣有助于養(yǎng)活無信號(靜音)時的噪聲。通常本端對地接1mF的電容，構成內(nèi)部信號電平峰值檢測電路的一部分。在設計中要注重ISD4004的實際應用、語音播放過程的與單片機程序的配合時序，而不是它的內(nèi)部構造結構。ISD芯片在上電操作后有一個延時時間，所以在單片機對芯片上電后先經(jīng)過規(guī)定的延時時間才可以發(fā)出第一個操作指令。3.3 LED顯示屏幕選擇屏幕顯示在生活中很多

35、地方都可以遇到，有的是采用液晶顯示屏，有的是采用LCD顯示屏，有的是采用LED顯示屏。這些都是經(jīng)過成本的估計、顯示的效果、工作穩(wěn)定性能、實現(xiàn)難易程度等綜合考慮而選定的。LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點分不開的。這些優(yōu)點概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、大型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊，正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。在公交車上顯示站點名需要顯示的清楚明亮，而公交車是城市公共設施不適合采用成本過高的設施，還要必須設備的耐用性。LED顯示屏正好符合以上種種要求，所以本次設計使用LE

36、D點陣顯示屏。LED顯示屏是由若干個橫平豎直排列整齊的發(fā)光管組成的。當使用它顯示我們需要看到的信息的時候，使用單片機的控制程序有選擇性的點亮其中的一些發(fā)光管，組成亮、暗相間的圖形符號信息。本設計需要顯示漢字，漢字相比于數(shù)字和字母編寫比較復雜，所以使用的LED顯示屏的點陣數(shù)目多，滿足顯示一個漢字的LED屏幕一般可以顯示2-3個字母或數(shù)字。LED顯示屏采用88點陣顯示屏，但是要顯示清楚的漢字，漢字需要采用1616的字模點陣編碼。本設計顯示4個漢字就可以達到目的了，當實際應用中需要顯示更多的漢字時，用同樣的設計理念進行擴充就可以了。顯示2個1616的字模點陣編碼時候需要用到16個88 LED點陣屏幕

37、，8個88 LED點陣屏幕按照兩行四列的形式排布用以顯示一行上的兩個字。漢字的字模點陣編碼可以通過字模軟件獲取，在LED屏幕上顯示時候用行掃描、靜態(tài)顯示的方法將每一個當前行對應的所有列字模點陣編碼顯示到屏幕上。這個LED屏幕有1632點陣，所以行掃描需要掃描16次。掃描的相隔時間取的合適的話，由于人眼的視覺暫留特性，人們看到的是一幅完整的信息圖。3.4 系統(tǒng)電路原理圖整個系統(tǒng)的電路原理圖如圖7所示：圖7系統(tǒng)電路原理圖中間的核心是AT89C51單片機，它通過ILC232與閱讀器進行串口通信。單片機的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3與音頻存儲播放模塊ISD4004的CLK、MOSI、MISO

38、和CS相連，使得ISD4004串行數(shù)據(jù)傳輸。ISD4004連接麥克風和喇叭，麥克風用于存儲語音、喇叭用于播放語音。單片機的P2.0、P2.1和P2.2與74LS138的A、B和C引腳相連，參與譯碼操作，P2.3通過兩片譯碼器的使能端口完成選擇功能。從RXD出來的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過74HC595的串并變換成為并行數(shù)據(jù)信號，傳送的移位時鐘信號由TXD端的波特率控制，P3.2提供四個74HC595的數(shù)據(jù)鎖存信號。4 網(wǎng)絡傳輸模塊4.1網(wǎng)絡的選擇當今是信息和科技高速發(fā)展的網(wǎng)絡社會，互聯(lián)網(wǎng)已滲透到社會生活的各個方面，人類正在一步步地走向網(wǎng)絡時代。網(wǎng)絡技術也正以驚人的速度向社會生活的各個領域滲透，并進而改變著我

39、們的生活、學習、工作乃至思維方式。網(wǎng)絡傳播的主要特點是：快捷、方便、雙向、開放。在網(wǎng)絡時代，人類的學習已經(jīng)不可能是一勞永逸的事情了，社會的發(fā)展和變遷，促使著我們要不斷接觸新事物，接受新觀念和學習新的技術?；ヂ?lián)網(wǎng)掌握了大量的需求信息，是一個無奇不有的信息庫，其內(nèi)容不僅豐富、新鮮而且傳播迅速。在公交車自動報站系統(tǒng)中，網(wǎng)絡更是交通系統(tǒng)發(fā)展的必不可少的因素。我們可以使用網(wǎng)絡將閱讀器識別到的站點信息實時傳輸?shù)焦槐O(jiān)控中心。這樣一來，公交監(jiān)控中心可以及時查看到公交車所在站點信息，了解到公交車所在地理位置。如遇前方擁堵、事故等無法通過路段，可通過查看到公交車地理信息而及時通知司機或乘務人員繞行等。如遇公交車

40、故障或事故，通過傳輸?shù)降牡乩硇畔⑦€可幫助監(jiān)控中心及時派遣車輛趕去營救。如此一來不僅減少了交通擁堵，縮短了乘客乘車路程時間，還為城市交通系統(tǒng)帶來了不可忽略的貢獻?？傊?，公交車上的網(wǎng)絡傳輸模塊對于整個交通系統(tǒng)來說都是十分有意義的。隨著科技的進步，網(wǎng)絡模式也多種多樣。我們可以使用WIFI、以太網(wǎng)、3G網(wǎng)等等。WIFI全稱WirelessFidelity，它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高，另外它的有效距離也很長，其主要特性為速度快、可靠性高?，F(xiàn)在在北京公交車上的WIFI網(wǎng)絡基本已經(jīng)普及，那么我們就可以使用現(xiàn)有的WIFI模塊與網(wǎng)關進行連接從而實現(xiàn)無線傳輸信息。這樣一來，既利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡設施，又避免了新建網(wǎng)

41、絡模塊的財力浪費?？芍^一舉多得。4.2 網(wǎng)關的選擇網(wǎng)關又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)關在網(wǎng)絡層以上實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，是最復雜的網(wǎng)絡互連設備，僅用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡互連。網(wǎng)關既可以用于廣域網(wǎng)互連，也可以用于局域網(wǎng)互連。 網(wǎng)關是一種充當轉(zhuǎn)換重任的計算機系統(tǒng)或設備。使用在不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統(tǒng)之間，網(wǎng)關是一個翻譯器。與網(wǎng)橋只是簡單地傳達信息不同，網(wǎng)關對收到的信息要重新打包，以適應目的系統(tǒng)的需求。同層-應用層。本設計正是基于公交車上的WIFI模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊，閱讀器通過RS232接口與網(wǎng)關鏈接，并通過網(wǎng)關傳輸?shù)焦槐O(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)關使用LM3S9B96。LM3S9

42、B96是TI 公司的基于ARM Cortex-M3 的32位MCU，具有先前8位和16位MCU的價格成本，CPU工作頻率80MHz,100DMIPS性能，ARM Cortex-M3 System Timer (SysTick)定時器，片內(nèi)具有高達50MHz的256KB單周期閃存和96KB單周期SRAM，內(nèi)部的ROM加載StellarisWare軟件，具有擴展的外設接口和串行接口，目標應用在遙控監(jiān)視、POS銷售機、測試測量設備、網(wǎng)絡設備和交換、工廠自動化、HVAC和建筑物控制、游戲設備、運動控制、醫(yī)療設備、電源和交通運輸、防火和安全等。 LM3S9B96系統(tǒng)電路圖如圖8所示：圖8 LM3S9B9

43、6系統(tǒng)電路圖其參數(shù)如下表所示：Cortex M3（LM3S9B96）模塊采用2X20pin鍍金排針式座與外置的電源板或智能主板構成物理連接，其實現(xiàn)的功能如下： 100M工業(yè)以太網(wǎng)通訊 ：實現(xiàn)方式：采用LM3S9B96處理器集成的10/100以太網(wǎng)MAC/PHY。 USB（HOST/DEVICE/OTG）通訊 ：實現(xiàn)方式：采用LM3S9B96處理器內(nèi)部集成的USB協(xié)議控制器 CAN通訊（2.0版本） 實現(xiàn)方式：采用LM3S9B96處理器內(nèi)部集成的協(xié)議控制器、報文處理器、報文存儲器+外部調(diào)制器TJA1040實現(xiàn)，基于板面空間限制和設計應用場合，本次設計沒有進行電氣隔離設計。 低功耗實現(xiàn) ：實現(xiàn)方式

44、：采用LM3S9B96處理器內(nèi)部集成的休眠模塊，可定時喚醒或按鍵喚。UART串行口通訊 ：實現(xiàn)方式：采用LM3S9B96處理器內(nèi)置串行口外加MAX3232實現(xiàn)。 4.3 上位機的選擇上位機是一臺可以發(fā)出特定操控命令的計算機，通過操作預先設定好的命令，將命令傳遞給下位機，通過下位機來控制設備完成各項操作（應用最多的地方如：工業(yè)、水利、供電部門、交通等方面）。上位機都有特定的編程，有專門的開發(fā)系統(tǒng)，或以上是已經(jīng)規(guī)定好任務，只能按特定的任務進行操作。簡單說上位機就是命令的下達者，而下位機則是命令的執(zhí)行者。本設計使用現(xiàn)有的上位機軟件，網(wǎng)關通過網(wǎng)絡即可傳輸?shù)缴衔粰C。本軟件有一個特定的IP服務器編碼，只要

45、輸入相應的IP服務器編碼即可登錄終端接受并查看公交車所在位置信息，即電子標簽發(fā)射給公交車上的閱讀器的信息再傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。下面介紹一種軟件：物聯(lián)網(wǎng)應用中收集感知節(jié)點信息,進行顯示,控制的應用控制臺。此軟件主要有兩部分組成,數(shù)據(jù)收發(fā)部分和顯示部分。1、上位機在系統(tǒng)中的位置：放置在網(wǎng)絡的層面里面，和公交車上的嵌入式網(wǎng)關9B96利用網(wǎng)絡互相連接。當然在生活使用中的時候是安放在公交監(jiān)控中心，用于操作人員使用。2、上位機的功能：此軟件實時監(jiān)視公交車的狀況，所處的地理地方數(shù)據(jù)等。 3、上位機的設計實現(xiàn)： 此軟件主要有兩部分組成，數(shù)據(jù)收發(fā)部分和顯示部分。數(shù)據(jù)收發(fā)指的是和嵌入式網(wǎng)關的數(shù)據(jù)收發(fā)。兩者是通過無線網(wǎng)

46、絡連接的，所以應用的是TCP/IP 的Socket 套接字編程，嵌入式網(wǎng)關的設計中已經(jīng)提到過，它在和上位機通信中是作為服務器的，那么上位機就是作為連接發(fā)起方。為了能保證網(wǎng)絡連接的穩(wěn)定性，我們把Socket讀寫的程序代碼放在了try catch() 塊中，一旦網(wǎng)絡連接不正常，就會捕獲到該異常，從而關閉程序。另外數(shù)據(jù)收發(fā)還需要協(xié)議，和嵌入式網(wǎng)關通信的指令和協(xié)議定制如下：由上位機發(fā)起嵌入式網(wǎng)關接收的指令ASK_STATE0x80由上位機主動發(fā)起LED_DISPLAY0x04+ASC碼由上位機主動發(fā)起GET_WARNING0x20有上位機回復GET_HELP0x30有上位機回復由嵌入式網(wǎng)關發(fā)起上位機接

47、收的指令ABNORMAL0xFF由上位機被動接收并顯示W(wǎng)ARNING0x88由上位機被動接收并顯示NEED_HELP0x10由上位機被動接收并顯示POWER_ON0x01由上位機被動接收并顯示POWER_OFF0x00由上位機被動接收并顯示0x7E長度實驗臺號命令內(nèi)容加和校驗0x7E1字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)N字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)因此數(shù)據(jù)量較少，協(xié)議也就比較簡單，此協(xié)議在發(fā)送接收時用PPP封裝。顯示部分使用C#編寫的運行于Windows .Net Framework 上的窗體應用程序，根據(jù)實際需求，對每個實驗臺狀態(tài)的顯示使用ListView控件實現(xiàn)，當出現(xiàn)異常情況，或?qū)嶒炁_出現(xiàn)警告、求助信號時，ListV

48、iew的相應字段文字會通過改變顏色來提醒監(jiān)視人員，監(jiān)視人員還可以通過一個文字發(fā)送窗體來向LED屏發(fā)送要顯示的文字?？傊缑媲逦庇^，簡便易用。有了上位機軟件與上面公交車內(nèi)硬件的網(wǎng)絡結合，公交監(jiān)控中心的工作人員就可以實時監(jiān)控到公交車的所在位置。如果公交車遇到突發(fā)狀況，可以及時查到公交車大概地理位置，盡快趕到現(xiàn)場營救。監(jiān)控中心還可以通過交通網(wǎng)絡實時查到當前交通信息，如若前方擁堵等，可在不越站的前提下，通知將要到達的公交車司機繞路行駛等等?？芍^一舉多得。5 程序流程圖5.1 主程序流程圖為了提高程序的可讀性，提高編程效率，提高程序的可移植性整個系統(tǒng)的程序要盡量采用模塊化編程思想。把整個系統(tǒng)按照各個獨

49、立的功能劃分成各個邏輯模塊，再實現(xiàn)各個小模塊的功能。這樣的程序編程人員寫起來有頭有尾、后期容易優(yōu)化，讀程序的人讀起來也是容易理解。根據(jù)本設計的實現(xiàn)邏輯，可以把整個程序分成串口初始化、串口中斷處理、音頻輸出控制、LED屏幕控制等幾大模塊。在主程序中只需調(diào)用模塊就行，串口初始化后接收到數(shù)據(jù)后給出接收完中斷，串口中斷處理函數(shù)中將接收到的數(shù)據(jù)從串口接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存入指定寄存器，并清除中斷標志位、置接收到數(shù)據(jù)標志位。接收到數(shù)據(jù)標志位有效時，先后調(diào)用音頻播放函數(shù)和屏幕顯示函數(shù)。主程序流程圖如圖9所示：接收到數(shù)據(jù)標志位清零調(diào)用屏幕顯示函數(shù)調(diào)用語音播放函數(shù)接收到數(shù)據(jù)標志有效？串口初始化開始 否是圖9 主程序流

50、程圖主程序通過接收到數(shù)據(jù)標志位來判斷程序流向。在串口中斷處理程序中只執(zhí)行中斷標志位清零和接收到數(shù)據(jù)標志位清零這兩個操作，所以主要介紹一下語音播放函數(shù)和屏幕顯示函數(shù)。5.2 語音播放ISD4004芯片工作在SPI串行數(shù)據(jù)傳輸模式。SPI協(xié)議的思想是，在CS端低電平時傳輸命令和地址。SCLK是時鐘信號端，時鐘信號上升沿時候從MISO線向芯片輸入命令和地址，時鐘信號下降沿時候由MOSI線從芯片讀數(shù)據(jù)。命令是一個字節(jié)，地址分成高低兩字節(jié)，按先地位后高位、先地址后命令的順序傳送。語音播放流程圖如10所示：返回停止放音延時10s連續(xù)放音指定地址開始放音延時30ms上電根據(jù)ID號確定語音存儲地址開始圖10

51、語音播放流程圖5.3 屏幕顯示完成在1632的LED點陣屏幕上顯示1616字模點陣編碼的漢字功能，靜態(tài)顯示兩個漢字。先取第一行上的字模點陣編碼的32位4字節(jié)數(shù)據(jù)傳送到74HC595鎖存，再通過74LS138選通屏幕的第一行；延時3ms后，取第二行的4字節(jié)數(shù)據(jù)，選通第二行；同理，以此類推完成16行內(nèi)容的掃描顯示。上述過程循環(huán)執(zhí)行10s完成顯示，返回到主函數(shù)。屏幕顯示流程圖如圖11所示：子程序入口返回10s時間到？掃描行加1串口發(fā)送4字節(jié)程序調(diào)用獲取當前掃描行的4字節(jié)數(shù)據(jù)的子程序3ms時間到？開啟定時器0的3ms中斷開啟定時器1的10s中斷串口在方式0工作開始計算點在高、低兩字節(jié)中的位置計算取表的字節(jié)偏移量取一列數(shù)據(jù)中的對應1點NY保存到顯示緩沖區(qū)修改取表偏移量取完1個字節(jié)NNY取完4字節(jié)N返回YY圖11 屏幕顯示流程圖結 論經(jīng)過了以上的論述我完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通控制系統(tǒng)中子系統(tǒng)公交車自動報站的設計。在設計中我應用了一種新型技術：RFID技術。我搜集相關資料，學習相關知識，前往電子公司與工程師相互探討產(chǎn)品相關內(nèi)容及遇到的種種問題。最終完成了公交車自動報站的設計，本設計比現(xiàn)有的報站系統(tǒng)更先進，更方便，功能更廣泛。司機不需要手動按鍵即可通過閱讀器與電子標簽的互相感應傳送硬件設備進行報站?，F(xiàn)在在北京公交車內(nèi)WIFI基本已經(jīng)普及，那么通過網(wǎng)絡傳送公交監(jiān)控