基于RFID技術(shù)的智能公交站牌設(shè)計(jì)
——以張家界為例

李良宏，向 想

(吉首大學(xué) 張家界學(xué)院，湖南 張家界 427000)

0 引言

隨著新時(shí)代的不斷發(fā)展，百姓生活水平不斷提高，人們的出行需求日益增加，人們對(duì)日常生活交通出行的方便性有了更高的要求，但隨之而來的是“交通出行難”的問題。智能公交站牌的應(yīng)用能在一定程度上帶來便捷。

1 張家界公交車站站牌概況

不同于傳統(tǒng)的公交站牌，智能公交站牌可借助LED顯示器顯示公交到站時(shí)間、車輛精確位置，具有智能照明、廣告、新聞投放等功能，解決了現(xiàn)有公交站牌功能單一、運(yùn)行效率低下等問題。

1.1 張家界市公交車站站牌現(xiàn)狀

張家界市目前仍采用傳統(tǒng)的公交站牌，即把信息圖直接鑲嵌在展示欄內(nèi)，形式單一，不夠新穎。張家界作為國內(nèi)著名旅游城市，旅游業(yè)是張家界的支柱產(chǎn)業(yè)，每年有大量的外地游客來到張家界旅游，公交車站是人流量密集的地方，傳統(tǒng)的公交車站宣傳海報(bào)無法以動(dòng)態(tài)形式向游客介紹張家界的風(fēng)景名勝和特產(chǎn)。除此之外，現(xiàn)有的公交站牌沒有燈光系統(tǒng)，夜間漆黑一片，看不清車輛線路信息，這對(duì)于夜間乘坐公交車查詢信息的市民來說極不便利。

1.2 智能公交站牌的介紹

智能公交站牌作為安裝在公交站臺(tái)上的標(biāo)志性站標(biāo)，其主要功能就是為乘客提供公交車輛線路圖和方便乘客候車。智能公交站牌與傳統(tǒng)站牌不同，傳統(tǒng)的公交站牌展示信息多為固態(tài)形式，信息固定化，所展示的信息僅限于車輛信息與站次信息，內(nèi)容十分有限。智能公交站牌是一種配備LED屏幕的電子站牌，夜間也能看清車輛路線信息。不僅如此，智能公交站牌的LED顯示屏還可以豐富商業(yè)展示效果，改變站臺(tái)廣告以往只能是固態(tài)圖樣傳播的局限，讓城市商業(yè)信息更加豐富多彩，得到更有效的傳播，促進(jìn)城市商業(yè)發(fā)展。同時(shí)，智能電子公交站牌屏幕還可以投放新聞、天氣、公益廣告等內(nèi)容，讓乘客可以對(duì)車站周邊的相關(guān)信息進(jìn)行搜索，準(zhǔn)確找到目的地，使等車充滿樂趣，提高出行體驗(yàn)滿意度[1]。除此之外，智能公交站牌運(yùn)用RFID技術(shù)，與車載終端搭載的GPS定位系統(tǒng)相結(jié)合，能夠?qū)崟r(shí)顯示車輛運(yùn)行狀態(tài)，避免市民盲目地等待車輛。在公交車輛快要進(jìn)站時(shí)，智能公交站牌會(huì)提前進(jìn)行提醒，以避免乘客錯(cuò)過要乘坐的車輛。

2 RFID技術(shù)介紹及組件

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID技術(shù)起源于英國，是由雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步衍生出來的，最早被運(yùn)用在第二次世界大戰(zhàn)中，英國空軍用它識(shí)別敵機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)后，人們普遍認(rèn)識(shí)到RFID標(biāo)準(zhǔn)化問題的重要性，RFID技術(shù)不斷更新，產(chǎn)品的種類也更加豐富，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。如今，RFID的技術(shù)得到了進(jìn)一步的提升，單芯片電子標(biāo)簽、多電子標(biāo)簽識(shí)讀、無線可讀可寫、適應(yīng)高速移動(dòng)的RFID技術(shù)不斷發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品也走入人們的日常生活，RFID技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 RFID的工作原理

RFID技術(shù)的基本原理為：電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(此類標(biāo)簽為無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)。另外，也可以由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送信號(hào)，閱讀器讀取信息并解碼后，送至應(yīng)用軟件解碼(此類標(biāo)簽為有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)[2]。

RFID工作時(shí)，閱讀器天線發(fā)射一定頻率的射頻信號(hào)，電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生電子標(biāo)簽，內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流再將電子標(biāo)簽中的能量激活，并返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，該應(yīng)答信號(hào)為電子標(biāo)簽的ID信息。讀寫器天線接收到RFID電子標(biāo)簽發(fā)送來的應(yīng)答信號(hào)后轉(zhuǎn)送到讀寫器控制處理模塊，讀寫器控制處理模塊對(duì)傳來的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和過濾后將RFID標(biāo)簽的ID信息返回給中間件[3]。中間件將不同的信息格式轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一格式，存入內(nèi)存中，同時(shí)將讀寫器事件轉(zhuǎn)化為滿足用戶請(qǐng)求的信息，發(fā)送給應(yīng)用軟件端，最后將RFID標(biāo)簽列表信息展現(xiàn)給使用者。

2.2 電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器，是射頻識(shí)別系統(tǒng)中存儲(chǔ)可識(shí)別數(shù)據(jù)的電子裝置，通常附著在物體上，用來標(biāo)識(shí)物體。每個(gè)標(biāo)簽都具有電子編碼，且標(biāo)簽的電子編碼是唯一的。電子編碼類似身份證號(hào)，存儲(chǔ)著物體的相關(guān)信息。電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過耦合元器件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間耦合。在耦合通道內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)交換。標(biāo)簽存儲(chǔ)器中的信息可由讀寫器進(jìn)行非接觸式讀寫。

2.3 讀寫器

讀寫器又稱閱讀器，是讀取和寫入電子標(biāo)簽內(nèi)存信息的設(shè)備。讀寫器基本由射頻模塊、控制處理模塊和天線組成。讀寫器的射頻模塊用于基帶信號(hào)與射頻信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，并與天線相連。射頻模塊既可以將頻率很低的基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，傳輸至天線；又可以將天線接收的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率很低的基帶信號(hào)。讀寫器的控制模塊是讀寫器的核心。控制模塊的主要作用包括對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行編碼、調(diào)制等，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼等各種處理以及實(shí)現(xiàn)與后端應(yīng)用程序的規(guī)范接口。

2.4 天線

天線是RFID電子標(biāo)簽和讀寫器之間實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)空間傳播和建立無線通信連接的設(shè)備。RFID系統(tǒng)包括兩類天線，一類是RFID標(biāo)簽上的天線，與RFID電子標(biāo)簽集成為一體，另一類是讀寫器天線，既可以與讀寫器集成為一體，又可以與讀寫器的射頻端輸出端口相連。在RFID系統(tǒng)中，天線的參數(shù)與RFID系統(tǒng)識(shí)別的范圍相關(guān)，設(shè)計(jì)天線時(shí)需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)、作用范圍來設(shè)計(jì)天線[5]。

2.5 中間件

復(fù)雜的RFID系統(tǒng)有多個(gè)讀寫器，每個(gè)讀寫器要同時(shí)對(duì)多個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行操作，實(shí)時(shí)處理傳送過來的信息，這就需要中間件進(jìn)行處理。中間件是讀寫器硬件模塊和RFID電子標(biāo)簽之間信息傳遞的重要環(huán)節(jié)，是RFID系統(tǒng)運(yùn)的中樞，也是RFID產(chǎn)業(yè)鏈的高端領(lǐng)域。

2.6 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件通常指安裝在計(jì)算機(jī)上的軟件，包括標(biāo)簽和讀寫器上運(yùn)行的軟件、后臺(tái)系統(tǒng)軟件。應(yīng)用軟件根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷電子標(biāo)簽的合法性，其主要任務(wù)就是對(duì)讀寫器讀取的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、計(jì)算、匯集，協(xié)調(diào)使用者完成對(duì)讀寫器的指令操作以及對(duì)中間件的邏輯設(shè)置，逐級(jí)將RFID原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為使用者可以理解的業(yè)務(wù)事件，并使用可視化界面進(jìn)行展示。

3 RFID技術(shù)在智能公交站牌中的應(yīng)用

智慧公交就是利用現(xiàn)代信息手段，向市民提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的公共交通信息，有利于提高城市公共交通服務(wù)質(zhì)量，緩解城市交通擁堵壓力，促進(jìn)市民便利綠色出行。基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)的智能公交站牌可以向市民提供車輛預(yù)報(bào)站、車輛到站提醒、實(shí)時(shí)線路查詢等服務(wù)。

3.1 智能公交站牌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

智能公交站牌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致分為3個(gè)部分，分別為車載終端、智能公交站牌、后臺(tái)服務(wù)端。

車載終端的硬件主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、GPRS通信模塊、GPS模塊、RFID模塊。車載終端的GPS模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)讀取GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)端。GPRS模塊主要負(fù)責(zé)車載終端與服務(wù)器之間的信息傳遞。RFID模塊負(fù)責(zé)車載終端與智能站牌之間的信息傳遞。車載終端的被動(dòng)RFID讀寫模塊相當(dāng)于電子標(biāo)簽，可將后臺(tái)服務(wù)端發(fā)送的天氣預(yù)報(bào)、廣告信息等公共信息寫入RFID卡。在公交車進(jìn)入站點(diǎn)時(shí)，智能公交站牌中的主動(dòng)RFID讀寫模塊會(huì)讀寫車載終端上的被動(dòng)RFID模塊信息，并將這些信息顯示在LED屏幕上。

電子站牌由RFID模塊、單片機(jī)、LED模塊組成。RFID模塊主要負(fù)責(zé)讀取車載終端的RFID卡中的信息，并將讀取的信息存入智能公交站牌的存儲(chǔ)器中。單片機(jī)負(fù)責(zé)處理存儲(chǔ)器中的信息，并將這些信息顯示在LED顯示屏上。

服務(wù)端相當(dāng)于智能公交站牌系統(tǒng)的“大腦”，通過車載終端間接與智能公交站牌進(jìn)行信息傳遞。負(fù)責(zé)計(jì)算、分析和存儲(chǔ)車載終端傳回的數(shù)據(jù)，以保證智能公交站牌的正常運(yùn)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為：車載終端上的GPS模塊實(shí)時(shí)采集車輛的位置坐標(biāo)信息，這些信息經(jīng)單片機(jī)處理后，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP方式向后臺(tái)的服務(wù)端發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，后臺(tái)的服務(wù)端經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理，計(jì)算到站時(shí)間和到站距離，再將這些數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載終端，車載終端收到信息后由單片機(jī)將該信息存儲(chǔ)在RFID讀寫器上[6]。在車載終端到達(dá)電子站牌的一定范圍時(shí)，車載終端與智能公交站牌通過RFID模塊進(jìn)行信息交流，車載終端接收站點(diǎn)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，同時(shí)把服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息傳遞給智能公交站牌，智能公交站牌顯示車輛的到站時(shí)間和到站距離。

4 張家界市智能公交站牌的設(shè)計(jì)

2020年8月，張家界市委市政府決定改革現(xiàn)有公交運(yùn)營體制。購入新能源公交車260臺(tái)，公交線路里程由146 km增加到208 km，設(shè)立公交線路21條。智能公交站牌的投入使用，未來將為上百萬張家界市民提供便利。

經(jīng)對(duì)比研究確定張家界市智能公交站牌主要由GPRS模塊、單片機(jī)、RFID模塊、LED顯示模塊組成。

GPRS模塊主要是負(fù)責(zé)智能公交站牌與后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)的信息交流。GPRS可將智能站牌收集到的公交車輛信息發(fā)送給后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)，方便監(jiān)控車輛位置信息和計(jì)算車輛到站時(shí)間。GPRS接收到后端服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送的車輛位置信息、通知通告、公益廣告、天氣預(yù)報(bào)等信息后，發(fā)送到LED顯示屏進(jìn)行顯示。

單片機(jī)是一種集成電路芯片，其在該系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是將RFID模塊接收的車輛位置信息進(jìn)行加工、處理，通過GPRS模塊發(fā)送至服務(wù)后臺(tái)，同時(shí)將信息顯示到LED顯示屏上。除此之外，單片機(jī)可將GPRS接收到的視頻、圖片、文字等信息存放在存儲(chǔ)器中，并提取相關(guān)數(shù)據(jù)處理發(fā)送至LED屏幕進(jìn)行顯示。

RFID模塊主要是接收公交車輛射頻卡發(fā)出的高頻無線電波，該電波搭載了公交車輛行駛的數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)的處理后，可以準(zhǔn)確獲得車輛的車牌號(hào)、路線號(hào)等信息，并顯示到LED屏幕上，讓乘客及時(shí)了解公交車輛到站信息。RFID模塊還可以將車輛到站信息通過GPRS模塊發(fā)送給后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)，后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)再根據(jù)這些信息合理安排車輛運(yùn)行。

LED顯示模塊采用的顯示板運(yùn)用1/16掃描方式，可以減少驅(qū)動(dòng)電路，降低成本，該模塊采用16×80點(diǎn)陣，可以顯示5個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字。廣告信息屏幕主要采用LCD顯示屏幕對(duì)視頻信息進(jìn)行循環(huán)播放[7]。張家界作為著名的旅游城市，通過公交站臺(tái)LED顯示屏幕以動(dòng)態(tài)的形式能夠更好地展示張家界市城市歷史文化、景區(qū)介紹、城市特色等。

5 結(jié)語

公交站牌作為站臺(tái)的明顯標(biāo)志，是一個(gè)公交車站必不可缺的重要設(shè)施。目前，由于智慧城市建設(shè)的需求，張家界公交站牌的樣式也需要從最初的老式公交車站桿變?yōu)闀r(shí)下流行的智能公交站牌。智能站牌的出現(xiàn)將為市民帶來更好的視覺感官體驗(yàn)，也會(huì)給市民的出行帶來便利。張家界市一定會(huì)打造屬于這座城市特有的智能公交站牌，它也必將成為一道亮麗的風(fēng)景線。