基于物聯(lián)網(wǎng)車輛管理系統(tǒng)的設(shè)計

1、武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛管理系統(tǒng)的設(shè)計Design of Vehicle ManagementSystem Based on Internet Things學生姓名 徐芳芳 學 號 專業(yè)班級 電子信息工程1002 指導教師 金振坤 2014年5月作者聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標注的地方外，沒有任何剽竊、抄襲、造假等違反學術(shù)道德、學術(shù)規(guī)范的行為，也沒有侵犯任何其他人或組織的科研成果及專利。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。如本畢業(yè)設(shè)計（論文）引起的

2、法律結(jié)果完全由本人承擔。畢業(yè)設(shè)計（論文）成果歸武漢工程大學郵電與信息工程學院所有。特此聲明。 作者專業(yè)： 電子信息工程 作者學號： 作者簽名： _年_月_日摘 要車輛管理是現(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。目前的車輛管理大多采用半人工方式，這不僅浪費人力物力，而且給人們的出行造成了不便。如何讓車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驗。本論文設(shè)計了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛管理系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。它分為三個子系統(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單片機和nRF401射頻芯片的可讀可寫式射頻卡構(gòu)成硬件

3、電路。 它在基于AT89C2051單片機的基礎(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輛在進入高速路，和出去高速路的過程中車輛識別和收費問題，并采集相應車輛數(shù)據(jù)。軟件模塊實現(xiàn)了入網(wǎng)功能，以及控制LED（顯示收費額）、紅綠燈的顯示功能。在本論文的設(shè)計過程中，硬件模塊實現(xiàn)了信息采集功能但外圍電路設(shè)計有待完善；軟件設(shè)計中對信息管理的功能沒有能完整編寫，還需要不斷改進。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；車輛管理；射頻識別；全球定位系統(tǒng)AbstractThe vehicle management is now the key intelligent traffic in a ring. we must imp

4、rove and perfect the topic now. Currently, most of the vehicle management use half artificial way. This is not only a waste of resources, but also to peoples travel inconvenience. How to make the vehicle management towards the desired direction, we still need more research and experiments. This diss

5、ertation designs a vehicle management system based on Internet of things.The key technology in the Internet of things, it implements the network function. It is divided into three subsystems: information collection subsystem, information transmission subsystem, information management subsystem. It u

6、ses AT89C2051 single-chip microcomputer and Radio Frequency chip nRF401 readable and writable Radio Frequency card constitutes hardware circuits. On the basis of based on AT89C2051 single-chip microcomputer, it uses software to complete the serial communication. In this dissertation, the hardware mo

7、dule is mainly to complete the vehicle in and out into the highway, high-speed road in the process of vehicle recognition and collect fees problem, and collect the corresponding vehicle data. The software modules realize the network function including the charging control LED display, traffic lights

8、. In this dissertation, hardware modules realize information acquisition. But peripheral circuit design needs to be improved the design process. Software design for information management function is not able to complete the preparation, but also need to continue to improve. Key Words: Internet of T

9、hings; Traffic Management; RFID (Radio Frequency Identification); GPS (Global Positioning System)目 錄第1章 緒論1 1.1 本課題研究的背景及意義1 1.2 本論文的研究內(nèi)容1 1.3 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)5 2.1 物聯(lián)網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)5 2.2 物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)6 2.2.1 射頻識別技術(shù)6 2.2.2 全球定位系統(tǒng)9 2.2.3 傳感器技術(shù)12第3章 車輛管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)13 3.1 車輛管理系統(tǒng)構(gòu)架13 3.2 信息采集子系統(tǒng)13 3.2.1 車輛識別模塊14 3.2.2

10、 圖像監(jiān)控模塊14 3.2.3 信息處理模塊15 3.3 信息傳輸子系統(tǒng)15 3.4 信息管理子系統(tǒng)15 3.4.1 信息管理15 3.4.2 收費管理16第4章 車輛管理系統(tǒng)的設(shè)計17 4.1 硬件設(shè)計17 4.1.1 AT89C2051單片機性能及串行通信功能17 4.1.2 射頻識別卡和閱讀器的設(shè)計20 4.2 軟件設(shè)計25 4.2.1. 外圍控制器軟件的分析與實現(xiàn)26 4.2.2 數(shù)碼管、紅綠燈顯示的軟件分析與實現(xiàn)30第5章 總結(jié)與展望33參考文獻34致謝35第1章 緒論車輛管理1為現(xiàn)在的交通做著巨大的貢獻，但存在一些漏洞，也需不斷前進和完善。本章主要是介紹我國目前一些車輛管理方面的情

11、況，同時對所要研究的車輛管理系統(tǒng)進行概述以及簡單的介紹一下本論文的組織結(jié)構(gòu)。1.1 本課題研究的背景及意義隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，高速公路建設(shè)步伐的不斷加快，我國的大部分地區(qū)已經(jīng)形成了四通八達的高速公路網(wǎng)，高速公路在貨運、客運方面起著越來越重要的作用。隨著高速公路里程和交通量的不斷增加，如何進一步加強高速公路的管理水平，提高其運營效率，減少收費不透明問題成為高速公路管理研究的重要內(nèi)容。建設(shè)和優(yōu)化高速公路收費機制是高速公路管理的重要任務之一，直接影響高速公路的通行效率和經(jīng)濟效益。為了保證投資效益和通行安全，高速公路管理部門設(shè)立了許多收費站和交通監(jiān)控中心，然而過多的設(shè)立收費站，又降低了高速公路通行

12、的效率。近年來，隨著公路交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，公路收費系統(tǒng)1開始向自動化方向發(fā)展，有效地降低了公路、橋梁等收費處的車輛阻塞率。但目前各種收費系統(tǒng)仍有不盡如人意的地方，有的磁卡或接觸式IC卡系統(tǒng)要求車輛必須停車才能進行收費作業(yè)，這在很大程度上給人們的出行造成了不便，同時也大大浪費了人力物力。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，為高速不停車收費系統(tǒng)提供了前景。1.2 本論文的研究內(nèi)容目前我國擁有的半自動收費和人工收費的方式費時費力，已無法滿足高速公路現(xiàn)代化管理的需要。而電子不停車收費系統(tǒng)2（ETC）是指車輛在通過收費站時，通過車載電子標簽與路測天線的短程通信，進行車輛識別

13、，信息寫入并自動從預先綁定的IC卡或者銀行賬戶上扣除相應資金，實現(xiàn)不停車收費的電子系統(tǒng)。與傳統(tǒng)人工收費（Manual Toll Collection，簡稱MTC）方式不同，ETC的好處3有: （1）節(jié)省能源消耗，減少停車時的廢氣排放和對城市環(huán)境的污染。 （2）降低車輛部件損耗，減少收費人員，降低收費管理單位的管理成本。 （3）實現(xiàn)計算機管理，提高收費管理單位的管理水平。 （4）對因缺乏收費廣場而無條件實施停車收費的場合，有實施收費的可能。 （5）無需排隊停車，可節(jié)省出行人的時間。 （6）避免因停車收費而造成收費口堵塞，形成新的瓶頸。ETC系統(tǒng)按收費站車道配置，可分為ETC專用車道、MTC車道和

14、ETC/MTC混合車道三類。鑒于我國道路實際情況，在較長的一段時間內(nèi)，ETC和MTC將共存。ETC系統(tǒng)按收費站收費方式，可分為聯(lián)網(wǎng)式和人工式。其中聯(lián)網(wǎng)式收費是當前收費的主要方式，而ETC系統(tǒng)是聯(lián)網(wǎng)式收費的組成部分。ETC系統(tǒng)包括站級子系統(tǒng)和車道級子系統(tǒng)兩部分，其中車道級子系統(tǒng)負責實現(xiàn)ETC車道的電子不停車收費，站級子系統(tǒng)負責后臺的ETC交易數(shù)據(jù)服務、運營參數(shù)管理以及系統(tǒng)運行監(jiān)控，并通過數(shù)據(jù)接口軟件，在站級實現(xiàn)ETC系統(tǒng)與聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理工作。在各個設(shè)備中，電子標簽讀寫天線通過RS232串行線接到位于收費亭的車道計算機上，讀寫天線與車載電子標簽之間的信息交換由應用程序直接控制；其它設(shè)備如自

15、動欄桿、費額顯示器、車道通行燈、車輛檢測器等設(shè)備通過車道控制器與車道計算機連接；視頻信號通過字符疊加器疊加在過車信息后傳遞到收費站的監(jiān)視器上。ETC是利用微波通信原理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，完成不停車收費作業(yè)。系統(tǒng)主要有二個部份組成，即是安裝在汽車上的車載標識卡3（也亦為電子標簽或智能識別卡）和安裝在收費站的車輛自動識別系統(tǒng)。車載標識卡主要用于記錄與車輛有關(guān)的數(shù)據(jù)，如車輛類型、車牌號碼、相關(guān)卡號和銀行帳戶等。收費站車輛自動識別系統(tǒng)，有一個安裝在收費車道上方的無線電收發(fā)器用于讀寫出車載標識卡與收費相關(guān)的數(shù)據(jù)。ETC車道4主要由天線、地感線圈、自動欄桿、信號燈等組成，如圖1.1所示：射頻識別卡信號燈

16、 ETC收費站自動欄地感線圈帶RFID智能識別卡車輛 圖1.1 ETC車道示意圖其工作的流程如下：（1） 當車輛進入通信范圍時，首先壓到觸發(fā)線圈，啟動天線。（2） 天線與電子標簽（車載機+CPU卡）進行通信，判別車輛電子標簽是否額有效。（3） 若有效則進行交易，交易成功，系統(tǒng)控制欄桿抬升，通行信號燈變綠，費額顯示牌上交易信息；若無效（無效卡、無卡、假卡、低值卡等）則報警（通信信號燈變紅）并保持車道關(guān)閉，直到車輛離開檢測線圈。（4） 車輛通過抓拍線圈時，系統(tǒng)進行圖像抓拍，字符疊加器將過車信息疊加到抓拍圖像。（5） 車輛通過落桿線圈后，欄桿自動回落，通行信號燈變紅。（6） 系統(tǒng)保存交易記錄，并將其

17、上傳至收費站服務器中，等待下一輛車進入。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，通過自動標識通行車輛，自動通過物聯(lián)網(wǎng)對上位機進行訪問，完成相關(guān)系統(tǒng)控制和費用的收繳，解決了原收費系統(tǒng)預付卡購買、儲值和收費等環(huán)節(jié)，有利于車輛管理系統(tǒng)的應用。1.3 本論文的組織結(jié)構(gòu)本論文是一篇理論設(shè)計的論文。論文的結(jié)構(gòu)如下：第1部分簡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用的范圍。第3部分總體介紹車輛管理系統(tǒng)三個部分，并分別描述了每個部分所包括模塊的功能。

18、第4部分介紹了用硬件實現(xiàn)其信息采集功能，用軟件實現(xiàn)系統(tǒng)與計算機的通信以及紅綠燈的顯示。第5部分是對整個設(shè)計過程的總結(jié)和心得，系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點。同時，闡述了本次設(shè)計過程中的體會。第2章 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)5（Internet of Things，縮寫IOT）是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。通過物聯(lián)網(wǎng)可以用中心計算機對機器、設(shè)備、人員進行集中管理、控制，也可以對家庭設(shè)備、汽車進行遙控，以及搜尋位置、防止物品被盜等各種應用。物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)人與人、人與物的連接主要靠的是其所獨有的分層結(jié)構(gòu)和所擁有的相關(guān)技術(shù)。2.1 物聯(lián)網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu) 物聯(lián)網(wǎng)

19、的結(jié)構(gòu)6分為三層：感知互動層、網(wǎng)絡傳輸層、應用服務層。如圖2.1所示：信息處理應用服務層社會應用系統(tǒng) 應用資源共享服務臺數(shù)據(jù)存儲平臺信息共享平臺智能控制系統(tǒng)RFID數(shù)據(jù)采集設(shè)備信息采集感知互動層互聯(lián)網(wǎng)標識管理系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡傳輸層 地址管理系統(tǒng)圖2.1物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 感知互動層處于整個體系的最底部，由大量具有感知和識別功能的設(shè)備組成，可以部署于世界任何位置、任何環(huán)境之中，被感知和識別的對象也不受限制。感知互動層的主要作用是感知和識別物體，收集環(huán)境信息。作為物聯(lián)網(wǎng)應用和發(fā)展的基礎(chǔ)，感知互動層涉及的主要技術(shù)包括RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)和控制技術(shù)等。網(wǎng)絡傳輸層位于整個體系的中間位置，包括各種通信網(wǎng)

20、絡（互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)）形成的融合網(wǎng)絡，被普遍認為是最成熟的部分。網(wǎng)絡傳輸層是物聯(lián)網(wǎng)提供無處不在服務的基礎(chǔ)設(shè)施。應用服務層位于整個體系的最頂部，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能化應用的解決方案集。物聯(lián)網(wǎng)通過應用服務層最終實現(xiàn)信息技術(shù)與行業(yè)的深度融合，對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有廣泛影響。應用服務層的關(guān)鍵在于實現(xiàn)信息的社會化共享以及解決信息安全的保障問題。全面感知、可靠傳輸、智能處理作為物聯(lián)網(wǎng)的核心能力，分別對應地在物聯(lián)網(wǎng)感知互動層、網(wǎng)絡傳輸層和應用服務層得到展現(xiàn)。全面感知是指利用RFID、二維碼、攝像頭、傳感器、傳感器網(wǎng)絡等感知、捕獲、測量的技術(shù)手段隨時隨地對

21、物體進行信息采集和獲??；可靠傳輸4是指通過各種通信網(wǎng)絡的融合，將物體接入信息網(wǎng)絡，隨時隨地進行可靠的信息交互和共享；智能處理是指利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量的跨地域、跨行業(yè)、跨部門的數(shù)據(jù)和信息進行分析處理，提升對物理世界、經(jīng)濟社會各種活動的變化的洞察力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。2.2 物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)2.2.1 射頻識別技術(shù)射頻識別技術(shù)7（RFID）是物聯(lián)網(wǎng)感知互動層的關(guān)鍵技術(shù)之一，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過無線射頻方式進行雙向通信，對目標對象加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。它廣泛應用于交通、物流、軍事、醫(yī)療和安全等領(lǐng)域，可以實現(xiàn)全球范圍的各種產(chǎn)品、物資流動過程中的動態(tài)、快

22、速、準確的識別與管理。典型的RFID系統(tǒng)8由RFID標簽（Tag）、RFID閱讀器（Reader）、天線、計算機4組成，如圖2.2所示：天線閱讀器（Reader）標簽（Tag）計算機圖2.2 RFID系統(tǒng)圖RFID標簽（Tag）又稱電子標簽、射頻卡或應答器，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標簽是一種集成電路產(chǎn)品，由耦合器和專用芯片組成。RFID閱讀器（Reader）又稱讀/寫器或讀卡器，是讀取標簽信息的設(shè)備。RFID閱讀器可以無接觸地讀取并識別RFID標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。天線是將RFID標簽的數(shù)據(jù)信息傳遞給閱讀器的設(shè)

23、備。計算機用做后臺控制系統(tǒng)，通過有線或無線方式與讀寫器相連，獲取電子標簽的內(nèi)部信息，對讀取的數(shù)據(jù)進行篩選和處理并進行后臺處理。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2.1所示：表2.1 RFID工作頻率分類表頻段頻率范圍工作原理應用特點低頻30-300kHz電磁感應識讀距離短(10cm)，低沉本高頻3-30MHz電磁感應識讀距離短(10cm)，數(shù)據(jù)量大超高頻300MHz-3GHz反向散射識讀距離遠(可達10cm)，速度快微波2.4-5.8Ghz反向散射識讀距離遠，速度快 1. RFID的工作原理標簽進入磁場后，如果接收到閱讀器發(fā)出的

24、特殊射頻信號，就能產(chǎn)生感應電流從而獲得能量，發(fā)送出存儲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)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。這樣，讀寫器通過天線可實現(xiàn)無接觸地讀取并識別標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。發(fā)生在閱讀器和電子標簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種：（1） 電感耦合：變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應定律。（2） 電磁反向散射耦合：雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。 2. RFID讀寫器RFID讀寫器9主要完成車載卡片與主機的信息的交換，用于識別車輛信息，完成收費等一

25、系列動作，此部分要求模塊穩(wěn)定度高，靈敏度高，可以實現(xiàn)2米以上讀卡，讀卡速度可以設(shè)定，至少是10ms，相同ID信息輸出時間間隔設(shè)定為2分鐘以上，系統(tǒng)可以在很短時間內(nèi)穩(wěn)定地實現(xiàn)收費等系列服務。RFID讀寫器由射頻模塊、讀寫模塊和天線構(gòu)成，如圖2.3所示：射頻模塊射頻處理器電源裝置天線射頻吸收器射頻振蕩器前置放大器電源裝置讀寫模塊電源放大器解碼及糾錯微處理器、存儲器、標準接口、時鐘電路其他設(shè)備輔助設(shè)備計算機網(wǎng)絡圖2.3 RFID讀寫器結(jié)構(gòu)框圖射頻模塊的主要作用是對射頻信號進行處理。讀寫模塊的主要作用是對讀寫器和電子標簽的身份進行驗證，并控制讀寫器與電子標簽6之間的通信過程。2.2.2 全球定位系統(tǒng)G

26、PS 10即全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）：利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進行定位、導航。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)，用戶設(shè)備部分GPS 信號接收。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，運行周期為12h。衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上（每個軌道面4顆），軌道傾角為55。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預存導航信息，GPS的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導航精度會逐漸降低。地面監(jiān)控部

27、分主要由1個主控站（Master Control Station ，簡稱MCS）、4個地面注入站（Ground Antenna）和6個監(jiān)測站（Monitor Station）組成。如圖2.4所示：S波段L1L2數(shù)據(jù)處理器接收機調(diào)制解器氣象傳感器監(jiān)控站觀測星歷與時鐘編算注入導航文字計算誤差主控站調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)處理機高功率放大器指令發(fā)生器數(shù)據(jù)存儲和外部設(shè)備注入站銫鐘GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星圖2.4 地面監(jiān)控系統(tǒng)框圖部分主控站是整個地面監(jiān)控系統(tǒng)的管理中心和技術(shù)中心。主控站主要負責收集監(jiān)控站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計算每顆GPS衛(wèi)星的軌道。注入站目前有4個，注入站的作用是把主控站計算得到的

28、衛(wèi)星星歷、導航電文等信息注入到相應的衛(wèi)星。注入站同時也是監(jiān)測站，另外還有2處監(jiān)測站，故監(jiān)測站目前有6個。監(jiān)測站設(shè)有GPS用戶接收機、原子鐘、傳感器和計算機。監(jiān)控站的主要作用是采集GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和當?shù)氐沫h(huán)境數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給主控站。用戶設(shè)備部分即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(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)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS

29、數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS 用戶設(shè)備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。1. GPS的定位原理GPS定位的基本原理7是根據(jù)高速運動的衛(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的方法，確定待測點的位置。如圖2.5所示，假設(shè)t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式。（X3,Y3,Z3）衛(wèi)星3衛(wèi)星2（X1

30、,Y1,Z1）衛(wèi)星4（X2,Y2,Z2）（X4,Y4,Z4）衛(wèi)星1 YZ（X,Y, Z）X 圖2.5 GPS的定位圖上述4個方程式中待測點坐標X、Y、Z和Vt0為未知參數(shù)，di(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機之間的距離。(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到接收機所經(jīng)歷的時間。C為GPS信號的轉(zhuǎn)播速度（即光速）。4個方程中各個參數(shù)意義如下：x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標。而，Xi、Yi、Zi(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導航電文求出。Vi(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)

31、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為接收機的時鐘差。由以上4個方程即可解算出待測點的坐標X、Y、Z和接收機時鐘差Vt0。2.2.3 傳感器技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的端部就是傳感器，傳感器11是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。1. 傳感器的主要特性(1) 分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入

32、量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發(fā)生變化。(2) 靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況傳感器下輸出量變化對輸入量變化的比值，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是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。第3章 車輛管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本章是在車輛管理的流程上對車輛管理三個部分的結(jié)構(gòu)進行介紹，先介紹三個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)，然后介紹了三個部分的各個模塊，以及每

33、個模塊的功能。3.1 車輛管理系統(tǒng)構(gòu)架本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛管理系統(tǒng)構(gòu)架主要包括三個部分：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3.1所示：信息傳輸子系統(tǒng)信息采集子系統(tǒng)信息管理子系統(tǒng) 圖3.1 車輛管理系統(tǒng)構(gòu)架3.2 信息采集子系統(tǒng)信息采集子系統(tǒng)的設(shè)計主要包含：（1）車輛識別模塊；（2）圖像監(jiān)控模塊；（3）信息處理模塊。如圖3.2所示：信息處理模塊車輛識別模塊圖像監(jiān)控模塊圖3.2 信息采集子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.2.1 車輛識別模塊車輛識別模塊主要由RFID技術(shù)、GPS技術(shù)、收費員計算機終端組成，它是整個不停車收費系統(tǒng)的核心，負責控制不停車收費車道所有設(shè)備的運行、收費業(yè)務操收費作的管

34、理以及與收費站計算機的通信和數(shù)據(jù)交換。其主要是：當收費車輛進入到不停車車道工作區(qū)后，車道控制系統(tǒng)的RFID技術(shù)里的天線(統(tǒng)稱電子標簽讀寫設(shè)備) 向車道的特定區(qū)域發(fā)出微波信號，喚醒電子標簽；電子標簽發(fā)射出本身數(shù)據(jù)信息，如發(fā)卡商(發(fā)卡銀行)編號、車輛的車牌號、車類參數(shù)、電子標簽號等標識信息；車道控制系統(tǒng)控制電子標簽讀寫設(shè)備接收被喚醒的電子標簽發(fā)射的數(shù)據(jù)，分析出車輛的標識信息(車牌號碼、車輛類型參數(shù)和人口收費站號)；同時GPS里的地面檢測系統(tǒng)收集車輛信號，GPS的接收器接收信號進行處理后通過GPS發(fā)送器發(fā)送給手機接收來實現(xiàn)定位從而對進入收費車道的車輛進行電子標簽的合法性校驗，并根據(jù)校驗結(jié)果進行下一步

35、操作。3.2.2 圖像監(jiān)控模塊攝像頭作為RFID讀寫器的輔助設(shè)備，可以在繳費、登記時對車輛進行監(jiān)控、抓拍，防止在無人值守情況下發(fā)生車輛作弊行為。3.2.3 信息處理模塊攝像頭的圖像以及RFID的電子標簽和閱讀器采集的信息是直接從車載傳感器和GPS裝置獲取數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)。而信息處理模塊采用性價比高的微處理器對數(shù)據(jù)流進行層次化組織管理，對來自傳感器和GPS裝置的信息和事件流進行加工和預處理，消除冗余，以減少網(wǎng)絡流量，提高傳輸?shù)挠行?。同時信息處理模塊還肩負著監(jiān)測終端傳感器和GPS模塊健康狀況的任務。當傳感器和GPS裝置被惡意拆卸時，通過無線收發(fā)裝置向管理中心發(fā)送報警信號。3.3 信息傳

36、輸子系統(tǒng)信息傳輸子系統(tǒng)的設(shè)計主是無線傳感器網(wǎng)絡。當車輛進出停車場時，利用無線傳感器網(wǎng)絡可將RFID讀寫器對車主的射頻卡進行的操作以短信或者語音播報的形式告知車主，這樣可以將停車場的收費信息、停車場的車位情況、環(huán)境信息及時傳達給車主，讓車主可以實時了解車輛以及與車輛收費有關(guān)的信息。3.4 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）收費管理。3.4.1 信息管理信息管理主要包括是信息錄入、信息查詢。信息錄入主要是對車主買車時信息進行初始化并錄入電腦存檔主要包括：小區(qū)編號、門牌編號、車輛牌號、車輛類型、車主身份、車主銀行卡。對于過往車輛的車輛牌號、車輛類型及所訪問業(yè)主進行初始化

37、設(shè)定。信息查詢主要是車主對信息進行查詢。3.4.2 收費管理當車輛離開高速收費點時，系統(tǒng)通過讀取車載卡的信息自動識別卡號，通過檢索系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫里的信息，查到相應的車輛記錄，界面顯示業(yè)主名、車牌號碼、車輛照片，以及動態(tài)提供的出場時間，從綁定的銀行卡自動扣除費用，并通過綁定的手機卡將信息以短信的方式告知車主。若余額不足則系統(tǒng)報警，車主可續(xù)存費用。第4章 車輛管理系統(tǒng)的設(shè)計本章介紹了以AT89C2051單片機14為平臺，基于nRF401射頻芯片的可讀可寫式射頻識別卡12的設(shè)計思路及工作原理，以及外圍控制器中紅綠燈、顯示屏和欄桿機的驅(qū)動電路及其相應的配套軟件和通信協(xié)議。4.1 硬件設(shè)計4.1.1 A

38、T89C2051單片機性能及串行通信功能1. 基本特性（1）與MCS-51單片機兼容，含80C51核；（2）片內(nèi)有2KB可重復編程的Flash程序存儲器，可擦/寫1000次以上；（3）2.7V6.0V的寬工作電壓范圍，全靜態(tài)邏輯，工作頻率可為0-24MHz；（4）兩級程序存儲器加密，128字節(jié)內(nèi)部RAM；（5）15條可編程I/O口線，2個16位定時/計數(shù)器；（6）5個中斷源，1個可編程全雙工串行口。2器件引腳AT89C2051的引腳圖如圖4.1所示：圖4.1 AT89C2051的引腳圖P1口：AT89C2051精簡了外部數(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器和

39、數(shù)據(jù)存儲器的能力。它的P1口是一個8位準雙向I/O口。P1.2P1.7內(nèi)置了上拉電阻，而P1.0和P1.1兩條口線卻沒有，需要外接上拉電阻。P1.0和P1.1分別是內(nèi)部高精度模擬比較器的+/-輸入端（AIN0/AIN1）。P1口的每個引腳的輸出緩沖器具有20mA的輸出驅(qū)動能力，可直接點亮LED顯示器。與其它51系列單片機一樣，當P1口的引腳作為輸入線使用時，應先對其寫1。P3口：AT89C2051的P3口是一個具有7位的準雙向多功能口。7條I/O口線是P3.0P3.5以及P3.7。P3口的每一個也同P1口一樣，具有20mA的輸出驅(qū)動能力。當其作為輸入口使用時也應先對它們寫1。P3口的全部口線都

40、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：P3.0/RXD，P3.1/TXD，P3.2/，P3.3/，P3.4/T0，P3.5/T1，如表4.1所示：表4.1 P3各端口引腳及兼用功能表端口引腳兼用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2 （外部中斷1）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部中斷）P3.5T1（定時器1的外部中斷）3 單片機串行通信功能 利用89C2051單片機進行串行通信時必須對有關(guān)寄存器進行設(shè)置，與串行通信有關(guān)的寄存器包括：電源控制寄存器PCON：在串行應用中，該寄存器用于對SMOD設(shè)置，完成對波特率是否加倍的設(shè)定。如表4

41、.2所示：表4.2 PCON的格式SMOD中斷允許控制寄存器IE：該寄存器完成對全局中斷和局部中斷的設(shè)定。如表4.3所示：表4.3 IE的格式EAET2ESET1EX1ET0EX0其中EA為CPU中斷允許位：1表示CPU開中斷；0表示CPU關(guān)中斷。ES為串行口中斷允許位：1表示串行口開中斷；0表示串行口關(guān)中斷。定時器/計數(shù)器方式控制寄存TMOD：選擇定時器/計數(shù)器及其工作方式，確定串行通信的波特率。如表4.4所示：表4.4 TMOD的格式GATEM1M0GATEM1M0串行口控制寄存器SCON：用來定義串行口的工作方式，進行接收、發(fā)送控制以及監(jiān)視串行口的工作狀態(tài)。如表4.5所示：表4.5 SC

42、ON的格式SM0SM1SM2RENTB8RB8T1R1其中SM2為多機通信：1表示允許多機通信；0表示禁止多機通信。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)送終端標志，R1為接收中斷標志。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4.6所示，表中fosc為單片機時鐘頻率。表4.6 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4.1.2 射頻識別卡和閱讀器的設(shè)計nRF40116

43、是挪威Nordic公司最新推出的單片無線收發(fā)一體芯片，是目前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點。nRF401的外圍元件很少，只包括一個基準晶振和幾個無源器件，基本無需調(diào)試，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。本節(jié)研究的射頻識別卡系統(tǒng)采用AT89C2051單片機和nRF401射頻芯片作為主要元件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)收發(fā)的硬件電路設(shè)計。圖4.2是nRF401的典型應用電路，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”=433.92MHz(Channel#1)；

44、CS=“1” =434.33MHz(Channel#2)，PWR_UP是電源開/(PWR_UP=“1” =Power up(Operating mode)；PWR_UP=“0”=Power down(Standby mode)，TXEN為工作模式選擇端口(TXEN=“1” =發(fā)射模式；TXEN=“0”=接收模式)。圖4.2 nRF401典型應用電路圖4.3是可讀可寫式射頻識別卡系統(tǒng)的原理圖，既可以作為閱讀器，又可以作為射頻識別卡，由軟件控制來完成數(shù)據(jù)的收發(fā)切換?？紤]到nRF401和單片機都只有一個串口，單片機還要和上位機相連，所以本方案中用了兩個單片機，一個完成和上位機的串口通信，另一個完成和

45、nRF401的串口通信，兩個單片機之間直接相連完成數(shù)據(jù)傳遞。下面說明可讀可寫射頻卡的工作原理。圖4.3 可讀可寫式射頻識別卡系統(tǒng)原理圖圖4.3中，X25045是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM三種功能于一身的可編程電路。X25045中的看門狗對系統(tǒng)提供了保護功能，當系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時間時，也就是說，當保持1或者0的時間大于看門狗的定時時間周期，電路中的看門狗將通過RESET輸出高電平信號使單片機復位。另外，X25045所具有的電壓監(jiān)控功能也可以保護單片機系統(tǒng)免受低電壓的影響，它的正常工作電壓是4.5V5.5V(和單片機共用)，如果電源電壓低于4.5V并持續(xù)200ms，則RESET

46、就輸出高電平復位單片機，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。發(fā)送過程：上位機把要發(fā)送的數(shù)據(jù)送給電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，數(shù)據(jù)經(jīng)過電平變換后，送給第一個單片機 (U2)的P3.0(RXD)引腳，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機U2處理后，送給單片機U3，從串行口P3.1(TXD)引腳送出去，然后，數(shù)據(jù)通過nRF401的DIN引腳，進入到射頻芯片內(nèi)部，經(jīng)過FSK調(diào)制，通過印刷天線發(fā)射出去。接收過程：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nRF401的串行口DOUT送給單片機U3的P3.0（TXD）,U3接收數(shù)據(jù)后，把它送給單片機U2，單片機U2再通過串行口P3.1(TXD)，把數(shù)據(jù)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送上位機

47、。當然在應用中，如果作為射頻識別卡來使用，可以把卡號、車型、牌照、用戶余額、入口車站編號、出口車站編號等數(shù)據(jù)存入片內(nèi)存儲器，此時只要用一個單片機即可完成與閱讀器的通信。4.2 軟件設(shè)計從射頻識別卡中提取數(shù)據(jù)（射頻識別卡的卡號）后，把數(shù)據(jù)送往上位機進行處理，計算出本次收費額，下傳到LED進行顯示；同時把處理后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應的控制字，來控制紅綠燈和提桿機準確動作。為此，本論文設(shè)計了相應配套軟件及通信協(xié)議。硬件部分以AT89C2051為設(shè)計核心，從上位機接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進入單片機后，進行軟件的相應處理，處理完畢送數(shù)碼管顯示收費額，同時送控制字到繼電器，繼電器控制紅綠燈和提桿機的動作。4.2.1. 外

48、圍控制器軟件的分析與實現(xiàn)在AT89C2051單片機系統(tǒng)中，單片機可以以直接傳送或應答握手的方式進行數(shù)據(jù)通信，但由于握手方式占用其他的端口，而單片機的端口數(shù)量有限，同時由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，本論文中計算機與單片機的通信采用直接傳送的方式，下面將重點介紹。單片機AT89C2051的串行端口有4種工作方式，通過編程設(shè)計，可以使其工作在任一方式。單片機串行通信的波特率可以程控設(shè)定，在不同的工作方式下，由時鐘頻率的分頻值或定時器T1的溢出率確定。單片機的串行端口有兩個控制寄存器，用來設(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志TI和RI。單片機可以采用查詢方式或中斷方式實現(xiàn)串行數(shù)

49、據(jù)的傳送。在查詢方式下，單片機循環(huán)對數(shù)據(jù)寄存器SBUF進行讀寫來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；在中斷方式下，對方式1、2來說，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完后，TI/RI自動置1，請求串行中斷，若CPU響應中斷，則執(zhí)行中斷服務程序，并把TI/RI清0以再次響應中斷。對在方式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放。查詢方式直接，易于理解，但占用大量CPU時間。實時控制中，由于事件的突發(fā)性，常采用中斷方式進行數(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在不進行數(shù)據(jù)通信時做其他工作。在此，由于事件的偶然性和要求傳送的實時性，故采用中斷方式來進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)

50、傳輸。下面介紹單片機在方式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個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位。波特率由定時器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，同時定時器1作為波特率發(fā)生器工作于方式2時，確定定時器的初值常采用如式4.1的計算公式17： （4.1）其中，TH1就是要對定時器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，必須選擇另外一種晶振頻率。是晶振頻率，V為波特率。K的值這樣確定：當SMOD=1時，K=2；當SMOD=0時，K=1。在晶振為11.0592MHZ時，波特率常采用9600b/s，如果K=1，

51、可計算出=253=0FDH。單片機的串行端口有一個數(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寫入數(shù)據(jù)就啟動了發(fā)送進程，讀SBUF就啟動了接收進程。對SBUF進行寫操作就可以啟動發(fā)送，在發(fā)送位移時鐘的同步下，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，中斷標志TI置位。在允許接收的條件下（REN=1），當RXD出現(xiàn)由1到0的負跳變時，即被當成是串行發(fā)送來的一幀數(shù)據(jù)的起始位，從而啟動一次接收進程。當8位數(shù)據(jù)接收完，并檢測到高電平停止位后，即把收到的8位數(shù)據(jù)裝入SBUF，置位RI，一幀數(shù)據(jù)的接收過程就完成了。下面是單片機以方式1在直接傳送下的中斷接收和發(fā)送程序。由于沒有使用通信握手，所以通信雙方都應作好通信準備。在計算機接收、單片機發(fā)送時，由計算機先發(fā)送字母AA，通知單片機已準備好，然后上位機處于等待狀態(tài)；當單片機接收到AA時，向計算機發(fā)送Y，表示單片機也準備好了，這樣，一旦計算機接收到Y(jié)就表示雙方都已經(jīng)準備好了，二者之間就可以交換數(shù)據(jù)了。在計算機發(fā)送、單片機接收時，計算機發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，單片機響應中斷，接收數(shù)據(jù)。單片機程序具體實現(xiàn)通信過程的流程圖如圖4.4所示。開始聯(lián)絡標志位置1初始化等待中斷是中斷