基于RFID的小區(qū)車輛管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

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.