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毕业论文代写基于 RFID 的停车场管理系统设计

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随着我国城市人口密度的增加和私家车数量的猛增,传统的停车场管理方式已经不能满足城市交通管理的需要,人们迫切需要引进更多智能交通领域、自动控制领域的先进技术,进一步提高停车场管理系统的自动化和智能化水平。本文在RFID的基础上,研究了停车场的管理,实现了系统的自动化,以及智能化水平的提高,从而提高了停车场管理系统管理水平。


关键词:RFID;停车场管理;系统;射频






























                                 目     录  

摘要1

第一章 绪论2

第二章 RFID系统概述3

2.1 RFID 工作原理3

2.2 RFID操作4

第三章 射频识别系统设计5

3.1 射频识别系统的硬件组成5

3.1.1主控制器6

3.1.2射频通信模块6

3.2 主控制器设计6

3.3射频通信模块设计8

3.4射频识别系统软件设计10

3.4.1读标签(接收数据)程序设计12

3.4.2写标签(发送数据)程序设计12

第四章 总结14

参考文献15




























第一章 绪论

  随着国内汽车数量的快速增长,很多大中型城市出现交通拥堵和“停车难”等现象。停车场的出现在一定程度上缓解了这一现象,促进了交通设施建设的正规化[1]。但是由于城市人口密度的增加和汽车数量剧烈增长的双重压力,城市交通管理对停车场管理系统提出了新的要求。停车场管理系统迫切需要引进更多智能交通领域和现代控制领域的前沿技术,进一步提高系统的自动化程度和智能化水平[2]。射频识别RFID技术是一种非接触式的自动识别技术,它使用无线射频通信方式来实现阅读器和标签之间的数据的非接触双向传输。与其他传统的自动识别技术相比,它具有非接触性、数据读取速度快、作用距离远、安全性好,环境适应性好,多标签同时识别等优点,因此,在工业自动化、交通运输控制管理、物流控制、商品管理和停车场管理系统等众多领域得到广泛的应用和发展[3]。

第二章 RFID系统概述

2.1 RFID 工作原理

   对于RFID 系统,基本模型如图 2-1 所示。

                      图 2-1  RFID 的基本模型

  根据图2-1可知,电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合,在耦合通道内,根据时序关系,实现能量传递和数据交换。 而RFID 系统前端原理如图 2-2 所示,其主要完成能量耦合、数据调制等功能[7]。

                     图 2-2  RFID系统前端原理图

   在阅读器和电子标签之间的射频信号,耦合类型主要有电感耦合和电磁耦合两种形式[8]。 第一种方式,电感耦合,电感耦合属于变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,其工作依据是电磁感应原理,如图 2-3 所示。电感耦合一般适用于中低频工作的近距离射频识别系统,典型的工作频率包括125kHz, 225kHz和13.56MHz三种。使用电感祸合的射频识别系统的识别距离一般小于lm,典型的识别距离为10 到20cm 。

                           图 2-3 电感耦合

   第二种方式,电磁耦合,电磁耦合也称为电磁反向散射耦合,属于雷达原理模型,发射出去的电磁波碰到目标后反射,同时携带回目标信息。电磁耦合的工作依据是电磁波的空间传播规律,如图2-4所示。

                           图2-4  电磁耦合

2.2 RFID操作

   基于RFID的停车场管理系统,通过对停车场功能需求分析,明确了停车场管理系统的功能,进而完成系统的总体结构设计。然后,对停车场管理系统的射频识别子系统进行硬件设计;提出停车场管理系统的应用设计。在RFID技术基础上建立了停车管理系统,实现了阅读器和标签之间的数据的非接触双向传输。

为了实现停车场内管理系统、车辆之间的信息交换,本系统采用了RFID射频的识别技术。将RFID标签贴在车辆前,即挡风玻璃处,用于存储车主、车辆信息。系统采用RMU910,即超高频读写模块,RMU910工作频率为840-960 MHz,往往按需要频段定制,其协议遵守EPCC 1、 GEN2/ISO,工作电压为3. 6-5.5 V,采用SMD模块化封装,其最大输出功率是27 dBm,且软件可调,读写距离大于3 m,可以满足本系统的需求。当携带RFID标签的汽车开进管理系统磁场后,在感应电流的作用下,把存储在芯片中的车辆基本信息发送,而阅读器获取数据、解码后,送到智能信息管理系统并进行数据处理。

















第三章 射频识别系统设计

射频识别系统作为系统自动识别车辆身份的终端,在基于RFID系统的停车场管理系统的硬件组成中占有很重要的位置,其性能的优劣将直接影响系统稳定性和系统运行的效率。本文选用超低功耗单片机MSP430作为射频识别系统的主控芯片,结合以单片无线收发芯片nRF401为主体芯片的射频通信模块和串口通信模块共同构成射频识别系统。单片机MSP430通过射频通信模块实现对电子标签的识别和读写控制,并通过串口通信模块与上位机进行通信。图3-1为射频识别系统的工作原理图。

3-1射频识别系统工作原理

3.1 射频识别系统的硬件组成

射频识别系统总体上可以简化为主控模块、射频通信模块和串口通信模块三大模块,其中主控模块又包括了电源模块和状态指示模块,所以整个射频识别系统共有电源模块,主控制器,状态指示模块,串口通信模块和射频通信模块五部分组成。图3-2为射频识别系统的硬件结构图。

3-2射频识别系统硬件结构图

其中电源模块的主要作用是为主控制器提供稳定电源,状态指示模块用于显示系统工作状态以及警告提示,串口通信模块则为主控制器提供与上位机通信的接口。整个系统的核心是主控制器和射频通信模块,二者分别具有以下功能。

3.1.1主控制器

主控制器是系统的控制单元,在下位机中负责射频通信模块与电子标签的通信控制,主要功能有控制射频通信模块的工作状态,执行防碰撞算法,实现多标签识别,完成信号的编码、解码工作和数据校验控等操作;另一方面通过串口通信模块与上位机进行通信,并执行上位机发送来的指令。

3.1.2射频通信模块

射频通信模块功能是实现与标签的无线射频通信。当标签进入射频通信模块的作用范围内,射频通新模块首先发射功率启动电子标签并为其提供工作能量,然后对发射信号进行调制、功率放大和滤波处理,并通过模块天线发送给电子标签。当射频通信模块接收到电子标签返回信号之后,对信号进行解调后传送至主控制器。

3.2 主控制器设计

本文选用单片机MSP430F149 作为主控制器的主控芯片,MSP430F149 芯片的外部引脚如图3-3所示。MSP430F149 是TI 公司生产的16位超低功耗单片机,它可以提供五种低功耗模式,并且具有丰富的中断系统,可以在短时间内将单片机从低功耗模式唤醒,提高了系统的处理速率。MSP430F149 单片机内部集成了丰富的外围模块,可以满足系统多功能模块的设计。主控制器以单片机MSP430F149 芯片为核心,其外围辅助电路主要包括复位电路,状态指示电路和时钟电路等,图3-4为主控制器及其外围电路原理图。

图3-3 MSP430 芯片引脚图

图3-4 主控制器及其外围电路原理图

串口通信模块是主控制器与上位机进行数据交换的接口,在整个系统中具有重要作用。RS-232标准是美国电子工业协会EIA与BELL等公司一起开发的数据传输总线标准,是目前 PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口,被定义为一种低速率串行通讯中增加通信距离的单端标准,比较适合本文应用。

RS-232 标准采用的是负逻辑方式,+5~+15V 对应标准逻辑“0”,-15~-5V对应标准逻辑“1”,要与 TTL 电路进行通信必须经过电平转换。本系统采用MAX3232 芯片作为电平转换芯片,图3-5为串行通信模块电路图。

图3-5 RS-232 串口通信模块原理图

在系统设计中,单片机 MSP430F149 以及部分外围电路和射频通信模块需要3.3V 直流稳压电压,而串口通信模块和其他部分需要 5V 直流稳压电压,所以电源模块需要设计一个电压转化电路,来完成两种电压之间的转换。本设计选用半导体器件 AS1117 作为电压转化器件。AS1117 是一个低功耗正电压管理芯片,可以进行 2.85V、3V、3.3V 和 5V 五种电压转换,输出电流为 800mA。系统接通电源之后,从1脚输入+5V电压,从3脚输出+3.3V电压,在电压转换过程中,发光二级管D1 发光,显示电压转换工作正常进行。图3-6为电压转换电路。

图3-6 电压转换电路

3.3射频通信模块设计

射频通信模块的核心是NORDIC公司生产的单片无线收发芯片nRF401,它符合欧洲电信工业标准(ETSI)EN300 200-1 C1.2.1。该芯片使用的是433MHz ISM频段,有两个工作频宽(433.92/434.33MHz),它采用了FSK调制解调方式,工作速率最高可以达到 20K,并且发射功率可调,最大可以达到+10dBm。nRF401 芯片所需要的外围元件比较少,一般情况下大约为10个,不需要再添加声表滤波器和变容二极管等相对昂贵的元器件。nRF401 芯片在工作开始时不需要进行初始化和配置,使用起来非常方便,并且它可以通过单片机的串口直接与之通信,不需要对数据进行曼彻斯特编码,具有较高的数据传输速率。nRF401芯片的功耗很低,工作电压最大为5V,最小可达2.7V,并设有待机模式,可以进一步节省能耗。图3-7为nRF401芯片的内部结构框图:

图3-7 nRF401 芯片的内部结构框图

nRF401 芯片内部包含了发射电路,接收电路,模式和低功耗控制逻辑电路以及串行接口等四个模块。其中发射电路由射频功率放大器(LNA)、压控振荡器(VCO),锁相环(PLL),频率合成器等电路组成。表3-1为图中外露管脚含义。

表3-1 nRF401 部分管脚描述

射频通信模块的原理图如图3-8所示:

图3-8 射频通信模块原理图

从图3-8中可以看出,  nRF401 使用的外围元件很少,一般仅需要一个基准晶体和若干无源器件。但是在设计中,为保证射频通信模块的发射功率和接收频率的误差保持在30kHz 之内,外接晶体振荡器选用稳定性大于±35ppm的高稳定晶体;压控振荡器(VCO)的外接电感选用高精度高 Q 值的贴片式绕线高频电感,Q 值应不低于 45,精度需达到 2%;环路滤波器 PLL 选用单端二阶滤波器。为确保射频通信模块的稳定性,电容元件应选用高稳定贴片电容,如 NPO高稳定电容等。

nRF401芯片的发射天线和接收天线使用的是同一个外接天线。从表3-1 中可知, nRF401外接天线的管脚是ANT1 和ANT2,在发射功率时是功率功率放大器的输出端子,在接收标签返回信号时是 LNA(低噪声放大器)的输入端子,外接天线以差分方式连接到芯片nRF401上面,天线端需要添加合适的负载电阻。

3.4射频识别系统软件设计

根据RFID 系统的工作原理可知,射频识别模块是应用系统(上位机)和标签数据交换的接口,应用系统作为数据处理方需要通过射频识别模块从非接触标签中获取目标信息数据或者发送命令,标签则通过射频识别模块接收应用系统的命令和发送信息数据,三者的关系如图3-9所示。

图3-9 射频识别系统与其他模块的关系

系统主程序的具体运行流程为:系统上电复位后,首先进行初始化操作,然后射频识别系统不断发出请求命令,检测其作用范围内是否存在电子标签。当射频识别系统接收到标签返回的序列号 Manchester 编码时,首先检测是否存在标签碰撞,若存在标签碰撞则执行相应的防碰撞算法,否则直接与标签建立通信关系,进行数据交换。当射频通信模块通过防碰撞算法确定唯一标签序列号之后,与该标签尽力通信关系,进行数据交换。数据交换操作完成后,系统将标签设置成休眠状态,然后检测标签是否识别完毕,若没有,则继续标签的识别,确定系统工作范围内的标签全部识别完毕之后,结束本次通信过程。系统的主程序的工作流程如图3-10所示。

图3-10主程序流程图

3.4.1读标签(接收数据)程序设计

读标签操作是射频识别对标签的主要操作。当射频识别系统接收到应用程序的读标签命令时,首先检测是否和标签已建立通信关系,若没有建立通信关系,则建立通信关系,若已经建立通信关系,则开始读取标签中的数据;主控制器读取标签中的数据之后,要对接收的数据进行奇偶校验,确认数据无误后将数据存入单片机RAM 中,若有错误则重新读取数据;主控制器将从标签中读取数据存入单片机RAM 后,通过串口通信模块将数据发送到应用系统;数据成功发送之后,子程序返回,结束读标签操作。读标签子程序流程图如图3-11所示。

图3-11读标签子程序流程图

3.4.2写标签(发送数据)程序设计

当用户资料改变或者用户充值的时候,需要对标签进行修改,这就需要进行写标签操作。写标签操作的命令是由应用系统发出的,当主控制器接收到写标签命令时,首先要从应用系统接收数据,将数据存入单片机RAM 中之后,检测是否和标签建立通信关系;当主控制器和标签建立通信关系之后,从单片机RAM 中取出数据,然后将数据写入标签;数据传输完毕之后,子程序返回,结束写标签操作。写标签子程序流程如图3-12所示。

图3-12 写标签子程序流程

除了读/写标签子程序之外,射频识别系统还需要进行中断程序、上位机串口通信程序、数据校验、控制命令 Manchester 编译码程序和碰撞算法程序等程序的设计。













第四章 总结

随着我国汽车总量的不断增加,城市交通管理对停车场管和停车场管理系统的扩展提出了新的挑战。RFID技术作为自动识别技术一种,具有非接触性、数据读取速度快、穿透性强、安全性好、多标签同时识别等优点,可快速完成目标识别和数据交换,并且免除了信息采集过程中的人工操作,既节省了大量劳动力又提高了整个系统的工作效率。所以,RFID技术在停车场管理系统中得到了广泛的应用和快速推广。






























参考文献

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