陳 歡，陳新泉

(安徽工程大學 計算機與信息學院，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

現(xiàn)代社會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)車輛的同時還有外來車輛進入小區(qū)，給小區(qū)的管理和安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的小區(qū)車輛管理系統(tǒng)無法與建設(shè)現(xiàn)代化小區(qū)的目標相符合.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)計出一種以射頻識別為核心，結(jié)合電機驅(qū)動，具有語音播報提示以及紅外傳感檢測的小區(qū)車輛管理系統(tǒng).

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)的核心技術(shù)是射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)，[3-4]其次用 STM32F103作為最小開發(fā)系統(tǒng).系統(tǒng)主要有射頻識別模塊、語音溫馨提示模塊、LCD液晶顯示模塊、電機驅(qū)動(門閘開關(guān))模塊、傳感檢測防碰撞模塊組成.識別合法的身份后，MCU控制各個模塊的工作，系統(tǒng)的總體框架如圖1所示.

在無須人工干預的情況下，用讀卡器讀取持有合法RFID智能卡的用戶，自動控制門閘的開關(guān).為防止出入的車輛與門閘間發(fā)生碰撞，還設(shè)計了傳感檢測模塊來控制門閘的開閉；當識別到持有非法RFID卡的用戶，門閘關(guān)閉，車輛不能進入小區(qū)，著實保障了小區(qū)的安全.此外更為人性化的語音播報功能，能夠播報業(yè)主出入溫馨提示語以及識別到非法車輛進入小區(qū)時及時提醒管理員，安全方便，滿足了小區(qū)車輛管理的自動化、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

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)計成本，因而選擇了STM32F103作為系統(tǒng)的主控模塊.系統(tǒng)設(shè)計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 射頻識別模塊的設(shè)計

傳統(tǒng)的小區(qū)車輛管理只對進入小區(qū)的車輛身份進行認證，為了更大程度上保障小區(qū)的安全以及滿足現(xiàn)實所需，本系統(tǒng)設(shè)計了進出兩個方向的身份認證，車輛不僅需要在進入小區(qū)時進行識別，在出小區(qū)時需要再次識別.系統(tǒng)中有兩個完全一樣的識別模塊，均是由RFID-RC522組成.

(1)射頻識別模塊的工作過程.

射頻識別模塊的工作主要分為兩個方面，一個是MCU與模塊的數(shù)據(jù)傳輸；另一個是模塊與射頻卡之間的數(shù)據(jù)傳輸.[7-8]射頻識別模塊與MCU之間的數(shù)據(jù)交互主要是通過SPI通訊來實現(xiàn)，SPI的原理就是通過MCU產(chǎn)生的SCK信號來控制射頻識別模塊的通訊時鐘.[9]對于射頻識別模塊與射頻卡之間的數(shù)據(jù)通訊，其有標準的通信協(xié)議和標準，[10]起始階段，RFID-RC522射頻卡讀寫器進行尋卡，尋找模塊附近所有符合該通訊標準的射頻卡，然后通過內(nèi)置的防沖突機制來確定唯一的射頻信號，當確定了所識別射頻信號的控制命令后進行選卡，接下來就是進行密碼的驗證，這也是最重要的一步，當密碼驗證通過即可對射頻卡進行寫操作，即更改密碼或者相應的控制指令.

(2)MCU與RC522接口設(shè)計.

該系統(tǒng)有兩個RFID模塊，分別是對進入和駛出的車輛進行身份識別，經(jīng)過分析，兩次識別的模塊硬件設(shè)計過程是相同的.因此，只需重點解決一個模塊的硬件設(shè)計，MCU與RC522的連接圖如圖3所示.

連接說明：

SDA是雙向數(shù)據(jù)接口，其在不工作的時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，并進行與RC522的數(shù)據(jù)傳輸.時鐘控制接口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鐘控制信號，控制數(shù)據(jù)交互的時間，MISO、MOSI接口的功能都是進行數(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是復位信號接口，與PC4連接完成RFIDRC522的復位.當主控模塊與這些接口正確連接后，燒寫完程序便可實現(xiàn)射頻接收模塊與主控模塊之間的通信.

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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

該系統(tǒng)顯示模塊的主要功能是在識別到合法用戶時，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)的實用性，選用型號為LCD1602A的液晶顯示屏進行顯示模塊的設(shè)計，該模塊結(jié)構(gòu)簡單，配置容易以及具有高安全性、高穩(wěn)定性、低功耗的特點.LCD1602A液晶顯示模塊是由若干點陣塊構(gòu)成，其可以顯示多重字符.一個字符只能在一個點陣上進行顯示，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LCD1602A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，進行數(shù)據(jù)傳輸，使能信號EN與MCU的PA10連接，傳輸使能信號.GND、BLK接口接地，R/W讀寫接口接PA9.

圖4 LCD1602A與MCU的接口電路圖Fig.4 Interface Circuit Diagram between LCD1602A and MCU

2.4 電機驅(qū)動模塊的設(shè)計

在實際應用中，小區(qū)車輛管理系統(tǒng)有一個門閘功能，其核心就是一個電機，本設(shè)計將用步進電機來模擬門閘，利用MCU控制步進電機的轉(zhuǎn)動從而控制門閘的開閉.

驅(qū)動器是步進電機的主要控制模塊，綜合實用與性能的考慮，本次設(shè)計選擇ULN2003驅(qū)動器，ULN2003負載能力強，能夠滿足各種在大功率條件下工作的電機，ULN2003內(nèi)部的電路能夠直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù).MCU與電機驅(qū)動模塊的接口設(shè)計如圖5所示.

連接說明：

步進電機內(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與電機驅(qū)動模塊的接口設(shè)計Fig.5 Interface Design of MCU and Motor Driver Module

2.5 傳感檢測模塊的設(shè)計

系統(tǒng)的傳感檢測模塊主要是檢測在電機工作的時候門閘下是否有其他物體經(jīng)過，以防與門閘發(fā)生碰撞，當有檢測到物體時，電機維持當前狀態(tài)；沒有檢測到物體時，電機進入下一個工作狀態(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，該模塊有一個發(fā)送紅外線的探頭，然后還有一個接收端，當對傳感模塊供電工作時，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，會經(jīng)過物體反射一部分紅外光，從而能夠被傳感模塊上的信號接收裝置所識別，此時，紅外模塊的輸出引腳會有電平的變化，與主控模塊連接后，相應的引腳電平也會發(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單，就是去發(fā)射紅外光以及檢測反射回來的紅外光，該模塊只有三個接口，主要的輸出信號接口為OUT，將檢測到的信號進行簡單處理后引起OUT引腳的電平變化.MCU與傳感檢測模塊的接口連接圖如圖7所示.

連接說明：

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 語音播報模塊的設(shè)計

系統(tǒng)語音模塊的主要功能是播報業(yè)主出入溫馨提示語以及當識別到非法用戶時進行語音提示，語音模塊需要播報幾段不同的語音，從而需要進行語音的切換.因此，需要選擇功能更全的音頻播放器.

該系統(tǒng)選用JQ6500-28pin語音模塊，JQ6500是一個高度集成音頻播報的芯片模塊，可以播放MP3等各種格式的音頻文件.可以利用上位機進行更改內(nèi)部存儲器中的音頻，另外還可以播放TF卡內(nèi)的音頻，支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng).當需要指定播放內(nèi)部的音頻時，只需根據(jù)簡單的通訊指令就能實現(xiàn)，在設(shè)定播放音頻時不要對底層的指令進行更改，控制起來非常方便，此種語音模塊最大的優(yōu)點就是輸出音頻的可靠性，不會掉幀.此外，廠家提供了一個上位機軟件，通過USB端口能夠?qū)⒅付ǖ囊纛l文件導入其中.

該系統(tǒng)中，語音模塊主要播放三段音頻，因此只需要設(shè)置JQ6500開發(fā)板的K1、K2、K3引腳來播報第一段、第二段、第三段的音頻，圖8是JQ6500與MCU的連接圖.

JQ6500開發(fā)板的K1、K2、K3對應于 MCU的PB0、PB1、PB2，表示控制JQ6500按指定順序播放對應的音頻.

圖7 MCU與傳感檢測模塊的接口圖Fig.7 Interface Diagram between MCU and Sensor Detection Module

圖8 MCU與語音播報模塊連接圖Fig.8 Connection Diagram between MCU and Voice Broadcast Module

3 軟件設(shè)計與測試

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要有射頻識別、顯示、電機驅(qū)動、傳感檢測、語音播報等模塊.系統(tǒng)采用功能分析法，對整個系統(tǒng)進行分塊設(shè)計，各個模塊的功能定義如下：

(1)射頻識別模塊進行尋卡以及防沖撞，判斷ID的非法性；

(2)讀卡成功后，液晶顯示屏顯示卡的ID；

(3)語音播報模塊根據(jù)讀卡是否合法性進行播報對應的音頻；

(4)識別模塊尋到合法ID后，步進電機工作，控制開關(guān)；

(5)電機工作時，紅外尋跡傳感器檢測電機下是否有物體通過，控制電機的開閉.

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)總體測試

首先，射頻識別模塊進行讀卡識別，本次設(shè)計只用一張合法的射頻卡以及一張非法卡進行測試.當讀取到合法的射頻卡時，顯示屏顯示卡的ID，步進電機開始運轉(zhuǎn)，語音模塊播放相應的音頻.在電機正常運轉(zhuǎn)時，若傳感器檢測到物體，則電機保持當前運轉(zhuǎn)狀態(tài).

成功識別合法的射頻卡后，顯示模塊顯示卡的ID，電機正向轉(zhuǎn)動，語音播報“歡迎回家”提示語，此時傳感器檢測到物體，讓電機保持當前狀態(tài).在出小區(qū)的射頻模塊中，識別到合法ID的過程與進入小區(qū)的過程相似，唯一不同的就是語音播放的內(nèi)容，出小區(qū)時，語音播放“一路平安”提示語.

當識別到非法的射頻卡時，本次測試用的是學校的校園卡，顯示模塊顯示“Invalid ID Card!”，電機不工作，同時語音模塊播報“非法卡，請聯(lián)系管理處”提示語.非法卡的識別過程，進出入小區(qū)的情況完全相同.

4 結(jié)語

本文從RFID技術(shù)角度展開對小區(qū)車輛管理系統(tǒng)的設(shè)計，以射頻識別模塊為主要功能模塊，集成電機驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊、傳感檢測模塊和語音播報模塊，實現(xiàn)了小區(qū)出入口門閘的自動開閉、播報業(yè)主出入溫馨提示語和非法車輛進入小區(qū)的警示語、顯示射頻卡號及防止汽車與門閘間的碰撞等功能.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)提供了重要的指導意義.