甘 泉，李 陽(yáng)，許代代

（平頂山學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，平頂山467000）

基于nRF24L01的智能公交報(bào)站系統(tǒng)*

甘 泉，李 陽(yáng)，許代代

（平頂山學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，平頂山467000）

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)普遍采用手動(dòng)公交車(chē)報(bào)站系統(tǒng)和GPS定位報(bào)站系統(tǒng)，存在操作不方便或價(jià)格昂貴等問(wèn)題。采用nRF24L01和STC單片機(jī)，結(jié)合語(yǔ)音技術(shù)、LCD顯示技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的智能公交報(bào)站系統(tǒng)。能夠安全方便地對(duì)車(chē)站自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)站，具有操作簡(jiǎn)便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試通信距離滿足要求，且穩(wěn)定可靠，提高了公交車(chē)運(yùn)行的安全性及報(bào)站的準(zhǔn)確性，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值及廣泛的應(yīng)用前景。

射頻識(shí)別技術(shù)；公交報(bào)站系統(tǒng)；STC單片機(jī)；語(yǔ)音技術(shù)；LCD顯示技術(shù)；控制器

1 引 言

當(dāng)今國(guó)內(nèi)的公交報(bào)站普遍采用手動(dòng)公交車(chē)報(bào)站系統(tǒng)和GPS定位報(bào)站系統(tǒng)。手動(dòng)公交車(chē)報(bào)站系統(tǒng)存在操作不方便、誤報(bào)漏報(bào)等問(wèn)題。基于GPS的公交車(chē)報(bào)站系統(tǒng)，是利用GPS獲得當(dāng)前車(chē)輛位置信息，結(jié)合顯示技術(shù)和語(yǔ)音技術(shù)進(jìn)行報(bào)站，實(shí)現(xiàn)了公交車(chē)報(bào)站系統(tǒng)自動(dòng)化［1］，其主要問(wèn)題是價(jià)格昂貴。

基于nRF24L01的智能公交報(bào)站系統(tǒng)由讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成［2］。讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)的主要組成部分，報(bào)站系統(tǒng)就是利用射頻識(shí)別技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)公交智能報(bào)站功能。公交路線具有兩個(gè)特點(diǎn)：①每一條公交線路是固定不變的，因此對(duì)于每一路公交車(chē)所要經(jīng)過(guò)的站是固定不變的；②公交線路的每一個(gè)站牌是固定不變的，只是要?？康墓卉?chē)的車(chē)次數(shù)在改變。因此，根據(jù)nRF24L01技術(shù)原理，公交車(chē)可看作一個(gè)移動(dòng)中的讀寫(xiě)器，每一個(gè)車(chē)站看作是一個(gè)固定的電子標(biāo)簽。給每個(gè)車(chē)站設(shè)置一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的代碼，站臺(tái)上的電子標(biāo)簽按一定的規(guī)律發(fā)射自己的代碼供讀寫(xiě)器接收，車(chē)載讀寫(xiě)器設(shè)備則安裝在公交車(chē)上［3］，當(dāng)公交車(chē)進(jìn)入電子標(biāo)簽作用范圍時(shí)，由車(chē)載讀寫(xiě)器接收從站牌發(fā)來(lái)的nRF24L01信號(hào)，并進(jìn)行識(shí)別，完成標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)公交車(chē)對(duì)車(chē)站名的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)報(bào)站。智能報(bào)站系統(tǒng)模型圖如圖1所示。

圖1 智能報(bào)站系統(tǒng)模型

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能公交報(bào)站系統(tǒng)由讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。其中，讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)的主要組成部分，智能公交報(bào)站系統(tǒng)利用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)公交智能報(bào)站功能。

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)基本工作原理為：讀寫(xiě)器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)附著標(biāo)簽的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)［4］。

系統(tǒng)從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)方面，采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由控制模塊電路、射頻通信電路、語(yǔ)音功放電路、串口通信電路、顯示電路五部分組成［5］。微控制器采用單片機(jī)STC89C52；無(wú)線射頻收發(fā)芯片采用Nordic公司的nRF24L01，工作頻率選擇2．4GHz－2．5GHz；語(yǔ)音芯片選用ISD公司的ISD4004。在軟件設(shè)計(jì)方面，根據(jù)系統(tǒng)硬件組成原理和功能要求，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)射頻通信電路、串口通信電路、語(yǔ)音功放電路的控制程序，以及車(chē)載讀寫(xiě)器和站牌主動(dòng)式電子標(biāo)簽的總體控制程序［6］。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3．1 微處理器的選擇

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器［7］。STC89C52使用經(jīng)典的MCS－51內(nèi)核，但做了很多改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I／O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高工作頻率35MHz，6T／12T可選。

3．2 射頻芯片的選擇

nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2．4GHz－2．5GHz的ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“Schock-Burst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器［8］。

輸出功率的頻道選擇和協(xié)議設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳送工作。極低的電流消耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時(shí)電流消耗為11．3mA，接收模式時(shí)為12．3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。

3．3 語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)

ISD4004系列工作電壓3V，單片錄放時(shí)間8至16分鐘，音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列［9］。

芯片設(shè)計(jì)是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過(guò)串行通信接口（SPI或Microwire）送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)FLASH存貯器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。采樣頻率可為4．0，5．3，6．4，8．0kHz，頻率越低，錄放時(shí)間越長(zhǎng)，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(fù)錄音10萬(wàn)次。

3．4 液晶模塊設(shè)計(jì)

LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5×7或者5×11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16×2，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符的液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的［10］，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫(xiě)的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。

LCD12864帶中文字庫(kù)的128×64是一種具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

4．1 車(chē)載讀寫(xiě)器電路邏輯

車(chē)載讀寫(xiě)器電路邏輯如圖3所示。

圖3 車(chē)載讀寫(xiě)器電路邏輯

4．2 總體控制程序開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)總體控制邏輯為：當(dāng)公交車(chē)行駛到站點(diǎn)信號(hào)范圍內(nèi)時(shí)，車(chē)載讀寫(xiě)器不斷接收從站牌主動(dòng)式電子標(biāo)簽發(fā)送的信息，經(jīng)檢測(cè)、識(shí)別、判斷是否公交車(chē)到達(dá)，如果是，是哪一站，發(fā)送語(yǔ)音地址。此時(shí)，車(chē)載讀寫(xiě)器轉(zhuǎn)向發(fā)射，向站牌發(fā)送數(shù)據(jù)。而電子標(biāo)簽在車(chē)未到時(shí)就接收到該路車(chē)快到的信息后，通過(guò)LCD1602顯示該路車(chē)到的信息。之后，啟動(dòng)語(yǔ)音模塊播放服務(wù)用語(yǔ)，并預(yù)報(bào)下一站，如此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了公交車(chē)對(duì)站名的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)站的功能。程序流程如圖4所示。

最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，完成車(chē)載讀寫(xiě)器與站牌主動(dòng)式電子標(biāo)簽之間的雙工通信，經(jīng)過(guò)實(shí)地模擬測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了公交車(chē)對(duì)車(chē)站自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)站的功能，系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，通信距離遠(yuǎn)，且穩(wěn)定可靠，具有較高的優(yōu)越性。

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用nRF24L01和STC單片機(jī)，結(jié)合語(yǔ)音技術(shù)、LCD顯示技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的智能公交報(bào)站系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)地模擬測(cè)試，這種新型公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，報(bào)站準(zhǔn)確，語(yǔ)音清晰流暢，運(yùn)行效果良好，實(shí)現(xiàn)了城市公交車(chē)輛自動(dòng)報(bào)站，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值，完全可以用于對(duì)現(xiàn)有公交車(chē)手動(dòng)報(bào)站器進(jìn)行大規(guī)模改造。系統(tǒng)的不足之處在于，司機(jī)在起始點(diǎn)和終點(diǎn)開(kāi)始出發(fā)時(shí)需按鍵以確定行駛方向，這將在項(xiàng)目后續(xù)工作中研究解決。

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Intelligent Bus Stop Reporting System Based on NRF24L01

Gan Quan，Li Yang，Xu Daidai
（College of Computer Science and Technology，Pingdingshan University，Pingdingshan 467002，China）

Now，the manual bus stop reporting systems and GPS station reporting system are commonly used，but they are inconvenient and expensive．Using nRF24L01 and STC microcontroller，combining with the techniques of the voice and LCD display，an intelligent bus stop reporting system，based on radio frequency identification technology，is designed in this paper．It has the functions of automatic identification and bus stop reporting with the characteristics of simple operation，high cost performance，etc．The test results show that the system meets the requirements of communication distance，and is stable and reliable because of the security of the bus operation and the accuracy of the stop reporting，and has high practical value and good application prospects．

RF identification technology；Bus stop reporting system；STC microcontroller；Voice technology；LCD display technology；Controller

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．018

TP212

A

1002－2279（2015）04－0069－04

平頂山學(xué)院科技創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目（S＆TIFP2013030）

甘泉（1980－），男，安徽省靈璧縣人，碩士研究生，講師，主研方向：算法分析等。

2015－01－04