基于RFID技术的智能公交站牌设计——以张家界为例

李良宏，向 想

(吉首大学 张家界学院，湖南 张家界 427000)

0 引言

随着新时代的不断发展，百姓生活水平不断提高，人们的出行需求日益增加，人们对日常生活交通出行的方便性有了更高的要求，但随之而来的是“交通出行难”的问题。智能公交站牌的应用能在一定程度上带来便捷。

1 张家界公交车站站牌概况

不同于传统的公交站牌，智能公交站牌可借助LED显示器显示公交到站时间、车辆精确位置，具有智能照明、广告、新闻投放等功能，解决了现有公交站牌功能单一、运行效率低下等问题。

1.1 张家界市公交车站站牌现状

张家界市目前仍采用传统的公交站牌，即把信息图直接镶嵌在展示栏内，形式单一，不够新颖。张家界作为国内著名旅游城市，旅游业是张家界的支柱产业，每年有大量的外地游客来到张家界旅游，公交车站是人流量密集的地方，传统的公交车站宣传海报无法以动态形式向游客介绍张家界的风景名胜和特产。除此之外，现有的公交站牌没有灯光系统，夜间漆黑一片，看不清车辆线路信息，这对于夜间乘坐公交车查询信息的市民来说极不便利。

1.2 智能公交站牌的介绍

智能公交站牌作为安装在公交站台上的标志性站标，其主要功能就是为乘客提供公交车辆线路图和方便乘客候车。智能公交站牌与传统站牌不同，传统的公交站牌展示信息多为固态形式，信息固定化，所展示的信息仅限于车辆信息与站次信息，内容十分有限。智能公交站牌是一种配备LED屏幕的电子站牌，夜间也能看清车辆路线信息。不仅如此，智能公交站牌的LED显示屏还可以丰富商业展示效果，改变站台广告以往只能是固态图样传播的局限，让城市商业信息更加丰富多彩，得到更有效的传播，促进城市商业发展。同时，智能电子公交站牌屏幕还可以投放新闻、天气、公益广告等内容，让乘客可以对车站周边的相关信息进行搜索，准确找到目的地，使等车充满乐趣，提高出行体验满意度[1]。除此之外，智能公交站牌运用RFID技术，与车载终端搭载的GPS定位系统相结合，能够实时显示车辆运行状态，避免市民盲目地等待车辆。在公交车辆快要进站时，智能公交站牌会提前进行提醒，以避免乘客错过要乘坐的车辆。

2 RFID技术介绍及组件

射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种自动识别技术。RFID技术起源于英国，是由雷达技术的发展和进步衍生出来的，最早被运用在第二次世界大战中，英国空军用它识别敌机。进入21世纪后，人们普遍认识到RFID标准化问题的重要性，RFID技术不断更新，产品的种类也更加丰富，应用领域逐渐扩大。如今，RFID的技术得到了进一步的提升，单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、适应高速移动的RFID技术不断发展，相关产品也走入人们的日常生活，RFID技术得到了广泛应用。

2.1 RFID的工作原理

RFID技术的基本原理为：电子标签进入阅读器后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送存储在芯片中的产品信息(此类标签为无源标签或被动标签)。另外，也可以由标签主动发送信号，阅读器读取信息并解码后，送至应用软件解码(此类标签为有源标签或主动标签)[2]。

RFID工作时，阅读器天线发射一定频率的射频信号，电子标签进入读写器天线工作区域时产生电子标签，内部产生感应电流，感应电流再将电子标签中的能量激活，并返回一个应答信号，该应答信号为电子标签的ID信息。读写器天线接收到RFID电子标签发送来的应答信号后转送到读写器控制处理模块，读写器控制处理模块对传来的信号进行解调和过滤后将RFID标签的ID信息返回给中间件[3]。中间件将不同的信息格式转化成统一格式，存入内存中，同时将读写器事件转化为满足用户请求的信息，发送给应用软件端，最后将RFID标签列表信息展现给使用者。

2.2 电子标签

电子标签又称为射频标签、应答器，是射频识别系统中存储可识别数据的电子装置，通常附着在物体上，用来标识物体。每个标签都具有电子编码，且标签的电子编码是唯一的。电子编码类似身份证号，存储着物体的相关信息。电子标签与读写器之间通过耦合元器件实现射频信号的空间耦合。在耦合通道内可以实现能量的传递和数据交换。标签存储器中的信息可由读写器进行非接触式读写。

2.3 读写器

读写器又称阅读器，是读取和写入电子标签内存信息的设备。读写器基本由射频模块、控制处理模块和天线组成。读写器的射频模块用于基带信号与射频信号的相互转换，并与天线相连。射频模块既可以将频率很低的基带信号转换为射频信号，传输至天线；又可以将天线接收的射频信号转换为频率很低的基带信号。读写器的控制模块是读写器的核心。控制模块的主要作用包括对发射信号进行编码、调制等，对接收信号进行解调、解码等各种处理以及实现与后端应用程序的规范接口。

2.4 天线

天线是RFID电子标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通信连接的设备。RFID系统包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，与RFID电子标签集成为一体，另一类是读写器天线，既可以与读写器集成为一体，又可以与读写器的射频端输出端口相连。在RFID系统中，天线的参数与RFID系统识别的范围相关，设计天线时需要根据应用环境的特点、作用范围来设计天线[5]。

2.5 中间件

复杂的RFID系统有多个读写器，每个读写器要同时对多个电子标签进行操作，实时处理传送过来的信息，这就需要中间件进行处理。中间件是读写器硬件模块和RFID电子标签之间信息传递的重要环节，是RFID系统运的中枢，也是RFID产业链的高端领域。

2.6 应用软件

应用软件通常指安装在计算机上的软件，包括标签和读写器上运行的软件、后台系统软件。应用软件根据逻辑运算判断电子标签的合法性，其主要任务就是对读写器读取的电子标签数据进行过滤、计算、汇集，协调使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原始数据转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。

3 RFID技术在智能公交站牌中的应用

智慧公交就是利用现代信息手段，向市民提供及时、准确、全面的公共交通信息，有利于提高城市公共交通服务质量，缓解城市交通拥堵压力，促进市民便利绿色出行。基于RFID技术设计的智能公交站牌可以向市民提供车辆预报站、车辆到站提醒、实时线路查询等服务。

3.1 智能公交站牌系统的结构

智能公交站牌系统的结构大致分为3个部分，分别为车载终端、智能公交站牌、后台服务端。

车载终端的硬件主要包括：单片机、GPRS通信模块、GPS模块、RFID模块。车载终端的GPS模块负责实时读取GPS数据进行定位，并将数据发送到服务端。GPRS模块主要负责车载终端与服务器之间的信息传递。RFID模块负责车载终端与智能站牌之间的信息传递。车载终端的被动RFID读写模块相当于电子标签，可将后台服务端发送的天气预报、广告信息等公共信息写入RFID卡。在公交车进入站点时，智能公交站牌中的主动RFID读写模块会读写车载终端上的被动RFID模块信息，并将这些信息显示在LED屏幕上。

电子站牌由RFID模块、单片机、LED模块组成。RFID模块主要负责读取车载终端的RFID卡中的信息，并将读取的信息存入智能公交站牌的存储器中。单片机负责处理存储器中的信息，并将这些信息显示在LED显示屏上。

服务端相当于智能公交站牌系统的“大脑”，通过车载终端间接与智能公交站牌进行信息传递。负责计算、分析和存储车载终端传回的数据，以保证智能公交站牌的正常运行。

3.2 智能公交站牌的工作方式

智能公交站牌的主要工作方式为：车载终端上的GPS模块实时采集车辆的位置坐标信息，这些信息经单片机处理后，借助GPRS网络以TCP/IP方式向后台的服务端发送GPS数据，后台的服务端经过数据分析和处理，计算到站时间和到站距离，再将这些数据通过无线网络发送给车载终端，车载终端收到信息后由单片机将该信息存储在RFID读写器上[6]。在车载终端到达电子站牌的一定范围时，车载终端与智能公交站牌通过RFID模块进行信息交流，车载终端接收站点的信息进行数据优化，同时把服务器发送的数据信息传递给智能公交站牌，智能公交站牌显示车辆的到站时间和到站距离。

4 张家界市智能公交站牌的设计

2020年8月，张家界市委市政府决定改革现有公交运营体制。购入新能源公交车260台，公交线路里程由146 km增加到208 km，设立公交线路21条。智能公交站牌的投入使用，未来将为上百万张家界市民提供便利。

经对比研究确定张家界市智能公交站牌主要由GPRS模块、单片机、RFID模块、LED显示模块组成。

GPRS模块主要是负责智能公交站牌与后台服务系统的信息交流。GPRS可将智能站牌收集到的公交车辆信息发送给后台服务系统，方便监控车辆位置信息和计算车辆到站时间。GPRS接收到后端服务系统发送的车辆位置信息、通知通告、公益广告、天气预报等信息后，发送到LED显示屏进行显示。

单片机是一种集成电路芯片，其在该系统中的应用主要是将RFID模块接收的车辆位置信息进行加工、处理，通过GPRS模块发送至服务后台，同时将信息显示到LED显示屏上。除此之外，单片机可将GPRS接收到的视频、图片、文字等信息存放在存储器中，并提取相关数据处理发送至LED屏幕进行显示。

RFID模块主要是接收公交车辆射频卡发出的高频无线电波，该电波搭载了公交车辆行驶的数据，经过单片机的处理后，可以准确获得车辆的车牌号、路线号等信息，并显示到LED屏幕上，让乘客及时了解公交车辆到站信息。RFID模块还可以将车辆到站信息通过GPRS模块发送给后台服务系统，后台服务系统再根据这些信息合理安排车辆运行。

LED显示模块采用的显示板运用1/16扫描方式，可以减少驱动电路，降低成本，该模块采用16×80点阵，可以显示5个16×16点阵的汉字。广告信息屏幕主要采用LCD显示屏幕对视频信息进行循环播放[7]。张家界作为著名的旅游城市，通过公交站台LED显示屏幕以动态的形式能够更好地展示张家界市城市历史文化、景区介绍、城市特色等。

5 结语

公交站牌作为站台的明显标志，是一个公交车站必不可缺的重要设施。目前，由于智慧城市建设的需求，张家界公交站牌的样式也需要从最初的老式公交车站杆变为时下流行的智能公交站牌。智能站牌的出现将为市民带来更好的视觉感官体验，也会给市民的出行带来便利。张家界市一定会打造属于这座城市特有的智能公交站牌，它也必将成为一道亮丽的风景线。