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基于RFID的公交车信息管理系统的设计
作者：杭佳闻 刘锦高
来源：RFID世界网
日期：2007-09-20 16:05:27
摘要：公交车作为目前国内客运量最大的公共交通工具，它的管理及服务上一直存在一些漏洞．鉴于此．一种基于RFID技术的公交信息管理系统设计方法被提出。该系统采用TI公司射频收发器芯片RI-R6C=001A，并结合微处理器设计tSO／IEC15693渎卡器．TJ公司的Tag—it HF-I作为电子标签。通过软件部分和数据库的设计对公交车信息进行管理。该系统成本低．效率高。
1 设计原理
本系统主要基于RFID技术，后期扩展结合数据库以及传感器网络。
RFID(Radio Frequency Identification)即无线射频识别技术【1】，它的基本工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。RFID系统一般由两个部分组成，电子标签(TAG)和阅读器(Reader)。典型的阅读器包括高频模块(发射机和接收机)、控制单元、天线以及附加的接口(RS232等)。屯子标签由IC芯片和LC谐振回路组成。
传感器网络的主要功能是对某种环境中事物的数据采集。传感器网络的相关研究包括传感器、通信和计算(包括硬件、软件和算法等)等3个方面。传感器网络一方面可以将互联网的信息共享功能扩充，使其成为包括信息采集、信息处理和信息利用的集成网络。另一方面，它可以将传感器节点发展成为具有互联结构的新型信息处理功能的网络。
2 基于RFID的公交车信息管理系统
2．1 系统组成(见图1)
系统总体上由两部分组成：射频收发传感系统以及中心控制系统。
射频收发系统完成对公交车信息的采集，中心控制系统则完成信息管理和显示控制。
射频收发系统包括电子标签、读卡器以及MCU和串口扩展电路。其中电子标签载于公交车上，含有每辆车各自唯一的ID号，而读卡器位于站台区域，用于识别车辆身份。MCU负责控制整个系统的运作，控制射频电路的发射和接受，串口扩展电路将多个终端的Reader和中心计算机连接起来。
分布在各个站台的读卡器作为传感系统的传感节点【2】，数据采集中间件完成数据到网络的接入，中心控制器就完成数据的管理。中心控制器包括中央计算机，后台数据库和显示控制电路以及显示屏。MCU将车辆信息传输给中央计算机，中央计算机结合公交系统数据库分析并通过MCU管理站台显示等外围电路。
2。2 系统硬件
电子标签安装于公交车上，卡上存有每一辆公交车唯一的ID号以及相关信息。只要公交车在站台读卡器的有效读卡范围内，卡上的信息就会被读取进而传输到中央计算机进行处理并按处理结果执行特定站台的显示操作。系统采用德州仪器生产的Tag-it HF-I。Tag-it HF-1分为64个存储块，每块32bit；内含64bit的唯一的ID号，2kbit的用户存储区；与ISO15693—2，一3通讯协议兼容，工作于13．56MHz。卡内含防冲撞机制，可以同时完成多张卡片的读取而不会造成冲突。
2．2．2 读卡器
读卡器主要由射频发射／接收电路和MCU组成， 用于识别车辆身份射频发射／接收电路是以$6700多协议收发芯片RI-R6C一001A【3】为核心的台湾联公司的RF 201模块【4】(具体电路图如图2)，遵循ISO／IEC 15693协议，+5V供电，实现对信号的调制和解调，用曼彻斯特编码方式，接5On环形天线。
RI．R6C-00IA芯片是德州仪器生产的RF收发器，： 片内含接收、发射和控制接口三部分。它是一种廉价的非接触式芯片，无源最大读写距离在1．2米以上。能实现多目标、运动中识别。其典型发送功率为200mW，还可以再加一级功放电路，提高发射功率以提高读写距离。
电路工作原理： R6C的通信接口有三根线： SCLOCK、DIN、DOUT，分别代表时钟线、数据输入线、数据输出线。时钟线是双向的，发送数据时由MCU控制，接收数据时由R6C控制，在时钟上升沿R6C锁存数据。R6C的XTAL1和XTAL2引脚接13．56MHz的晶振，调制基带信号。从DIN 脚输入基带信号经R6C调制到13．56MHz的载波信号上，再由Tx_OUT脚发射出去：调节Ll、L2、C1O组成的串连谐振电路，使其输出阻抗为5OQ 外接匹配阻抗为50n的环形天线：当天线收到电子标签的射频信号耦合到读卡器， 由R6C解调为基带信号再从DOUT脚输出到MCU，进行后续处理。
在模块RF一201中，R6C通过ATTINYI2L间接与MCU实现通信。ATTINYI2L的两个I／O口和MCU相连，分别为DATA和CLOCK。MCU 采用AtmeI公司的Atmega16L嵌入式微控制器，Atmegal6L根据RF一201的通信协议，通过控制ATTINY12L间接与R6C通信。4013B包含两个D触发器，它将13．56MHz分频，供给ATTINY12L的工作频率。
3 软件流程
3．1 通信过程
3．1．1 时序图
RF一201与MCU之间通信的时序图如图3示。
3．1．2 数据格式(见表1)
低位先送。Length为数据长度。
Command1和Command2都由Bit0-Bit7八位组成，
Commandl用于读写状态的设定，Command2用于卡片形态的设定。具体来说，Commandl的Bit3用于设置UID；Bit5和Bit4两位不同的组合对应不同的四种状态： “00”对应“Read System Information” ， “Ol” 代表“Read Block” ， “lO” 代表“Write Block” ， “ll”代表“Lock Block”。
Command2的Bit6 Bit5 Bit4三位组合为010时卡片型态为ISO15693。
UID码为8个字节，它是唯一码，不一定使用。因为它是唯一码，当有多张卡片在一起时，可以针对所指定的UID卡片动作，而不影响其他卡片。
Block块的大小为一个字节取值范围为O～63，用于指定向哪个Block块进行，在Block里可以写入卡的唯一ID号。
BCC是各字节资料的总和，即BCC=Length+Command l+Command2+(UIDl+UID2+… +UID8)+(Block)+(datal+data2+data3+data4)
软件流程如图4所示。当站台设置的读卡器检测到标签卡存在，即有公交车进站时，完成信息收发检测，配合数据库对进站车辆信息进行检索处理，如属于哪条公交线路，公交线路，发车时间等等。然后把车辆经过当前站台的时间和站名发送至线路下几个车站，并由站台显示屏予以显示。如果是班次较多的公交线路，可以考虑同时并行显示两班车的信息。
由于系统涉及的信息量并不是很大，考虑系统的稳定性和性价比，公交信息的后台管理选用Linux+MySQL+PHP【5】的组合。数据库需要对线路信息表，车辆信息表，车辆即时信息记录表以及车辆管理日志和管理人员表进行设计，此外还包括一些管理界面的设计，串口通信程序【8】以及中心计算机与各站点的通信程序设计等等。
4 系统分析评价
本系统尚处于实验阶段，实验中以若干标签卡进行测试可以达到识别等操作效果，但在实际应用中尚存在识别距离不够长，移动中识别效率不够高等等不足。识别距离可以考虑在发射端加射频放大电路来实现增加，软件执行效率也有改善空间。另外，系统与无线传感技术还有待进一步结合，以期实现中心控制系统与站台间的无线通信管理。基于RFID的公交管理系统开发成本低，该技术还可以运用到一般的停车场车辆管理，物流运输管理等等，应用前景较为广泛。
参考文献
【1】周晓华．王晓华．射频识别技术原理与应用实例一RFID．M．人民邮电出版社， 2006．
【2】金发庆．传感器技术与应用．机械工业出版社．2004．
【3】TI．Tag—it HF-I Transponder Inlays Reference Guide．http://www ti.rfid.com．
【4】联电子股份有限公司．RF一201 Module手册．http://www.sunion.com.cn．
【5】刘志勇．Linux+PHP+MySQL案例教程．中科多媒体电子出版社．2001．
作者简介：杭佳闻(1982 )．女．华东师范大学信息学院硕士研究生．主要研究方向为嵌入式系统：刘锦高， 男．教授。华东师范大学信息学院副院长，主要研究方向为嵌入式系统。
本系统主要基于RFID技术，后期扩展结合数据库以及传感器网络。
RFID(Radio Frequency Identification)即无线射频识别技术【1】，它的基本工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。RFID系统一般由两个部分组成，电子标签(TAG)和阅读器(Reader)。典型的阅读器包括高频模块(发射机和接收机)、控制单元、天线以及附加的接口(RS232等)。屯子标签由IC芯片和LC谐振回路组成。
传感器网络的主要功能是对某种环境中事物的数据采集。传感器网络的相关研究包括传感器、通信和计算(包括硬件、软件和算法等)等3个方面。传感器网络一方面可以将互联网的信息共享功能扩充，使其成为包括信息采集、信息处理和信息利用的集成网络。另一方面，它可以将传感器节点发展成为具有互联结构的新型信息处理功能的网络。
2 基于RFID的公交车信息管理系统
2．1 系统组成(见图1)
系统总体上由两部分组成：射频收发传感系统以及中心控制系统。
射频收发系统完成对公交车信息的采集，中心控制系统则完成信息管理和显示控制。
射频收发系统包括电子标签、读卡器以及MCU和串口扩展电路。其中电子标签载于公交车上，含有每辆车各自唯一的ID号，而读卡器位于站台区域，用于识别车辆身份。MCU负责控制整个系统的运作，控制射频电路的发射和接受，串口扩展电路将多个终端的Reader和中心计算机连接起来。
分布在各个站台的读卡器作为传感系统的传感节点【2】，数据采集中间件完成数据到网络的接入，中心控制器就完成数据的管理。中心控制器包括中央计算机，后台数据库和显示控制电路以及显示屏。MCU将车辆信息传输给中央计算机，中央计算机结合公交系统数据库分析并通过MCU管理站台显示等外围电路。
2。2 系统硬件
电子标签安装于公交车上，卡上存有每一辆公交车唯一的ID号以及相关信息。只要公交车在站台读卡器的有效读卡范围内，卡上的信息就会被读取进而传输到中央计算机进行处理并按处理结果执行特定站台的显示操作。系统采用德州仪器生产的Tag-it HF-I。Tag-it HF-1分为64个存储块，每块32bit；内含64bit的唯一的ID号，2kbit的用户存储区；与ISO15693—2，一3通讯协议兼容，工作于13．56MHz。卡内含防冲撞机制，可以同时完成多张卡片的读取而不会造成冲突。
2．2．2 读卡器
读卡器主要由射频发射／接收电路和MCU组成， 用于识别车辆身份射频发射／接收电路是以$6700多协议收发芯片RI-R6C一001A【3】为核心的台湾联公司的RF 201模块【4】(具体电路图如图2)，遵循ISO／IEC 15693协议，+5V供电，实现对信号的调制和解调，用曼彻斯特编码方式，接5On环形天线。
RI．R6C-00IA芯片是德州仪器生产的RF收发器，： 片内含接收、发射和控制接口三部分。它是一种廉价的非接触式芯片，无源最大读写距离在1．2米以上。能实现多目标、运动中识别。其典型发送功率为200mW，还可以再加一级功放电路，提高发射功率以提高读写距离。
电路工作原理： R6C的通信接口有三根线： SCLOCK、DIN、DOUT，分别代表时钟线、数据输入线、数据输出线。时钟线是双向的，发送数据时由MCU控制，接收数据时由R6C控制，在时钟上升沿R6C锁存数据。R6C的XTAL1和XTAL2引脚接13．56MHz的晶振，调制基带信号。从DIN 脚输入基带信号经R6C调制到13．56MHz的载波信号上，再由Tx_OUT脚发射出去：调节Ll、L2、C1O组成的串连谐振电路，使其输出阻抗为5OQ 外接匹配阻抗为50n的环形天线：当天线收到电子标签的射频信号耦合到读卡器， 由R6C解调为基带信号再从DOUT脚输出到MCU，进行后续处理。
在模块RF一201中，R6C通过ATTINYI2L间接与MCU实现通信。ATTINYI2L的两个I／O口和MCU相连，分别为DATA和CLOCK。MCU 采用AtmeI公司的Atmega16L嵌入式微控制器，Atmegal6L根据RF一201的通信协议，通过控制ATTINY12L间接与R6C通信。4013B包含两个D触发器，它将13．56MHz分频，供给ATTINY12L的工作频率。
3 软件流程
3．1 通信过程
3．1．1 时序图
RF一201与MCU之间通信的时序图如图3示。
3．1．2 数据格式(见表1)
低位先送。Length为数据长度。
Command1和Command2都由Bit0-Bit7八位组成，
Commandl用于读写状态的设定，Command2用于卡片形态的设定。具体来说，Commandl的Bit3用于设置UID；Bit5和Bit4两位不同的组合对应不同的四种状态： “00”对应“Read System Information” ， “Ol” 代表“Read Block” ， “lO” 代表“Write Block” ， “ll”代表“Lock Block”。
Command2的Bit6 Bit5 Bit4三位组合为010时卡片型态为ISO15693。
UID码为8个字节，它是唯一码，不一定使用。因为它是唯一码，当有多张卡片在一起时，可以针对所指定的UID卡片动作，而不影响其他卡片。
Block块的大小为一个字节取值范围为O～63，用于指定向哪个Block块进行，在Block里可以写入卡的唯一ID号。
BCC是各字节资料的总和，即BCC=Length+Command l+Command2+(UIDl+UID2+… +UID8)+(Block)+(datal+data2+data3+data4)
软件流程如图4所示。当站台设置的读卡器检测到标签卡存在，即有公交车进站时，完成信息收发检测，配合数据库对进站车辆信息进行检索处理，如属于哪条公交线路，公交线路，发车时间等等。然后把车辆经过当前站台的时间和站名发送至线路下几个车站，并由站台显示屏予以显示。如果是班次较多的公交线路，可以考虑同时并行显示两班车的信息。
由于系统涉及的信息量并不是很大，考虑系统的稳定性和性价比，公交信息的后台管理选用Linux+MySQL+PHP【5】的组合。数据库需要对线路信息表，车辆信息表，车辆即时信息记录表以及车辆管理日志和管理人员表进行设计，此外还包括一些管理界面的设计，串口通信程序【8】以及中心计算机与各站点的通信程序设计等等。
4 系统分析评价
本系统尚处于实验阶段，实验中以若干标签卡进行测试可以达到识别等操作效果，但在实际应用中尚存在识别距离不够长，移动中识别效率不够高等等不足。识别距离可以考虑在发射端加射频放大电路来实现增加，软件执行效率也有改善空间。另外，系统与无线传感技术还有待进一步结合，以期实现中心控制系统与站台间的无线通信管理。基于RFID的公交管理系统开发成本低，该技术还可以运用到一般的停车场车辆管理，物流运输管理等等，应用前景较为广泛。
参考文献
【1】周晓华．王晓华．射频识别技术原理与应用实例一RFID．M．人民邮电出版社， 2006．
【2】金发庆．传感器技术与应用．机械工业出版社．2004．
【3】TI．Tag—it HF-I Transponder Inlays Reference Guide．http://www ti.rfid.com．
【4】联电子股份有限公司．RF一201 Module手册．http://www.sunion.com.cn．
【5】刘志勇．Linux+PHP+MySQL案例教程．中科多媒体电子出版社．2001．
作者简介：杭佳闻(1982 )．女．华东师范大学信息学院硕士研究生．主要研究方向为嵌入式系统：刘锦高， 男．教授。华东师范大学信息学院副院长，主要研究方向为嵌入式系统。
