張輝波，王一堅(jiān)，陳志剛，黃莉娟

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756)

0 引言

軌道交通在人們的日常出行中扮演著越來越重要的角色，其安全運(yùn)行離不開對(duì)車輛的位置與速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。城市軌道交通通常采用的定位測(cè)速方法有輪軸光電計(jì)數(shù),長(zhǎng)定子齒槽檢測(cè)，多普勒雷達(dá)，交叉感應(yīng)回線，軌枕計(jì)數(shù)等技術(shù)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是一些新型器件的出現(xiàn)，使得在軌道交通中對(duì)車體的定位測(cè)速有了更多的選擇。射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)作為一種非接觸式的通信方式，可以通過射頻信號(hào)獲取目標(biāo)對(duì)象里預(yù)先存儲(chǔ)的信息，進(jìn)而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的目的[2]，現(xiàn)已廣泛用于與人們生活息息相關(guān)的許多領(lǐng)域。而對(duì)于路徑固定的軌道交通車輛，采用RFID的定位技術(shù)具有性價(jià)比高，研發(fā)周期短，使用靈活等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。基于RFID技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文提出一種應(yīng)用于軌道車輛的射頻識(shí)別定位測(cè)速系統(tǒng)。介紹了RFID定位測(cè)速原理，系統(tǒng)構(gòu)建方案及軟件設(shè)計(jì)流程，在室外開展的相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)定位測(cè)速的有效性。

1 RFID定位測(cè)速原理

限于電路響應(yīng)時(shí)間、讀寫器識(shí)別速度等因素，RFID系統(tǒng)適用于對(duì)中低速運(yùn)動(dòng)車體的定位測(cè)速。通過讀寫器可將位置信息預(yù)先寫入無源電子標(biāo)簽。根據(jù)位置信息，將標(biāo)簽放置在路徑的相應(yīng)位置。車載讀寫器經(jīng)過標(biāo)簽時(shí)，可讀取其數(shù)據(jù)并將實(shí)時(shí)位置信息傳輸至顯示終端。采用時(shí)差法可計(jì)算車體在兩個(gè)標(biāo)簽間的平均運(yùn)動(dòng)速度。其工作原理如圖1所示。

圖1 對(duì)車體定位測(cè)速的原理圖

(1)

2 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)由RFID讀寫器、RFID標(biāo)簽、STM32單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)、接口轉(zhuǎn)換電路、電源、液晶顯示終端組成，系統(tǒng)由移動(dòng)電源進(jìn)行供電，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。上電后，STM32通過串口向讀寫器發(fā)送16進(jìn)制的初始化配置命令，待收到初始化成功的響應(yīng)后，讀寫器將工作在定時(shí)模式，開始主動(dòng)搜索標(biāo)簽，搜索到電子標(biāo)簽后，將以數(shù)據(jù)幀的形式把數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32。STM32則將接收到的標(biāo)簽信息處理后，發(fā)送至液晶顯示終端。

圖2 車體定位測(cè)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖

2.1 RFID系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)所采用的RFID讀寫器型號(hào)為HR1907Q。這是一款自帶嵌入式微操作系統(tǒng)的多功能超高頻讀寫器，其工作頻率為902～928 MHz/865～868 MHz，輸出功率為0～30 dBm，讀取距離最遠(yuǎn)可達(dá)7 m，工作功耗僅為5 W，工作電壓為9～24 V。該讀寫器帶多種通信接口，支持多種通信協(xié)議，易于進(jìn)行二次開發(fā)。它每次可向串口發(fā)送長(zhǎng)度為25個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，而對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽支持12個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本設(shè)計(jì)的適用范圍為中短距離固定路徑，標(biāo)簽數(shù)目為12，因此標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息足以包含標(biāo)簽編號(hào)、信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)和相對(duì)距離。

為測(cè)試此讀寫器的讀取速度，通過上位機(jī)對(duì)其獲得的時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)幀信息進(jìn)行分析，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)幀的時(shí)間戳間隔平均值約為30 ms，因此在系統(tǒng)搭建時(shí)需要考慮車速過快可能導(dǎo)致的標(biāo)簽漏讀因素。

圖3 讀寫器讀取的數(shù)據(jù)幀

2.2 STM32單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)所使用到的STM32單片機(jī)系統(tǒng)為ALIENTEK MiniSTM32開發(fā)板，其板載MCU為STM32F103RCT6。此微處理器有64個(gè)I/O口，256 k的Flash內(nèi)存，設(shè)計(jì)中只需要用到其中兩個(gè)串口。系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為8 MHz，滿足設(shè)計(jì)需求。

2.3 接口轉(zhuǎn)換模塊

由于本設(shè)計(jì)采用的RFID讀寫器HR1907Q的通信接口為RS232，而STM32單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)所使用的接口為串口，因此需要采用RS232-TTL的接口轉(zhuǎn)換模塊將它們連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

定位測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要由位置提取模塊、速度計(jì)算模塊、顯示界面模塊組成，其主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)完成初始化以后，進(jìn)行液晶屏顯示界面的更新。當(dāng)檢測(cè)到標(biāo)簽信息時(shí)，STM32將從所獲得的數(shù)據(jù)幀中提取標(biāo)簽編號(hào)及位置信息，把16進(jìn)制的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成10進(jìn)制，傳輸至液晶屏顯示。在得到第一個(gè)標(biāo)簽信息的同時(shí)，開啟定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。當(dāng)再次得到標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，首先判斷是否與上一個(gè)標(biāo)簽相同，如果為新標(biāo)簽，STM32將停止定時(shí)器，并存儲(chǔ)定時(shí)器的時(shí)間數(shù)據(jù)，即車體在兩個(gè)標(biāo)簽間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算車體在兩個(gè)標(biāo)簽間的平均速度，同時(shí)將定時(shí)器清零，開始下一次計(jì)時(shí)。以此循環(huán)，除了經(jīng)過第一個(gè)標(biāo)簽時(shí)無法得到車速信息外，在經(jīng)過其它標(biāo)簽時(shí)均會(huì)得到不斷刷新的車體的速度值。其數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)化為“m/s”、“km/h”兩種模式的數(shù)據(jù)，并被傳輸?shù)揭壕溜@示。

圖4 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了對(duì)所研制系統(tǒng)的定位測(cè)速性能進(jìn)行評(píng)測(cè)，在一塊空曠的場(chǎng)地搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并開展相關(guān)測(cè)試工作。實(shí)驗(yàn)?zāi)M軌道車輛路徑固定的特點(diǎn)，將一輛汽車作為測(cè)試對(duì)象，并在測(cè)試區(qū)域內(nèi)，使汽車的行駛路徑近似為一條直線。

為了選擇合適的讀寫器天線的發(fā)射功率，首先對(duì)讀寫器垂直方向上的識(shí)別距離和發(fā)射功率之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表1所示?？紤]到實(shí)際測(cè)試時(shí)標(biāo)簽和讀寫器的距離為1 m以內(nèi)，選擇16 dBm為發(fā)射功率。

表1 HR1907Q發(fā)射功率和識(shí)別距離關(guān)系

在此發(fā)射功率下，對(duì)不同角度、不同距離的標(biāo)簽RSSI進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，在標(biāo)簽距讀寫器超過50 cm，偏離讀寫器軸心60°時(shí)，讀寫器無法識(shí)別到標(biāo)簽。同時(shí)，為了保證車體經(jīng)過時(shí)車載讀卡器能夠識(shí)別標(biāo)簽，需將車速控制在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過估算，在理想情況下，車速的上限理論值約為104 km/h，符合本設(shè)計(jì)的速度需求。

無源電子標(biāo)簽按照所寫入的位置信息以一定的間隔按直線放置在路旁的標(biāo)志物上。為了避免兩個(gè)標(biāo)簽同時(shí)被讀寫器識(shí)別的情況發(fā)生，相鄰兩個(gè)標(biāo)簽之間的距離為5 m以上。在實(shí)驗(yàn)中需避免附近有與RFID系統(tǒng)工作頻率接近的信號(hào)干擾。

實(shí)際測(cè)試中，汽車先在測(cè)量區(qū)間外完成啟動(dòng)并提速，然后盡量以勻速且和標(biāo)簽始終保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定距離的方式通過測(cè)試區(qū)間。通過液晶屏上的標(biāo)簽編號(hào)及位置信息，可判斷當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置及標(biāo)簽是否漏讀。將汽車儀表盤上顯示的速度和液晶屏上的速度進(jìn)行對(duì)比，可評(píng)價(jià)實(shí)測(cè)速度的精確性。限于場(chǎng)地面積，車速最高為50 km/h。經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)可正常工作，不會(huì)出現(xiàn)漏讀標(biāo)簽的現(xiàn)象。圖5為在以約30 km/h的車速進(jìn)行的測(cè)試過程中某時(shí)刻的結(jié)果?？梢钥闯?，系統(tǒng)可顯示標(biāo)簽編號(hào)、信號(hào)強(qiáng)度、實(shí)時(shí)相對(duì)位置和速度信息，其速度值與儀表板顯示速度基本吻合。

圖5 液晶屏顯示結(jié)果

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種以STM32為控制核心的射頻識(shí)別定位測(cè)速系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能對(duì)在固定路徑上以50 km/h以下速度行駛的車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位及較為精準(zhǔn)的速度計(jì)算。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步的研發(fā)包括數(shù)據(jù)的無線傳輸和上位機(jī)的開發(fā)，使其實(shí)用性更強(qiáng)，從而為中低速軌道交通的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一些參考。