基于nRF24L01的智能公交报站系统*

甘 泉，李 阳，许代代

（平顶山学院计算机科学与技术学院，平顶山467000）

基于nRF24L01的智能公交报站系统*

甘 泉，李 阳，许代代

（平顶山学院计算机科学与技术学院，平顶山467000）

现在国内普遍采用手动公交车报站系统和GPS定位报站系统，存在操作不方便或价格昂贵等问题。采用nRF24L01和STC单片机，结合语音技术、LCD显示技术，设计一个基于无线射频识别技术的智能公交报站系统。能够安全方便地对车站自动识别、自动报站，具有操作简便、性价比高等特点。系统经测试通信距离满足要求，且稳定可靠，提高了公交车运行的安全性及报站的准确性，具有较强的实用价值及广泛的应用前景。

射频识别技术；公交报站系统；STC单片机；语音技术；LCD显示技术；控制器

1 引 言

当今国内的公交报站普遍采用手动公交车报站系统和GPS定位报站系统。手动公交车报站系统存在操作不方便、误报漏报等问题。基于GPS的公交车报站系统，是利用GPS获得当前车辆位置信息，结合显示技术和语音技术进行报站，实现了公交车报站系统自动化［1］，其主要问题是价格昂贵。

基于nRF24L01的智能公交报站系统由读写器、电子标签和计算机系统构成［2］。读写器和电子标签是射频识别系统的主要组成部分，报站系统就是利用射频识别技术原理实现公交智能报站功能。公交路线具有两个特点：①每一条公交线路是固定不变的，因此对于每一路公交车所要经过的站是固定不变的；②公交线路的每一个站牌是固定不变的，只是要停靠的公交车的车次数在改变。因此，根据nRF24L01技术原理，公交车可看作一个移动中的读写器，每一个车站看作是一个固定的电子标签。给每个车站设置一个独一无二的代码，站台上的电子标签按一定的规律发射自己的代码供读写器接收，车载读写器设备则安装在公交车上［3］，当公交车进入电子标签作用范围时，由车载读写器接收从站牌发来的nRF24L01信号，并进行识别，完成标签与读写器之间的数据通信，从而实现公交车对车站名的自动识别和自动报站。智能报站系统模型图如图1所示。

图1 智能报站系统模型

2 系统总体设计

智能公交报站系统由读写器、电子标签和计算机系统构成。其中，读写器和电子标签是射频识别系统的主要组成部分，智能公交报站系统利用无线射频识别技术原理实现公交智能报站功能。

无线射频识别技术基本工作原理为：读写器通过发射天线发送出一定频率的射频信号，当附着标签的目标对象进入发射天线工作区域时会产生感应电流，电子标签凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号［4］。

系统从硬件和软件两个方面进行设计。在硬件设计方面，采用模块化设计，系统主要由控制模块电路、射频通信电路、语音功放电路、串口通信电路、显示电路五部分组成［5］。微控制器采用单片机STC89C52；无线射频收发芯片采用Nordic公司的nRF24L01，工作频率选择2．4GHz－2．5GHz；语音芯片选用ISD公司的ISD4004。在软件设计方面，根据系统硬件组成原理和功能要求，使用C语言编写射频通信电路、串口通信电路、语音功放电路的控制程序，以及车载读写器和站牌主动式电子标签的总体控制程序［6］。系统逻辑结构如图2所示。

图2 系统逻辑结构图

3 系统详细设计

3．1 微处理器的选择

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器［7］。STC89C52使用经典的MCS－51内核，但做了很多改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I／O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器／计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器／计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高工作频率35MHz，6T／12T可选。

3．2 射频芯片的选择

nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2．4GHz－2．5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“Schock-Burst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器［8］。

输出功率的频道选择和协议设置可以通过SPI接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11．3mA，接收模式时为12．3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

3．3 语音模块设计

ISD4004系列工作电压3V，单片录放时间8至16分钟，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列［9］。

芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内FLASH存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率可为4．0，5．3，6．4，8．0kHz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降，片内信息存于FLASH存贮器中，可在断电情况下保存100年（典型值），反复录音10万次。

3．4 液晶模块设计

LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16×2，即可以显示两行，每行16个字符的液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的［10］，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

LCD12864带中文字库的128×64是一种具有4位／8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字和128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

4 系统实现与测试

4．1 车载读写器电路逻辑

车载读写器电路逻辑如图3所示。

图3 车载读写器电路逻辑

4．2 总体控制程序开发

系统总体控制逻辑为：当公交车行驶到站点信号范围内时，车载读写器不断接收从站牌主动式电子标签发送的信息，经检测、识别、判断是否公交车到达，如果是，是哪一站，发送语音地址。此时，车载读写器转向发射，向站牌发送数据。而电子标签在车未到时就接收到该路车快到的信息后，通过LCD1602显示该路车到的信息。之后，启动语音模块播放服务用语，并预报下一站，如此循环，从而实现了公交车对站名的自动识别、自动报站的功能。程序流程如图4所示。

最后，对系统进行软硬件联合调试，完成车载读写器与站牌主动式电子标签之间的双工通信，经过实地模拟测试，实现了公交车对车站自动识别、自动报站的功能，系统经测试，通信距离远，且稳定可靠，具有较高的优越性。

图4 程序设计流程图

5 结束语

系统采用nRF24L01和STC单片机，结合语音技术、LCD显示技术，设计了一个基于无线射频识别技术的智能公交报站系统。经过实地模拟测试，这种新型公交车自动报站系统，报站准确，语音清晰流畅，运行效果良好，实现了城市公交车辆自动报站，系统工作稳定，性能优良，成本低，具有很强的实用性和推广价值，完全可以用于对现有公交车手动报站器进行大规模改造。系统的不足之处在于，司机在起始点和终点开始出发时需按键以确定行驶方向，这将在项目后续工作中研究解决。

［1］ 宋茜茜，丁卫撑，庹先国．基于GPS的公交车自动报站系统［J］．科技视界，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，姚鹤龄．基于RFID技术的公交车车站自动识别自动报站系统［J］．现代电子技术，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］ 张辉宜，陶永．智能公交系统的设计与实现［J］．中国仪器仪表，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］ 游战清，李苏剑．无线射频识别技术（RFID）理论与应用［M］．北京：电子工业出版社，2005． YOU Zhanqing，LI Sujian．Theory and application of RFID［M］．Beijing：Electronic Industry Press，2005．

［5］ 付炜，马建国．2．4GHz射频识别中标签电路设计与实现［J］．电子技术应用，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］ 马忠梅．单片机的C语言应用程序设计［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2003．MA Zhongmei．Singlechip C language application design［M］．Beijing：Beijing university of aeronautics and astronautics press，2003．

［7］ 陈晖，张军国，李默涵，等．基于STC89C52和nRF24L01的智能小车设计［J］．现代电子技术，2012，35（17）：12－15．CHEN Hui，ZHANG Junguo，LI Mohan，et．al．Design of intelligent car based on STC89C52 and nRF24L01［J］．Modern Electronic Technique，，2012，35（17）：12－15．

［8］ 刘志平，赵国良．基于nRF24L01的近距离无线数据传输［J］．应用科技，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］ 张晓东，计玉芳，蒯申红．基于ISD4004智能语音提示系统设计［J］．皖西学院学报2008，24（2）：69－71．ZHANG Xiao－dong，JI Yu－fang，KUAI Shen－hong，et．al．Design of an Intelligent Voice Prompt System Based on Chip ISD4004［J］．Journal of West Anhui University，2008，24（2）：69－71．

［10］ 赵亮．跟我学51单片机（七）—LCD1602液晶显示模块［J］．电子制作，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

平顶山学院科技创新基金重点项目（S＆TIFP2013030）

甘泉（1980－），男，安徽省灵璧县人，硕士研究生，讲师，主研方向：算法分析等。

2015－01－04