基于nRF905 的车辆身份无线管理系统

刘传岐，尚廷义，石建飞，张博

（黑龙江八一农垦大学电气与信息学院，大庆 163319）

随着智能交通技术的飞速发展，人们对于车库管理系统的研究也越来越深入细致，虽然早期的人工管理可以支撑企业的车辆及驾驶人员的管理，但是不可避免地效率低下以及管理上的疏漏时有发生[1]。部分公车司机在借单位出车的时间段内公车私用现象严重，公车的出行和使用没有受到任何人的监管和控制[2]。入库车辆无人值守，或者车辆存放位置不能及时得到回馈，以及因此发生的车辆被盗[3]。虽然单位制定了相当严格的公车使用程序和规范，比如制定了车辆使用程序和派车程序，但是在日常车辆的使用和管理中[4]，仍然存在着不严格按照规定使用车辆的事件发生[5]。

国外车辆管理相对规范，国外企业在车辆管理上有严格的程序[6]，首先要对车辆的情况进行专家评测及时做出分析报告[7]，随着企业车辆的普及，对车辆的维护都可以达到预测性维修[8]，并且由于国外车辆数据实现了数据之间的共享，所以车辆所有者和管理者都可以随时随地根据车辆指标和标准得到类似于轮胎、雨刷等配件的型号信息[9]。不仅为企业带来了收益，而且规范化的管理节省了企业投入成本[10]。关于我国的信息化车辆管理来说，使用程度并不普及[11]。从智能收费系统到车辆违章管理，从城市小区车库的管理到大型停车场的管理都迫切地要求现在的企业内部有一套完整的车辆使用和监管的系统[12]。建立一套使用单片机控制、传感器采集信息的车辆无线管理系统是解决当前问题的一大途径[13]。希望研究并设计一套使用计算机进行车辆管理的无线管理系统，实现车辆智能化、信息化的管理模式，消除车辆管理中的大部分隐忧。

1 系统总体设计

1.1 系统设计目标

通过现有国内外车辆管理系统的功能比较，设计的车辆无线管理系统主要面向于国内中小型企业的车辆管理。在为使用人员快捷服务的角度上，解决在确定日期内车辆状态的动态查询业务[14]。该业务的实施方便车辆调度人员准确监控车辆出入信息。杜绝不规范用车申请，彻底做到有记录可查，车辆事故有据可查，责任明确。其次，为防止车库发生事故和车辆被盗等安全角度考虑，在车库内加装温度传感器、烟雾传感器以及火灾情况实时监控装置，同时加装人体热释电传感器对入库人员进行实时监控，确保车辆及人身安全[15]。在车辆维护和保养方面，对于车辆的预维修、保险、事故、费用管理等方面也要进行很好的管理，还应该满足业务需要的各种查询服务。

设计的车辆无线管理系统要具有所有与车辆有关的信息采集、查询统计、分类汇总以及数据报表等诸多功能，达到快速搜索和高效利用的目的。最终达到企业人员用车的自动化、信息透明化、查询灵活化、权限责任明确化、管理智能化相结合的管理模式。

1.2 系统的实现

设计的车辆身份无线管理系统的设计也是智能交通系统的一个重要研究方向。设计主要是对整个集中式车库内的所有车辆进行实时监控，并将监控到的车辆信息通过串行口传输到计算机。这样管理人员就可以很方便地直接从值班室内的计算机上查看出车辆信息，而不必在室外进行查看，所以它将给管理人员的工作带来极大的方便[16]。

车辆身份无线管理系统的设计主要是应用STC系列单片机对无线射频芯片nRF905 的发射与接收进行控制管理，并应用跳频技术来实现对整个车库内车辆的集中式管理的。值班室内的nRF905 发射芯片向车库入口处的车辆循环发射车库内所有车辆的信息，当某一时刻某一车辆上装载的nRF905 芯片恰好接收到自己的后，就将通过它的管理单片机重新选择通信信道，进行跳频，将该信息发送回值班室内的nRF905 的接收芯片，接收芯片接收到该信号后通过串行口上传至值班室内的计算机供给管理人员查看，这样就实现了对整个集中式车库内所有车辆的计算机管理。车辆无线管理系统示意图如图1 所示。

图1 车辆无线管理系统示意图Fig.1 Schematic diagram of vehicle wireless management system

2 硬件系统设计

2.1 硬件功能的实现

设计的无线管理系统可以分为监控室子系统与车库子系统两部分，二者之间通过无线通信进行数据交互，形成车辆身份的无线管理。

2.1.1 监控室子系统

监控室子系统包括了监控控制中心、存储柜提示控制器、证件包归库柜组成。

监控控制中心用于对现场车库的数据无线采集的控制与接收工作，用于监控车辆出入库、库内实时温度、库内灾情（主要以火情、烟雾为主）实时监控、人员出入情况的监测。

存储柜提示控制器的作用是给控制台工作人员提供语音播报，包括与监控控制处理器之间数据交换与处理、数据记录、柜门开闭状态、柜内物品存放状态等的处理。

证件包归库柜是用来存放与车辆配套的手包使用，手包中一般包括了车辆及驾驶员证件、钥匙、以及车辆维护记录原始材料等，采用红外线检测电路可以实现归库柜内是否有物件的检测。

2.1.2 车库子系统

车库子系统包括了集总车库控制器、分布式控制器、无线传感器组合、RFID 车辆识别器等四部分组成。

集总车库控制器主要用于将各相邻车库信息进行集中存储，并采用无线方式连接至监控中心控制器，并按时将各车库信息回传至监控室。

分布式控制器只是负责所在车库信息的收集和简单处理工作，并且与集总控制器无线连接；收集到的信息要包括车库内温度、烟雾情况、车辆在库情况等。对于这些信息的处理即是将它们打包成一条完整的车库管理信息上传至集总车库控制器。

无线传感器组的作用就是把所有最直接的信息采集，温度传感器和烟雾传感器组合用来采集车库内温度信息并判断是否有灾情；人体红外传感器检测车库内是否有人存在，夜间起到防盗效果；使用其他传感器采集车库详细信息。

RFID 车辆识别器安装在管理车辆上，与每个车库的分布式控制器进行通信，用于完成车辆出入库信息以及车内电量信息的采集，并且可以通过检测车辆防止车辆破坏或改装等操作。

研究的无线车辆身份管理系统的硬件部分设计，主要包括了车库控制模块设计、车辆射频身份模块设计、无线通信模块驱动设计以及无线通信安全性与可靠性通信协议的设计。

2.2 系统下位机硬件设计

2.2.1 集总控制器

集总控制器在设计上由微处理器部分、无线通信模块以及供电模块组成。

微处理器部分完成整个车库控制器的计算功能：包括对分布式控制器的控制，各分布式节点的功能协调，协议下的无线通信的实现，数据整合以及数据的转存功能等。微处理器的选择性相对较多，但是考虑到本系统设计采用无线传输模式，尽量选用功耗低的处理器；另外还应该选择集成度高，运行速度快、成本低且安全性能好的微处理器。满足以上条件的基本上就是目前使用较多的TI 公司的MSP430 单片机和Intel 公司生产的STC 系列单片机，具体型号为STC12LE5410AD[17]。

该单片机使用精简指令集结构，具有两路外部中断（均采用下降沿有效或低电平有效）；具有EEPROM 功能；具有8 路10 bit 的ADC；通用异步串行口；工作温度在-40 °～85 °[18]。通过PCB 设计并制版后焊接集总控制电路如图2 所示。

图2 处理器工作原理图Fig.2 Working principle diagram of processor

若要整个无线管理系统稳定运行，设计一个好的无线通信模块是必不可少的。采用的无线通信模块的器件为nRF905 单片射频信号收发器。该收发器分别配置于集总控制器和分布式控制器上用于数据的无线通信。nRF905 射频信号收发器工作在Shock－Burst 模式进行无线通信时，可自动产生前导码和CRC 校验码，增加了数据传输的可靠性。

集总控制器的供电部分设计相对简单。虽然该控制器模块总体可以采用电池供电模式，但是要定期更换电池以保障其正常工作。为使得该系统在维护方面省心省人力，模块采用适配供电模式。由LM2575 和LM1117 组成电源模块供电，输入端接入220 V 单相交流电，经供电适配后输出12 V 和5 V电压；12 V 电压供LM2575 工作使用，5 V 电压供各种传感器工作使用。该供电电路如图3 所示，该供电适配中采用RC 滤波，在直流正负极并接电解电容和滤波电容实现滤波稳压输出，保障了集部控制部分的供电平衡。

图3 集总控制电路板供电电路Fig.3 Power supply circuit of integrated control circuit board

2.2.2 分布式控制器

分布式控制器是采集所在车库的车辆出入库、人员在库、火情烟情等数据信息的功能部分，采集后数据通过简单处理后无线发送至集总控制器端。它主要由微处理器部分、传感器模块、无线通信模块和供电模块组成。其中供电模块、无线通信模块和微处理器模块与集总控制器选型相同。分布式控制器模块实物图如图4 所示。

图4 分布式控制器模块实物图Fig.4 Physical diagram of distributed controller module

传感器模块将数据采集并传送至分布式控制器的处理器中进行处理和存储转发。主要由温度传感器、烟雾传感器和热释电传感器组成。

（1）温度传感器

所使用的温度传感器是产自Dallas 半导体公司的DS18B20 温度传感器。该传感器以9～12 位编码的数字形式将温度信息送到相应的处理芯片，处理时间在几百毫秒以内。DS18B20 传感器采用单线接口读取和写入信息；使用数据线供电3.0～5.5 V；测温范围-55～125 ℃；多个DS18B20 可并联在三线数据线上，实现多点测温。

（2）烟雾传感器

烟雾传感器采用美国MOTOROLA 公司的MC14468 传感器。检测烟雾是通过振荡器周期变化来完成的。没有烟雾的情况下振荡周期为1.67 S，有烟雾存在时振荡周期变为40 ms。期间如果出现烟雾消退，在高电平停止的80 ms 期间仍然进行检测，以适当停止蜂鸣器振动。除蜂鸣器振动报警外，还采用了LED 闪烁1 Hz 的频率进行光信号的报警。具体离子烟雾传感器电路设置如图5 所示。

图5 烟雾传感器报警电路原理图Fig.5 Schematic diagram of smoke sensor alarm circuit

（3）热释电传感器

热释电红外传感器可以检测传感器周围是否有人存在。由于人体温度为恒定的37 ℃，发射的红外线波长大约为9.6 微米。热释电传感器正是通过对该波长的监测确定是否有人在车库中。人体发射的近红外线由菲涅耳透镜滤光片增强后入射到热释电红外感应芯片上并向外释放电荷，经信号处理电路处理后产生报警信号。

2.2.3 射频控制器

射频控制器也是由微处理器模块、无线通信模块和供电模块组成。

在射频控制器中选用的微处理器是TI 公司生产的MSP430F1232。该单片机耗能很低，可以在电池供电条件下长时间工作；具有16 个寄存器单元和常数发生器单元；MSP430 系列单片机供电电压1.8～3.6 V，中断请求在6 微秒内完成CPU 睡眠模式到工作模式的切换功能。图6 给出了MSP430 工作时的电路设计。

图6 MSP430 单片机电路设计图Fig.6 Circuit design of MSP430 single-chip microcomputer

无线通信模块仍然选用nRF905 作为核心芯片进行设计。射频控制器置于车上，适配供电不适用于它，所以采用两节五号电池串联供电方式。为保障电量供应，采用以MAX836 为核心器件的电压监视电路。它内部含有一个精确1.204 V 电压发生器，与外部电压进行比较确定电压。在出现电压不足的时候提示操作人员更换电池，保证系统可靠平稳运行。

2.3 系统的无线通信接入协议设计

接入协议是传感器模块与上位机模块之间进行通信的保障性协议。从信道方面划分可以分为单信道接入协议与多信道接入协议两大类。单信道接入是指节点发送和接收共享一个信道，所有控制信息和数据信息都在该信道上发送和接收，采用半双工方式进行通信。而多信道接入是指利用两个以上信道进行的数据传输；多信道协议要解决信道分配和接入控制问题。根据现在信息传递速度的发展，使用802.11 ac 通信协议的单信道传输速率已经超过1 GHz。文设计的无线管理系统传输数据量相对较少，根据实际情况应该选择单信道传输协议。其中单信道传输包括CSMA 协议、BTMA 协议和MSAP 协议。

CSMA 协议的系统数据吞吐率较高且实现简单，不但具有较低的数据碰撞率而且时延较小；CSMA 协议对于节点的通信没有时间约束，每个射频控制器模块随机发送信息至集总控制器，为尽可能避免竞争带来的冲突，在发送信息前要监听信道中是否有信息在发送，即所谓的园区波监听。在确定信道空闲状态时即发送本模块信息至集总控制器。若监听到信道占用，则继续监听并延后一段时间重新发送。即所谓的信息退避算法。决定采用算法最简单的非坚持型CSMA 协议作为系统接入协议。

3 软件系统设计

3.1 软件部分的实现

软件系统的设计目标是要实现车辆及车库信息的本地监测控制以及网络远程监测控制两大功能。在信息采集和数据处理方面，主要针对车辆、温度、烟雾、车库等信息存入数据库，且可以随时调取并显示给管理人员。在发生火情时候可以实现语音报警。系统在整体设计上采用B/S 结构[19]，设计成为一个功能结构简单，成本低廉且开发周期较短的上位机管理系统，且要具有良好的操作性和扩展性。根据这样的原则将软件系统分为五个功能单元，分别是信息查询单元、实时显示单元、系统维护单元、系统设置单元和帮助单元。如图7 所示：

图7 管理系统功能模块结构图Fig.7 Functional module structure of management system

其中，射频卡管理模块的作用是增删射频卡数量，射频卡资料填写与修改，射频卡在初安装到车库存包柜和车辆的时候，需要将它的编号和车库号、柜号、驾驶员信息进行绑定，以便在查询时更加完善和方便。当出现车辆报废或者类似问题时，要对射频卡信息进行修改，射频卡增删的灵活性有利于企业车辆变动下的动态管理。图8 给出了射频卡的修改窗体设计。

图8 射频卡更换窗体界面Fig.8 Window interface of RF card replacement

实时显示模块与数据查询模块在软件的显示方面主要用于车辆状态的查询、车库温度、是否有人进入、驾驶员操作等功能的查询。无论是车辆出入库时间还是库内温度变化，火灾是否发生以及是否出现被盗情况等，都可以通过信息查询及时得到信息。实时监视模块的数据直接来自于车辆及车库的传感器，而数据库信息的查询则需要提交查询的时间段，由数据库调取存储信息用于查询。信息查询单元借助于后来数据库可以查询车辆状态信息、车库温度信息、驾驶人员信息、车辆证件信息、车辆维护日志和射频卡信息。使用Delphi 自带控件编程实现查询。查询窗口如图9 所示。从图中可以看出，本窗口对车辆信息的查询可以按时间段、车牌号或车库号码进行查询，也可以对三种条件任意组合查询。对于车辆信息的掌握非常灵活。查询结果可以在窗口以表格形式显示也可以打印输出报表形式供存档。

图9 车辆信息查询页面Fig.9 Query page of vehicle information

系统维护模块用于车库的编号、配套车辆号、存包柜编号、驾驶员姓名、联系电话、家庭住址以及这些信息的关联关系的录入；系统的设置模块则包括了管理人员权限设置、运行设置、系统数据初始化。帮主模块主要方便用户了解该系统的操作。

3.2 上位机数据的通讯

串口数据通信是车辆信息实时监控显示的基础，其具体的流程图如图10 所示。在打开串口后，首先要通过CRC 检验方法判断是否可以正确接收无线数据；校验正确则可以继续正确接收数据，从接收到的数据中进取显示数据进行滤波处理[20-21]。串口接收到的数据送到数据库中进行存储的同时，送往显示窗体进行显示。

图10 串口通信流程图Fig.10 Flow chart of serial communication

串口接收到的数据触发窗体OnShow 事件，On－Show 处理程序查询数据库提取车库对应车牌号；得到车牌号后打开定时器，利用定时器的OnTimer 事件周期性刷新显示；具体流程如图11 所示。

图11 实时显示程序流程图Fig.11 Flow chart of real time display program

3.3 数据库选择

现在的数据库绝大部分使用关系型数据库，关系型数据库具有非结构化数据的处理能力，和大容量的数据库存储、管理、检索能力，对于中小型管理系统使用SQL SERVER2000 的较多。

基于网络的应用程序可以使用B/S 结构和C/S结构两种模式进行开发。C/S 模式是客户机（client）/服务器（server）模式，该模式的缺点是在通信两端布署客户机和服务器完成数据的传输。B/S 模式的客户端使用Windows 操作系统自带的浏览器完成信息的发送和接收，只需要一端布置服务器就好。充分考虑到做的车辆身份无线管理系统数据最较小，且应用范围较小，只对企业车辆信息进行管理，管理的业务范围也窄，不需要使用C/S 模式进行开发。另外，B/S模式的开发在对软件进行更新的时候，只需要对数据库进行更新，而不需要考虑客户端的问题。结合考虑后，设计的数据库的开发决定使用B/S 模式。

4 结论

设计的车辆身份无线管理系统，实现了车辆识别地址的循环发射，对车辆识别地址的成功接收，并利用跳频技术将收到的识别信息发射给系统接收模块，有效地克服了无线通信中的同频干扰问题，经过软件及硬件联合调试，整个系统稳定运行。让企业在车辆管理问题中，实现车辆智能化、信息化的管理模式，减少了人力，使管理更加便捷、高效，同时也消除车辆管理中的大部分安全隐患。