基于nRF24L01的智能公交報站系統(tǒng)*

甘 泉，李 陽，許代代

（平頂山學院計算機科學與技術學院，平頂山467000）

基于nRF24L01的智能公交報站系統(tǒng)*

甘 泉，李 陽，許代代

（平頂山學院計算機科學與技術學院，平頂山467000）

現(xiàn)在國內(nèi)普遍采用手動公交車報站系統(tǒng)和GPS定位報站系統(tǒng)，存在操作不方便或價格昂貴等問題。采用nRF24L01和STC單片機，結合語音技術、LCD顯示技術，設計一個基于無線射頻識別技術的智能公交報站系統(tǒng)。能夠安全方便地對車站自動識別、自動報站，具有操作簡便、性價比高等特點。系統(tǒng)經(jīng)測試通信距離滿足要求，且穩(wěn)定可靠，提高了公交車運行的安全性及報站的準確性，具有較強的實用價值及廣泛的應用前景。

射頻識別技術；公交報站系統(tǒng)；STC單片機；語音技術；LCD顯示技術；控制器

1 引 言

當今國內(nèi)的公交報站普遍采用手動公交車報站系統(tǒng)和GPS定位報站系統(tǒng)。手動公交車報站系統(tǒng)存在操作不方便、誤報漏報等問題?；贕PS的公交車報站系統(tǒng)，是利用GPS獲得當前車輛位置信息，結合顯示技術和語音技術進行報站，實現(xiàn)了公交車報站系統(tǒng)自動化［1］，其主要問題是價格昂貴。

基于nRF24L01的智能公交報站系統(tǒng)由讀寫器、電子標簽和計算機系統(tǒng)構成［2］。讀寫器和電子標簽是射頻識別系統(tǒng)的主要組成部分，報站系統(tǒng)就是利用射頻識別技術原理實現(xiàn)公交智能報站功能。公交路線具有兩個特點：①每一條公交線路是固定不變的，因此對于每一路公交車所要經(jīng)過的站是固定不變的；②公交線路的每一個站牌是固定不變的，只是要?？康墓卉嚨能嚧螖?shù)在改變。因此，根據(jù)nRF24L01技術原理，公交車可看作一個移動中的讀寫器，每一個車站看作是一個固定的電子標簽。給每個車站設置一個獨一無二的代碼，站臺上的電子標簽按一定的規(guī)律發(fā)射自己的代碼供讀寫器接收，車載讀寫器設備則安裝在公交車上［3］，當公交車進入電子標簽作用范圍時，由車載讀寫器接收從站牌發(fā)來的nRF24L01信號，并進行識別，完成標簽與讀寫器之間的數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)公交車對車站名的自動識別和自動報站。智能報站系統(tǒng)模型圖如圖1所示。

圖1 智能報站系統(tǒng)模型

2 系統(tǒng)總體設計

智能公交報站系統(tǒng)由讀寫器、電子標簽和計算機系統(tǒng)構成。其中，讀寫器和電子標簽是射頻識別系統(tǒng)的主要組成部分，智能公交報站系統(tǒng)利用無線射頻識別技術原理實現(xiàn)公交智能報站功能。

無線射頻識別技術基本工作原理為：讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當附著標簽的目標對象進入發(fā)射天線工作區(qū)域時會產(chǎn)生感應電流，電子標簽憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動發(fā)送某一頻率的信號［4］。

系統(tǒng)從硬件和軟件兩個方面進行設計。在硬件設計方面，采用模塊化設計，系統(tǒng)主要由控制模塊電路、射頻通信電路、語音功放電路、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STC89C52；無線射頻收發(fā)芯片采用Nordic公司的nRF24L01，工作頻率選擇2．4GHz－2．5GHz；語音芯片選用ISD公司的ISD4004。在軟件設計方面，根據(jù)系統(tǒng)硬件組成原理和功能要求，使用C語言編寫射頻通信電路、串口通信電路、語音功放電路的控制程序，以及車載讀寫器和站牌主動式電子標簽的總體控制程序［6］。系統(tǒng)邏輯結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯結構圖

3 系統(tǒng)詳細設計

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存儲器［7］。STC89C52使用經(jīng)典的MCS－51內(nèi)核，但做了很多改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I／O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器／計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），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、定時器／計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。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頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“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)議設置可以通過SPI接口進行設置。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。極低的電流消耗：當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時電流消耗為11．3mA，接收模式時為12．3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。

3．3 語音模塊設計

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

芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口（SPI或Microwire）送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術，每個采樣值直接存貯在片內(nèi)FLASH存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、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，錄放時間越長，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），反復錄音10萬次。

3．4 液晶模塊設計

LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（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寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。

LCD12864帶中文字庫的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)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

4．1 車載讀寫器電路邏輯

車載讀寫器電路邏輯如圖3所示。

圖3 車載讀寫器電路邏輯

4．2 總體控制程序開發(fā)

系統(tǒng)總體控制邏輯為：當公交車行駛到站點信號范圍內(nèi)時，車載讀寫器不斷接收從站牌主動式電子標簽發(fā)送的信息，經(jīng)檢測、識別、判斷是否公交車到達，如果是，是哪一站，發(fā)送語音地址。此時，車載讀寫器轉(zhuǎn)向發(fā)射，向站牌發(fā)送數(shù)據(jù)。而電子標簽在車未到時就接收到該路車快到的信息后，通過LCD1602顯示該路車到的信息。之后，啟動語音模塊播放服務用語，并預報下一站，如此循環(huán)，從而實現(xiàn)了公交車對站名的自動識別、自動報站的功能。程序流程如圖4所示。

最后，對系統(tǒng)進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，完成車載讀寫器與站牌主動式電子標簽之間的雙工通信，經(jīng)過實地模擬測試，實現(xiàn)了公交車對車站自動識別、自動報站的功能，系統(tǒng)經(jīng)測試，通信距離遠，且穩(wěn)定可靠，具有較高的優(yōu)越性。

圖4 程序設計流程圖

5 結束語

系統(tǒng)采用nRF24L01和STC單片機，結合語音技術、LCD顯示技術，設計了一個基于無線射頻識別技術的智能公交報站系統(tǒng)。經(jīng)過實地模擬測試，這種新型公交車自動報站系統(tǒng)，報站準確，語音清晰流暢，運行效果良好，實現(xiàn)了城市公交車輛自動報站，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，成本低，具有很強的實用性和推廣價值，完全可以用于對現(xiàn)有公交車手動報站器進行大規(guī)模改造。系統(tǒng)的不足之處在于，司機在起始點和終點開始出發(fā)時需按鍵以確定行駛方向，這將在項目后續(xù)工作中研究解決。

［1］ 宋茜茜，丁衛(wèi)撐，庹先國．基于GPS的公交車自動報站系統(tǒng)［J］．科技視界，2012（1）：59－61．SONG Qian－qian，DING Wei－cheng，TUO Xian－guo．The Design of Automatic Bus－stop Annunciation System［J］．SCIENCE＆TECHNOLOGY INFORMATION，2012（1）：59－61．

［2］ 路勇，姚鶴齡．基于RFID技術的公交車車站自動識別自動報站系統(tǒng)［J］．現(xiàn)代電子技術，2005，28（13）：113－115．LU Yong，YAO Heling．The Automatics Recognition and Broadcasting System in Bus Station Based on RFID［J］．Modern Electronic Technique，2005，28（13）：113－115．

［3］ 張輝宜，陶永．智能公交系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］．中國儀器儀表，2007（11）：46－48．ZHANG Huiyi，TAO Yong．The Design and Implement of the Intelligent Public Traffic System［J］．China Instrumentation，2007（11）：46－48．

［4］ 游戰(zhàn)清，李蘇劍．無線射頻識別技術（RFID）理論與應用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005． YOU Zhanqing，LI Sujian．Theory and application of RFID［M］．Beijing：Electronic Industry Press，2005．

［5］ 付煒，馬建國．2．4GHz射頻識別中標簽電路設計與實現(xiàn)［J］．電子技術應用，2007（11）：61－63．FU Wei，MA Jianguo．Design and implementation of 2．4GHz RFID tags［J］．Application of electronic technique，2007（11）：61－63．

［6］ 馬忠梅．單片機的C語言應用程序設計［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2003．MA Zhongmei．Singlechip C language application design［M］．Beijing：Beijing university of aeronautics and astronautics press，2003．

［7］ 陳暉，張軍國，李默涵，等．基于STC89C52和nRF24L01的智能小車設計［J］．現(xiàn)代電子技術，2012，35（17）：12－15．CHEN Hui，ZHANG Junguo，LI Mohan，et．a(chǎn)l．Design of intelligent car based on STC89C52 and nRF24L01［J］．Modern Electronic Technique，，2012，35（17）：12－15．

［8］ 劉志平，趙國良．基于nRF24L01的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸［J］．應用科技，2008，35（3）：55－58．LIU Zhi－ping，ZHAO Guo－liang．Short－range wireless data transm ission based on nRF24L01［J］．Applied Science and Technology，2008，35（3）：55－58．

［9］ 張曉東，計玉芳，蒯申紅．基于ISD4004智能語音提示系統(tǒng)設計［J］．皖西學院學報2008，24（2）：69－71．ZHANG Xiao－dong，JI Yu－fang，KUAI Shen－h(huán)ong，et．a(chǎn)l．Design of an Intelligent Voice Prompt System Based on Chip ISD4004［J］．Journal of West Anhui University，2008，24（2）：69－71．

［10］ 趙亮．跟我學51單片機（七）—LCD1602液晶顯示模塊［J］．電子制作，2011（7）：74－77．ZHAO Liang．Follow me with 51MCU（7）－LCD1602 display module［J］．Electronic production，2011（7）：74－77．

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

平頂山學院科技創(chuàng)新基金重點項目（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