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      基于RFID的小區(qū)車輛管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

      2020-07-15 06:52:44陳新泉
      關(guān)鍵詞:傳感音頻射頻

      陳 歡,陳新泉

      (安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

      0 引言

      現(xiàn)代社會(huì)的人們追求出行方便,汽車成了一般家庭的必需品,但是小區(qū)的車位有限,在管理本小區(qū)車輛的同時(shí)還有外來(lái)車輛進(jìn)入小區(qū),給小區(qū)的管理和安全帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的小區(qū)車輛管理系統(tǒng)無(wú)法與建設(shè)現(xiàn)代化小區(qū)的目標(biāo)相符合.在建設(shè)現(xiàn)代化小區(qū)的道路上,需要一種智能化的車輛管理系統(tǒng)來(lái)提高管理效率以及居民住宅區(qū)的安全,[1-2]本文將設(shè)計(jì)出一種以射頻識(shí)別為核心,結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng),具有語(yǔ)音播報(bào)提示以及紅外傳感檢測(cè)的小區(qū)車輛管理系統(tǒng).

      1 總體設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)的核心技術(shù)是射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù),[3-4]其次用 STM32F103作為最小開(kāi)發(fā)系統(tǒng).系統(tǒng)主要有射頻識(shí)別模塊、語(yǔ)音溫馨提示模塊、LCD液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)(門(mén)閘開(kāi)關(guān))模塊、傳感檢測(cè)防碰撞模塊組成.識(shí)別合法的身份后,MCU控制各個(gè)模塊的工作,系統(tǒng)的總體框架如圖1所示.

      在無(wú)須人工干預(yù)的情況下,用讀卡器讀取持有合法RFID智能卡的用戶,自動(dòng)控制門(mén)閘的開(kāi)關(guān).為防止出入的車輛與門(mén)閘間發(fā)生碰撞,還設(shè)計(jì)了傳感檢測(cè)模塊來(lái)控制門(mén)閘的開(kāi)閉;當(dāng)識(shí)別到持有非法RFID卡的用戶,門(mén)閘關(guān)閉,車輛不能進(jìn)入小區(qū),著實(shí)保障了小區(qū)的安全.此外更為人性化的語(yǔ)音播報(bào)功能,能夠播報(bào)業(yè)主出入溫馨提示語(yǔ)以及識(shí)別到非法車輛進(jìn)入小區(qū)時(shí)及時(shí)提醒管理員,安全方便,滿足了小區(qū)車輛管理的自動(dòng)化、智能化以及人性化的需求.

      圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.1 Overall Architecture of the System

      2 硬件設(shè)計(jì)

      2.1 MCU主控芯片

      該 系統(tǒng)采用的是STM32F1家族的主控芯片,[1]為了降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本,因而選擇了STM32F103作為系統(tǒng)的主控模塊.系統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及的原理圖均在Altium Designer 10中完成,MCU STM32F103最小系統(tǒng)接口電路如圖2所示.

      圖2 MCU STM32F103最小系統(tǒng)接口電路圖Fig.2 Minimum System Interface Circuit Diagram of MCU STM32F103

      2.2 射頻識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)

      傳統(tǒng)的小區(qū)車輛管理只對(duì)進(jìn)入小區(qū)的車輛身份進(jìn)行認(rèn)證,為了更大程度上保障小區(qū)的安全以及滿足現(xiàn)實(shí)所需,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了進(jìn)出兩個(gè)方向的身份認(rèn)證,車輛不僅需要在進(jìn)入小區(qū)時(shí)進(jìn)行識(shí)別,在出小區(qū)時(shí)需要再次識(shí)別.系統(tǒng)中有兩個(gè)完全一樣的識(shí)別模塊,均是由RFID-RC522組成.

      (1)射頻識(shí)別模塊的工作過(guò)程.

      射頻識(shí)別模塊的工作主要分為兩個(gè)方面,一個(gè)是MCU與模塊的數(shù)據(jù)傳輸;另一個(gè)是模塊與射頻卡之間的數(shù)據(jù)傳輸.[7-8]射頻識(shí)別模塊與MCU之間的數(shù)據(jù)交互主要是通過(guò)SPI通訊來(lái)實(shí)現(xiàn),SPI的原理就是通過(guò)MCU產(chǎn)生的SCK信號(hào)來(lái)控制射頻識(shí)別模塊的通訊時(shí)鐘.[9]對(duì)于射頻識(shí)別模塊與射頻卡之間的數(shù)據(jù)通訊,其有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn),[10]起始階段,RFID-RC522射頻卡讀寫(xiě)器進(jìn)行尋卡,尋找模塊附近所有符合該通訊標(biāo)準(zhǔn)的射頻卡,然后通過(guò)內(nèi)置的防沖突機(jī)制來(lái)確定唯一的射頻信號(hào),當(dāng)確定了所識(shí)別射頻信號(hào)的控制命令后進(jìn)行選卡,接下來(lái)就是進(jìn)行密碼的驗(yàn)證,這也是最重要的一步,當(dāng)密碼驗(yàn)證通過(guò)即可對(duì)射頻卡進(jìn)行寫(xiě)操作,即更改密碼或者相應(yīng)的控制指令.

      (2)MCU與RC522接口設(shè)計(jì).

      該系統(tǒng)有兩個(gè)RFID模塊,分別是對(duì)進(jìn)入和駛出的車輛進(jìn)行身份識(shí)別,經(jīng)過(guò)分析,兩次識(shí)別的模塊硬件設(shè)計(jì)過(guò)程是相同的.因此,只需重點(diǎn)解決一個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì),MCU與RC522的連接圖如圖3所示.

      連接說(shuō)明:

      SDA是雙向數(shù)據(jù)接口,其在不工作的時(shí)候一直處于高電平狀態(tài),因此選擇與STM32主控模塊的PC2引腳相連,并進(jìn)行與RC522的數(shù)據(jù)傳輸.時(shí)鐘控制接口SCK與STM32主控模塊PC7引腳相連接,由主控模塊向次模塊傳輸時(shí)鐘控制信號(hào),控制數(shù)據(jù)交互的時(shí)間,MISO、MOSI接口的功能都是進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互,唯一不同的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?,分別與主控模塊的PC6、PC5引腳相連完成外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸.RST是復(fù)位信號(hào)接口,與PC4連接完成RFIDRC522的復(fù)位.當(dāng)主控模塊與這些接口正確連接后,燒寫(xiě)完程序便可實(shí)現(xiàn)射頻接收模塊與主控模塊之間的通信.

      體育活動(dòng)能夠增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)者的體魄、舒緩運(yùn)動(dòng)者壓力以及促進(jìn)運(yùn)動(dòng)者身心健康發(fā)展。由于體育活動(dòng)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程,因此,要提高體育運(yùn)動(dòng)的效果,就必須“從小開(kāi)始”,即必須注重對(duì)小學(xué)生的體育行為與習(xí)慣的教育。近年來(lái)隨著新課標(biāo)的貫徹落實(shí),小學(xué)體育學(xué)科教學(xué)得到了快速的發(fā)展。在新時(shí)代背景下進(jìn)一步明確體育學(xué)科教學(xué)發(fā)展方向并進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新,是進(jìn)一步推動(dòng)小學(xué)體育學(xué)科教學(xué)發(fā)展的重要保障。

      圖3 MCU與RC522的連接圖Fig.3 Connection Diagram between MCU and RC522

      2.3 液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)

      該系統(tǒng)顯示模塊的主要功能是在識(shí)別到合法用戶時(shí),顯示用戶的ID,該ID主要由字母和數(shù)字組成.考慮到此系統(tǒng)的實(shí)用性,選用型號(hào)為L(zhǎng)CD1602A的液晶顯示屏進(jìn)行顯示模塊的設(shè)計(jì),該模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,配置容易以及具有高安全性、高穩(wěn)定性、低功耗的特點(diǎn).LCD1602A液晶顯示模塊是由若干點(diǎn)陣塊構(gòu)成,其可以顯示多重字符.一個(gè)字符只能在一個(gè)點(diǎn)陣上進(jìn)行顯示,而且顯示的內(nèi)容之間都有一定的間距,更加的清晰,其帶有字符發(fā)生器ROM可以顯示192種字符.另外,該液晶顯示屏還內(nèi)置80B的RAM.

      圖4為L(zhǎng)CD1602A與MCU的接口電路,LCD1602A的數(shù)據(jù)總線DB0-DB7分別于MCU的PA0-PA7相連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使能信號(hào)EN與MCU的PA10連接,傳輸使能信號(hào).GND、BLK接口接地,R/W讀寫(xiě)接口接PA9.

      圖4 LCD1602A與MCU的接口電路圖Fig.4 Interface Circuit Diagram between LCD1602A and MCU

      2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

      在實(shí)際應(yīng)用中,小區(qū)車輛管理系統(tǒng)有一個(gè)門(mén)閘功能,其核心就是一個(gè)電機(jī),本設(shè)計(jì)將用步進(jìn)電機(jī)來(lái)模擬門(mén)閘,利用MCU控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制門(mén)閘的開(kāi)閉.

      驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)電機(jī)的主要控制模塊,綜合實(shí)用與性能的考慮,本次設(shè)計(jì)選擇ULN2003驅(qū)動(dòng)器,ULN2003負(fù)載能力強(qiáng),能夠滿足各種在大功率條件下工作的電機(jī),ULN2003內(nèi)部的電路能夠直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù).MCU與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的接口設(shè)計(jì)如圖5所示.

      連接說(shuō)明:

      步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部共有四相線圈,因此在CPU輸入脈沖只需用到ULN2003的四個(gè)脈沖輸入引腳,引腳9接電源,GND接地.ULN2003輸入脈沖引腳4接MCU的PB8,引腳5接MCU的PB9,引腳6接MCU的PB10,引腳7接MCU的PB10.

      圖5 MCU與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的接口設(shè)計(jì)Fig.5 Interface Design of MCU and Motor Driver Module

      2.5 傳感檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)的傳感檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)在電機(jī)工作的時(shí)候門(mén)閘下是否有其他物體經(jīng)過(guò),以防與門(mén)閘發(fā)生碰撞,當(dāng)有檢測(cè)到物體時(shí),電機(jī)維持當(dāng)前狀態(tài);沒(méi)有檢測(cè)到物體時(shí),電機(jī)進(jìn)入下一個(gè)工作狀態(tài),即關(guān)閉狀態(tài).

      該系統(tǒng)選用的傳感模塊為FC-123紅外尋跡模塊,該模塊使用的傳感器主要是紅外傳感器,該模塊有一個(gè)發(fā)送紅外線的探頭,然后還有一個(gè)接收端,當(dāng)對(duì)傳感模塊供電工作時(shí),該模塊上的紅外發(fā)射裝置不斷向外發(fā)送紅外光,發(fā)射出去的紅外光遇到物體時(shí),會(huì)經(jīng)過(guò)物體反射一部分紅外光,從而能夠被傳感模塊上的信號(hào)接收裝置所識(shí)別,此時(shí),紅外模塊的輸出引腳會(huì)有電平的變化,與主控模塊連接后,相應(yīng)的引腳電平也會(huì)發(fā)生變化.圖6為紅外模塊組成結(jié)構(gòu).

      圖6 紅外模塊組成結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of Infrared Module

      該傳感模塊的功能比較簡(jiǎn)單,就是去發(fā)射紅外光以及檢測(cè)反射回來(lái)的紅外光,該模塊只有三個(gè)接口,主要的輸出信號(hào)接口為OUT,將檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后引起OUT引腳的電平變化.MCU與傳感檢測(cè)模塊的接口連接圖如圖7所示.

      連接說(shuō)明:

      FC-123的OUT輸出引腳與MCU的PB13相連接,GND接地,VCC接+3.3V的電壓.

      2.6 語(yǔ)音播報(bào)模塊的設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)語(yǔ)音模塊的主要功能是播報(bào)業(yè)主出入溫馨提示語(yǔ)以及當(dāng)識(shí)別到非法用戶時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音提示,語(yǔ)音模塊需要播報(bào)幾段不同的語(yǔ)音,從而需要進(jìn)行語(yǔ)音的切換.因此,需要選擇功能更全的音頻播放器.

      該系統(tǒng)選用JQ6500-28pin語(yǔ)音模塊,JQ6500是一個(gè)高度集成音頻播報(bào)的芯片模塊,可以播放MP3等各種格式的音頻文件.可以利用上位機(jī)進(jìn)行更改內(nèi)部存儲(chǔ)器中的音頻,另外還可以播放TF卡內(nèi)的音頻,支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng).當(dāng)需要指定播放內(nèi)部的音頻時(shí),只需根據(jù)簡(jiǎn)單的通訊指令就能實(shí)現(xiàn),在設(shè)定播放音頻時(shí)不要對(duì)底層的指令進(jìn)行更改,控制起來(lái)非常方便,此種語(yǔ)音模塊最大的優(yōu)點(diǎn)就是輸出音頻的可靠性,不會(huì)掉幀.此外,廠家提供了一個(gè)上位機(jī)軟件,通過(guò)USB端口能夠?qū)⒅付ǖ囊纛l文件導(dǎo)入其中.

      該系統(tǒng)中,語(yǔ)音模塊主要播放三段音頻,因此只需要設(shè)置JQ6500開(kāi)發(fā)板的K1、K2、K3引腳來(lái)播報(bào)第一段、第二段、第三段的音頻,圖8是JQ6500與MCU的連接圖.

      JQ6500開(kāi)發(fā)板的K1、K2、K3對(duì)應(yīng)于 MCU的PB0、PB1、PB2,表示控制JQ6500按指定順序播放對(duì)應(yīng)的音頻.

      圖7 MCU與傳感檢測(cè)模塊的接口圖Fig.7 Interface Diagram between MCU and Sensor Detection Module

      圖8 MCU與語(yǔ)音播報(bào)模塊連接圖Fig.8 Connection Diagram between MCU and Voice Broadcast Module

      3 軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

      3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

      該系統(tǒng)主要有射頻識(shí)別、顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感檢測(cè)、語(yǔ)音播報(bào)等模塊.系統(tǒng)采用功能分析法,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì),各個(gè)模塊的功能定義如下:

      (1)射頻識(shí)別模塊進(jìn)行尋卡以及防沖撞,判斷ID的非法性;

      (2)讀卡成功后,液晶顯示屏顯示卡的ID;

      (3)語(yǔ)音播報(bào)模塊根據(jù)讀卡是否合法性進(jìn)行播報(bào)對(duì)應(yīng)的音頻;

      (4)識(shí)別模塊尋到合法ID后,步進(jìn)電機(jī)工作,控制開(kāi)關(guān);

      (5)電機(jī)工作時(shí),紅外尋跡傳感器檢測(cè)電機(jī)下是否有物體通過(guò),控制電機(jī)的開(kāi)閉.

      系統(tǒng)工作流程圖如9所示.

      圖9 系統(tǒng)工作流程圖Fig.9 Working Flowchart of the System

      3.2 系統(tǒng)總體測(cè)試

      首先,射頻識(shí)別模塊進(jìn)行讀卡識(shí)別,本次設(shè)計(jì)只用一張合法的射頻卡以及一張非法卡進(jìn)行測(cè)試.當(dāng)讀取到合法的射頻卡時(shí),顯示屏顯示卡的ID,步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn),語(yǔ)音模塊播放相應(yīng)的音頻.在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),若傳感器檢測(cè)到物體,則電機(jī)保持當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài).

      成功識(shí)別合法的射頻卡后,顯示模塊顯示卡的ID,電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng),語(yǔ)音播報(bào)“歡迎回家”提示語(yǔ),此時(shí)傳感器檢測(cè)到物體,讓電機(jī)保持當(dāng)前狀態(tài).在出小區(qū)的射頻模塊中,識(shí)別到合法ID的過(guò)程與進(jìn)入小區(qū)的過(guò)程相似,唯一不同的就是語(yǔ)音播放的內(nèi)容,出小區(qū)時(shí),語(yǔ)音播放“一路平安”提示語(yǔ).

      當(dāng)識(shí)別到非法的射頻卡時(shí),本次測(cè)試用的是學(xué)校的校園卡,顯示模塊顯示“Invalid ID Card!”,電機(jī)不工作,同時(shí)語(yǔ)音模塊播報(bào)“非法卡,請(qǐng)聯(lián)系管理處”提示語(yǔ).非法卡的識(shí)別過(guò)程,進(jìn)出入小區(qū)的情況完全相同.

      4 結(jié)語(yǔ)

      本文從RFID技術(shù)角度展開(kāi)對(duì)小區(qū)車輛管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì),以射頻識(shí)別模塊為主要功能模塊,集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示模塊、傳感檢測(cè)模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊,實(shí)現(xiàn)了小區(qū)出入口門(mén)閘的自動(dòng)開(kāi)閉、播報(bào)業(yè)主出入溫馨提示語(yǔ)和非法車輛進(jìn)入小區(qū)的警示語(yǔ)、顯示射頻卡號(hào)及防止汽車與門(mén)閘間的碰撞等功能.該模型極大地提高了小區(qū)車輛管理效率,為現(xiàn)代化智慧小區(qū)建設(shè)提供了重要的指導(dǎo)意義.

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