基于RFID的小区车辆管理系统设计*

陈 欢，陈新泉

(安徽工程大学 计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000)

0 引言

现代社会的人们追求出行方便，汽车成了一般家庭的必需品，但是小区的车位有限，在管理本小区车辆的同时还有外来车辆进入小区，给小区的管理和安全带来了巨大的挑战，传统的小区车辆管理系统无法与建设现代化小区的目标相符合.在建设现代化小区的道路上，需要一种智能化的车辆管理系统来提高管理效率以及居民住宅区的安全，[1-2]本文将设计出一种以射频识别为核心，结合电机驱动，具有语音播报提示以及红外传感检测的小区车辆管理系统.

1 总体设计

系统的核心技术是射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，[3-4]其次用 STM32F103作为最小开发系统.系统主要有射频识别模块、语音温馨提示模块、LCD液晶显示模块、电机驱动(门闸开关)模块、传感检测防碰撞模块组成.识别合法的身份后，MCU控制各个模块的工作，系统的总体框架如图1所示.

在无须人工干预的情况下，用读卡器读取持有合法RFID智能卡的用户，自动控制门闸的开关.为防止出入的车辆与门闸间发生碰撞，还设计了传感检测模块来控制门闸的开闭；当识别到持有非法RFID卡的用户，门闸关闭，车辆不能进入小区，着实保障了小区的安全.此外更为人性化的语音播报功能，能够播报业主出入温馨提示语以及识别到非法车辆进入小区时及时提醒管理员，安全方便，满足了小区车辆管理的自动化、智能化以及人性化的需求.

图1 系统整体架构图Fig.1 Overall Architecture of the System

2 硬件设计

2.1 MCU主控芯片

该 系统采用的是STM32F1家族的主控芯片，[1]为了降低系统设计成本，因而选择了STM32F103作为系统的主控模块.系统设计所涉及的原理图均在Altium Designer 10中完成，MCU STM32F103最小系统接口电路如图2所示.

图2 MCU STM32F103最小系统接口电路图Fig.2 Minimum System Interface Circuit Diagram of MCU STM32F103

2.2 射频识别模块的设计

传统的小区车辆管理只对进入小区的车辆身份进行认证，为了更大程度上保障小区的安全以及满足现实所需，本系统设计了进出两个方向的身份认证，车辆不仅需要在进入小区时进行识别，在出小区时需要再次识别.系统中有两个完全一样的识别模块，均是由RFID-RC522组成.

(1)射频识别模块的工作过程.

射频识别模块的工作主要分为两个方面，一个是MCU与模块的数据传输；另一个是模块与射频卡之间的数据传输.[7-8]射频识别模块与MCU之间的数据交互主要是通过SPI通讯来实现，SPI的原理就是通过MCU产生的SCK信号来控制射频识别模块的通讯时钟.[9]对于射频识别模块与射频卡之间的数据通讯，其有标准的通信协议和标准，[10]起始阶段，RFID-RC522射频卡读写器进行寻卡，寻找模块附近所有符合该通讯标准的射频卡，然后通过内置的防冲突机制来确定唯一的射频信号，当确定了所识别射频信号的控制命令后进行选卡，接下来就是进行密码的验证，这也是最重要的一步，当密码验证通过即可对射频卡进行写操作，即更改密码或者相应的控制指令.

(2)MCU与RC522接口设计.

该系统有两个RFID模块，分别是对进入和驶出的车辆进行身份识别，经过分析，两次识别的模块硬件设计过程是相同的.因此，只需重点解决一个模块的硬件设计，MCU与RC522的连接图如图3所示.

连接说明：

SDA是双向数据接口，其在不工作的时候一直处于高电平状态，因此选择与STM32主控模块的PC2引脚相连，并进行与RC522的数据传输.时钟控制接口SCK与STM32主控模块PC7引脚相连接，由主控模块向次模块传输时钟控制信号，控制数据交互的时间，MISO、MOSI接口的功能都是进行数据的交互，唯一不同的是数据传输的方向，分别与主控模块的PC6、PC5引脚相连完成外围设备的数据传输.RST是复位信号接口，与PC4连接完成RFIDRC522的复位.当主控模块与这些接口正确连接后，烧写完程序便可实现射频接收模块与主控模块之间的通信.

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图3 MCU与RC522的连接图Fig.3 Connection Diagram between MCU and RC522

2.3 液晶显示模块的设计

该系统显示模块的主要功能是在识别到合法用户时，显示用户的ID，该ID主要由字母和数字组成.考虑到此系统的实用性，选用型号为LCD1602A的液晶显示屏进行显示模块的设计，该模块结构简单，配置容易以及具有高安全性、高稳定性、低功耗的特点.LCD1602A液晶显示模块是由若干点阵块构成，其可以显示多重字符.一个字符只能在一个点阵上进行显示，而且显示的内容之间都有一定的间距，更加的清晰，其带有字符发生器ROM可以显示192种字符.另外，该液晶显示屏还内置80B的RAM.

图4为LCD1602A与MCU的接口电路，LCD1602A的数据总线DB0-DB7分别于MCU的PA0-PA7相连接，进行数据传输，使能信号EN与MCU的PA10连接，传输使能信号.GND、BLK接口接地，R/W读写接口接PA9.

图4 LCD1602A与MCU的接口电路图Fig.4 Interface Circuit Diagram between LCD1602A and MCU

2.4 电机驱动模块的设计

在实际应用中，小区车辆管理系统有一个门闸功能，其核心就是一个电机，本设计将用步进电机来模拟门闸，利用MCU控制步进电机的转动从而控制门闸的开闭.

驱动器是步进电机的主要控制模块，综合实用与性能的考虑，本次设计选择ULN2003驱动器，ULN2003负载能力强，能够满足各种在大功率条件下工作的电机，ULN2003内部的电路能够直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据.MCU与电机驱动模块的接口设计如图5所示.

连接说明：

步进电机内部共有四相线圈，因此在CPU输入脉冲只需用到ULN2003的四个脉冲输入引脚，引脚9接电源，GND接地.ULN2003输入脉冲引脚4接MCU的PB8，引脚5接MCU的PB9，引脚6接MCU的PB10，引脚7接MCU的PB10.

图5 MCU与电机驱动模块的接口设计Fig.5 Interface Design of MCU and Motor Driver Module

2.5 传感检测模块的设计

系统的传感检测模块主要是检测在电机工作的时候门闸下是否有其他物体经过，以防与门闸发生碰撞，当有检测到物体时，电机维持当前状态；没有检测到物体时，电机进入下一个工作状态，即关闭状态.

该系统选用的传感模块为FC-123红外寻迹模块，该模块使用的传感器主要是红外传感器，该模块有一个发送红外线的探头，然后还有一个接收端，当对传感模块供电工作时，该模块上的红外发射装置不断向外发送红外光，发射出去的红外光遇到物体时，会经过物体反射一部分红外光，从而能够被传感模块上的信号接收装置所识别，此时，红外模块的输出引脚会有电平的变化，与主控模块连接后，相应的引脚电平也会发生变化.图6为红外模块组成结构.

图6 红外模块组成结构图Fig.6 Structure of Infrared Module

该传感模块的功能比较简单，就是去发射红外光以及检测反射回来的红外光，该模块只有三个接口，主要的输出信号接口为OUT，将检测到的信号进行简单处理后引起OUT引脚的电平变化.MCU与传感检测模块的接口连接图如图7所示.

连接说明：

FC-123的OUT输出引脚与MCU的PB13相连接，GND接地，VCC接+3.3V的电压.

2.6 语音播报模块的设计

系统语音模块的主要功能是播报业主出入温馨提示语以及当识别到非法用户时进行语音提示，语音模块需要播报几段不同的语音，从而需要进行语音的切换.因此，需要选择功能更全的音频播放器.

该系统选用JQ6500-28pin语音模块，JQ6500是一个高度集成音频播报的芯片模块，可以播放MP3等各种格式的音频文件.可以利用上位机进行更改内部存储器中的音频，另外还可以播放TF卡内的音频，支持FAT16、FAT32文件系统.当需要指定播放内部的音频时，只需根据简单的通讯指令就能实现，在设定播放音频时不要对底层的指令进行更改，控制起来非常方便，此种语音模块最大的优点就是输出音频的可靠性，不会掉帧.此外，厂家提供了一个上位机软件，通过USB端口能够将指定的音频文件导入其中.

该系统中，语音模块主要播放三段音频，因此只需要设置JQ6500开发板的K1、K2、K3引脚来播报第一段、第二段、第三段的音频，图8是JQ6500与MCU的连接图.

JQ6500开发板的K1、K2、K3对应于 MCU的PB0、PB1、PB2，表示控制JQ6500按指定顺序播放对应的音频.

图7 MCU与传感检测模块的接口图Fig.7 Interface Diagram between MCU and Sensor Detection Module

图8 MCU与语音播报模块连接图Fig.8 Connection Diagram between MCU and Voice Broadcast Module

3 软件设计与测试

3.1 系统总体设计

该系统主要有射频识别、显示、电机驱动、传感检测、语音播报等模块.系统采用功能分析法，对整个系统进行分块设计，各个模块的功能定义如下：

(1)射频识别模块进行寻卡以及防冲撞，判断ID的非法性；

(2)读卡成功后，液晶显示屏显示卡的ID；

(3)语音播报模块根据读卡是否合法性进行播报对应的音频；

(4)识别模块寻到合法ID后，步进电机工作，控制开关；

(5)电机工作时，红外寻迹传感器检测电机下是否有物体通过，控制电机的开闭.

系统工作流程图如9所示.

图9 系统工作流程图Fig.9 Working Flowchart of the System

3.2 系统总体测试

首先，射频识别模块进行读卡识别，本次设计只用一张合法的射频卡以及一张非法卡进行测试.当读取到合法的射频卡时，显示屏显示卡的ID，步进电机开始运转，语音模块播放相应的音频.在电机正常运转时，若传感器检测到物体，则电机保持当前运转状态.

成功识别合法的射频卡后，显示模块显示卡的ID，电机正向转动，语音播报“欢迎回家”提示语，此时传感器检测到物体，让电机保持当前状态.在出小区的射频模块中，识别到合法ID的过程与进入小区的过程相似，唯一不同的就是语音播放的内容，出小区时，语音播放“一路平安”提示语.

当识别到非法的射频卡时，本次测试用的是学校的校园卡，显示模块显示“Invalid ID Card!”，电机不工作，同时语音模块播报“非法卡，请联系管理处”提示语.非法卡的识别过程，进出入小区的情况完全相同.

4 结语

本文从RFID技术角度展开对小区车辆管理系统的设计，以射频识别模块为主要功能模块，集成电机驱动模块、液晶显示模块、传感检测模块和语音播报模块，实现了小区出入口门闸的自动开闭、播报业主出入温馨提示语和非法车辆进入小区的警示语、显示射频卡号及防止汽车与门闸间的碰撞等功能.该模型极大地提高了小区车辆管理效率，为现代化智慧小区建设提供了重要的指导意义.