基于51单片机的车辆定位监控系统设计.doc

天津理工大学中环信息学院2016届本科毕业设计说明书Error! Bookmark not defined.Error! Bookmark not defined.基于51单片机的车辆定位监控系统设计摘要近年来，射频识别技术(Radio Frequency Identification）得到了长足的发展，而与之有关的应用也日渐丰富，阅读器,应答器和应用软件系统是一个完整的射频识别系统应该具备的最基础的三部分部件。射频识别系统最重要的优点是非接触识别,它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，阅读的速度也非常快，在很多情况下，阅读器的速度能达到100毫秒以内。其中又以有源式射频的速度为主要特征.可用于绝大多数我们日常生活中的使用场景，如物品跟踪，物品匹配，维修处理等。关键词:射频识别技术;优势第一章绪论1.1背景1。1。1 研究定位技术的背景目前,以基于蜂窝无线网络的定位系统和基于卫星的定位系统为较为成熟实用的无线定位系统。其中以美国1958年研发成功的GPS（Global Positioning System）为卫星定位的代表.GPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能.要实现以上所有功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素。GPS具有28颗卫星（其中4颗备用)。分布在6条交点互隔60度的轨道面上，距离地球表面两万千米.能够达到个体机精度误差不超过十米,综合定位，GPS的定位精度可达到厘米级和毫米级.目前我们日常生活中使用的GPS定位系统，仅能达到误差精度十米左右。GPS具备全球全天候定位的特点，定位的精度相对来说比较高，观察反馈时间短，测站间无需同视，使用起来比较简单，应用层面比较广泛等特点。当然，其他国家和地区也研制了一些具备定位导航功能的基于卫星的定位系统。其中包括BeiDou Navigation Satellite System,BDS(来自中国），俄罗斯GLONASS导航系统（来自俄罗斯)，Galileo satellite navigation system(来自欧盟）。1。1。2Positioning System和利用无线传感器网络或其他定位手段进行定位都有鲜明的优势和缺点。尤其是Global Positioning System对于建筑的穿透能力较差.在室内基本处于不可能的状态。未来室内定位技术正朝向卫星导航技术与无线定位技术相结合的方向快速发展,将Global Positioning System与无线定位技术进行优劣互补,可以满足我们生活中的绝大多数场景需求。随着移动网络数据流量业务和多媒体服务行业的快速发展，普通百姓对于精准定位与实时路况情况以及实时导航的需求也逐渐提升，尤其在信号干扰条件较为复杂的室内环境,如教室、机场候机厅、物流存储仓库、大型综合性商场和超市、大型图书馆、地铁、地下井矿等环境中，我们经常处于需求而想要确定移动终端持有人在室内的具体位置信息。但是受制于定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制,目前尚无较为完善的方法能够完美的解决室内定位这一全球性难题。与此同时,有关专家也提出了许多基于室内定位技术解决办法，如AGPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术,以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。这些室内定位技术从总体上可归纳为几类，即GNSS技术(如伪卫星等)，无线定位技术，以及GNSS和无线定位组合的定位技术(A-GPS或AGNSS）.1.1。3室内GPS定位技术Global Positioning System是全球范围内适应性和易用性最好的系统。当Global Positioning System终端工作于室内时，由于信号受建筑物的影响而降低的非常厉害,定位精度几乎已经达到了不可使用的状态，几乎不可能像在室外一样直接从卫星通信中获取信号和时间等有用信息。为了使Global Positioning System在室内仍然可用，要将停留时间在每个码上都进行一定程度的延长，A-GPS技术既是为了克服室内定位而孕育出的一种GPS技术的衍生技术。使在室内进行定位时，AGPS技术也能够进行一定程度的定位。在选择室内定位方式的时候，其优缺点和利弊性也是考量的重点范畴。1.GPS技术。利用Global Positioning System进行定位的优点是Global Positioning System卫星几乎覆盖了全球范围的任何一个角落，定位精度尚可，而且免费提供给任何使用GPS终端的使用者进行使用.缺点是信号在达到终端设备时，较为微弱，几乎不能够在室内使用（房屋建筑阻挡，无法穿越）。2。红外线室内定位技术。红外线室内定位技术定位是室内定位的重要手段,其原理基本可以概括为,一束被调制过的红外射线IR标识被发射出来，并且在室内安装一定的光线感应器,进行接收红外线IR光束。从而达到定位的效果。诚然，较高的定位精度是红外线定位的一大特色,但是众所周知，光线遇见固体的时候，只能够被反射，使得红外射线的可用范围受到较大的束缚.综合起来实际使用时，发现红外线定位的实际表现,属于比较差的水平。另外，当有不透光的物体机型阻挡的时候,就不可以进行定位，基于以上原则,如果想要在室内使用红外线定位，需要在每个房间、角落都进行安装接收天线，成本较大。也正是因此,红外线只适合短距离传播,且容易被其他光源进行干扰，实际使用效果不佳。3.超声波定位技术.超声波定位主要采用的是反射式测距法，被测物体的具体位置被三角测距算法测得，其原理类似于蝙蝠在夜空中飞行的超声波反馈，测试仪器发出声波,并接受其与被测目标物体的反馈回波.根据所消耗的时间，计算出,有的则采用单向测距法.超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。超声波定位相对于其他集中室内定位技术来说,其结构相对来说比较简单，定位精度较高且比较精确，但由于其受非视距传播影响很大，建设初期，需要大量的人力物力进行建设，建设成本也比较大.4.蓝牙技术。蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。蓝牙技术相对于其他几种定位技术来说，是一种传播距离较短,但是节能性能相对不错的技术，在使用时候，在指定区域安装一定的蓝牙接入点，但是需要保证蓝牙局域网接入点始终是这个piconet的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术的应用场景和范围都较小，主要应用于小场地，小场景的地方.但与此同时，我们也不可以忽略了蓝牙技术的优势，它的体积非常的小,很利于集成在例如手机，51单片机等,所以在易用性上比其他技术强很多.对于具有蓝牙功能模块的设备，当蓝牙开关处于开启状态时，设备能够根据其发出的信号来判断所在的具体位置。采用蓝牙技术的时候，传输距离不容易收到改变和干扰。但是不可忽略的问题是,蓝牙设备与超声波定位技术也有一定的弊病，造价过于高昂,建设初期所需要投入的成本也较大。5。射频识别技术。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。射频识别技术在传播的时候，理论上，最长才可以达到几十米。但是它可以在极端的时间内（毫秒级别)确定出厘米级的定位范围，传输距离来说，相对比较大，造价对于前几者来说，成本相对较低，比较便宜易用。射频识别技术还具有非接触和非视距的特点，其特点决定其可以成为优秀的定位技术.当然，射频识别技术也并不是尽善尽美.现阶段,射频识别需要攻克的领域主要在于如何保障传播时候数据和信息的安全性.而射频识别技术的另一大劣势在其通信时不具有信息性,所以在使用场景上，有所掣肘.6。超宽带技术。超宽带技术与传统的通信技术有着极大的不同和差别。其不是使用传统通信方式中的载波传输数据，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲进行信息和数据的传递。超宽带系统具有众多优点，其信号穿透能力非常强大而能耗方面则非常小。由于其不采用通常意义上的载波传输，使其具备了很高的安全性，系统也相对来说更为复杂，难以破解。并且在提供定位时，能够得到非常精准的数据。因此,超宽带技术是未来室内定位技术的主流发展方向之一。7.WiFi技术。WLAN同样为我们提供了一个全新的通信信息获取平台，WLAN的应用场景十分广阔。可以在复杂的环境中进行较为精准的定位，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。现阶段，主流的的WiFi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。IEEE802。11采用经验测试和信号传播模型相结合的方式,非常便于使用和安装，只需要数量不多的基站，即可达到较高的定位精度。目前,市场上一些公司已经开发出了使用Wi-Fi进行定位的专用软件，误差大约在20米左右.理论上最小值可达1米。其定位精度好高于蜂窝网络定位.同样，WiFi定位的缺陷在于容易在空间上造成误差。Wi-Fi仅提供水平上的定位,而定位目标的高度是没有办法确切的得出一个有效值的。所以在定位高度（如楼层时）就很容易出现误差.现在，WiFi还仅仅应用于小规模的定位范围（如房间内），但其造价和成本也较为低廉，如普通的WiFi路由器几乎是每个家庭的必备产品。其定位时,比较容易收到其他信号的干扰.而且路由器在功耗方面，相较于其他产品，是相对功耗比较高的。8.ZigBee技术。ZigBee的传播距离较短，但功耗也相对来说较低,也能应用于部分室内定位。ZigBee有自己的无线电标准，在大量的传感器之间进行通信数据的互相协调通信，用来实现定位。大量的传感器在工作的时候只需要很少的能量，工作方式类似于我们在奥运会中看到的接力长跑比赛。一个一个的进行数据接力，这种通信方式是非常高效的.所以ZigBee最大的优势就是与WiFi定位技术相比，其同样造价低廉的同时，具备了低功耗的特性。除了以上提及的定位技术,还有基于计算机视觉、光跟踪定位、基于图像分析的定位技术等.但是这些技术中有一些还处于实验阶段，而另一些相应的定位技术则一些有不足之处，不可否认，他们当中的一些通信技术可应用于某些特殊场景.但是不具备通用特性.1.2本设计的目的及意义现阶段世界上通行的仓储物流系统一般采用红外通信系统,采用红外通信系统的好处显而易见，但是因为是基于红外通信传输协议标准，其固有的一些弊病也成为难以逾越的鸿沟。如既有的红外通信传输距离较短，信息也属不可擦除式的读写。而对环境的要求和适应也逐渐成为阻碍其发展的原因之一。这些问题和故障成为了红外通信不可避免甚至不可逾越的鸿沟.而射频识别（Radio Frequency Identification， RFID)技术在经历过多年的发展之后,也已经相对完善和成熟，而其特有的防水性，防磁性也为其对环境的适应提供了一些保障.价值非接触式能给使用环境和场景提供更多的可能性。而认证无需人工干预、支持多标签识别操作等优势，让射频识别具备了独一无二的特性，几乎无可替代。被课题旨在研发基于51单片机的车辆定位监控系统，有利于推动现代仓储物流管理系统的工作效率，推进科技发展和智能化进程，同时，能够极大的提升生产力。加速智能化进程的速度。因此具有重要意义。第二章 研究RFID的背景及意义2.1 RFID技术概述2.1。1RFID射频识别的发展现状现阶段，RFID已经广泛应用于我们日常生活中的各个方面。智能交通在我国的应用前景十分广泛，而诸如北京，上海，广州，深圳等一些经济较为发达的城市，已经逐步将其付诸实践。以北京,上海为例，城市交通一卡通已经逐渐普及.市民不但能够享受到乘车，充值等服务带来的便利,更为资源回收,环保再利用贡献了自己的一份力量.所以得以支撑其发展的原理技术-RFID射频识别技术已经日渐成为不可或缺的一门科学知识学科。实际上,RFID射频识别技术是一门类综合性学科。它将大量不同领域的学科知识综合起来。RFID射频识别技术近十年非常迅速的发展，得以逐步被用于各个领域,传统工业也将工作也自动化加入了RFID元素.而交通运输控制管理领域则是RFID应用的新战场.随着时间的推移和科学技术的迸发式发展,基于RFID射频识别技术的产品也将越来越多的被应用于我们的生活中,前景和范围也将不仅仅局限于工业自动化，智能交通管控等领域,可猜测估计的到，在不就之后的将来，RFID射频识别技术将仍旧持续快速发展的速度并保持良好应用前景以及功能扩展上和应用领域上的无限扩展性.总体而言，RFID射频识别技术当前正朝着一个固定的标准方向发展，而降低成本，降低差错率，也是RFID技术正在努力提升的潜在性能。但是目前,RFID的标准化进程仍未完成。相关的行业标准和基于RFID的应用领域尚未达成一个统一的国际标准，在各国间，基于RFID的频段也没有一个严格统一的规定.基于RFID的最广泛的应用之一电子标签页没有形成一个相对来说较为统一的规章制度.而到目前为止,基于RFID的最广泛的应用之一-电子标签的最低价格约为0.8元人民币左右.相对来说，价格仍旧比较高。对于大型货物来说，0。8元人民币的价格是比较划算的选择,但是对于一些本身单价就较低的产品,再给其贴上一个成本为0。8元人民币左右的电子标签，显然不是明智之举。未来的趋势是基于RFID技术的电子标签越来越廉价，预计会下降到0.5元人民币的成本左右。因为只有这样CIA有可能使电子标签广泛的应用于各个领域。基于RFID的电子标签技术目前已经非常的成熟，但是在实际应用场景中的表现还是稍微有些不尽如人意。其差错率在实际使用中有时可能高达20.所以，如何大幅度的提升基于RFID技术的准确率是一个非常重要的研究方向。实际使用过程中，无源式的RFID技术被更加广泛的应用于各个领域.但是,目前无源式RFID系统的安全性还有待商榷。由于无法对数据进行更高层级加密和保护,使其非常容易遭受攻击。在使用过程中，很可能被不法分子利用，用以获取一些机密信息。鉴于我国RFID技术起步相对于世界上的发达国家来说,比较晚，标准方面也没有一个统一的标准，应用的广泛性方面相较于其他国家和地区，也并没有优势，对于RFID在公司企业中的普及以及应用,也在摸索层面,所以还有很大的发展空间。而目前来说我国RFID的频段划分工作仍在如火如荼的进行中,其中不乏一些比较困难的问题,问题主要集中在UHF 800900 MHz这个频段。因为我国在800900 MHz的频段采用了移动通信和广播传输等业务,其中，我们熟知的包括中国移动，中国联通，中国电信等公司的2G领域无线网络都采用800900MHz的频段网络.甚至还包括一部分的无线广播业务，也采用了这个频段,很难有充足的剩余频段留给RFID来工作.在2007年出台的800900 MHz频段射频识别（RFID)技术应用规定（试行）中对我国RFID使用频率划分了双频段,除了和点对点立体声广播共用920925 MHz频段外,还从800 MHz频段中划出了840845MHz供使用。在艰难的标准商榷制定中，我们拟采用自主定义的网络技术标准，亦或采取较为成熟的日本以及欧美国家采用的无线通信网络标准。但就目前看来，这些标准都是不会最佳方案.不符合国际化的发展策略。而在核心技术上的知识产权甚至关系到一个国家的命脉发展所在.因此我们不能期望各大跨过公司的成熟产品都能够支持中国自主研发的制式标准。所以，根据上述问题，中国应该采用一套既兼容国际标准又能有自主研发的网络标准制式，这样有利于借鉴各国在FRID产品在发展上的经验的同时,能够迅速完善自己的网络标准和产品.迅速所辖与世界各国在发展上的差距。为中国的企业和公司在FRID上的发展牟利。相信以后，随着RFID产品技术的日渐成熟，其造价也将逐渐低廉,网络标准方面也趋近于统一,RFID技术在我国将会有良好的晋升空间,真正为我们的生活和生产带来长足便利和进步.2。1.2 RFID技术特征非接触识别是RFID射频识别技术最重要的特点之一，它能克服绝大多数的恶劣环境来进行标签的读取,具备极快的读写速度,应用前景十分广阔。而目前世界上各国的标准的不统一,不兼容，是阻碍RFID发展的重要原因。目前，世界上主要的厂商提供的都是其特有的专用系统，这与多年前的手机充电接口相似,可以说是五花八门，百花齐放。不同的厂商之间,在标准制式和频段的使用上也各不相同，并且互不兼容，形成了一定的技术壁垒。在这种混乱的市场环境下，想要让RFID技术在此领域得到长足的发展，必须进行标准的统一和对现有设备进行兼容性的适配.打破技术壁垒，让RFID技术真正作用于人类,造福于人类。目前世界上一些国家已经开始着手于统一标准等方案，并取得了不错的进展和成绩。一旦当标准制定完成，RFID不但将作用于某一个国家或者地区,而是全人类的福祉和宝贵财富。2。1。3RFID的适用性物流管理的效率主要表现为如何降低服务所需成本和如何快速提升用户体等问题上.通过现有的RFID技术，如何去实现既有的目标策略就成为了一个较为严峻的问题。在运输管理方面采用RFID射频识别技术是非常有效的策略之一，实际运用过程中，我们要在货物的外盒上加入电子标签，在检查中转等站点设置一个阅读器，就可以初步的实现物品的无线管理.同样,收件方可以获取一定的权限来得知货物运送的具体进展，得知货物所在的具体位置.这对于提升用户体验有着重大的积极影响.2。2 RFID的性能特点RFID阅读器可以同时阅读多个RFID标签，相对于以往的一对一的方式，FRID技术无疑更加的快速，高效。RFID模块的体积非常小、外观也是百花齐放，各式各样。RFID在工作时，不会受到其芯片的大小，芯片的外形等外在因素的限制，也不需要特定的材料机型印刷和配合,让使用性和实用性大大提升.同事，RFID标签同样可采用不同外形以用来适应不同产品之间的特性.奇艺用的特点也让其扩展性大大加强。而RFID标签同样具有很强的抗污染能力。相比于传统的条形码极易被破坏导致无法读取的特性，RFID标签的抗污染能力提升了不止一个数量级。RFID标签对于常见的污染源如饮料,水等物质也具有一定的抵御能力。同时，由于RFID的数据保存于芯片中，而非像条形码等方式直接裸露于外部，可以有效的数据的丢失.RFID标签与传统的条形码星币，同样具备可重复使用的优势特点.传统的条形码在生产出来之后，无法更改，如果想要更改信息或数据必须进行重新制作。而RFID标签则可以反复的进行更改，完善内部数据，必要的时候还可以清空重制,更加方便易用的同时,也符合现代节约环保的特点，有利于资源的回收再利用。RFID标签具有极强的穿透性并且具有很强大的无屏障阅读能力.相比于传统的条形码，在无法看到的角度，是没有办法被阅读的。但是RFID标签在被覆盖的情况下，仍然能穿过一些常见的材质物体，进行无线通信，这使RFID的应用领域和前景大大加强。RFID的可容纳数据量也较为可观。通常情况下的条形码50Bytes（一维),二维条形码最大的容量可储存2至3000字符，RFID标签的数据容纳量则大大提升,并且随着科学技术的发展和人们对RFID的进一步研发，数据容纳量还将进一步增强.由于科技的发展和进步,未来人们的生活中可能不乏大数据处理的服务。而RFID标签则可以很好的完成这项工作.传统意义的二维条形码可承载的数据信息非常有限。没有办法完成此项工作.RFID还具有一定的安全性。虽然RFID标签所承载的信息仍然容易被不法分子截取，但是其使用的信息毕竟还是电子式信息内容。其数据可以进行一定程度的加密，虽然安全性依然没有非常强大的保障，但是相信随着技术的发展，RFID技术的安全性也将大大加强。RFID因为其具备的无线传输信息的能力和较高的数据存储能力而受到业界各方的密切关注.它不仅可以提升信息，货物管理的效率,还可以确实的提升用户使用体验和感触，让用户能接收到更加清晰的反馈。提升公司，企业与用户之间的友好度，拉近企业与公司直接的距离，有效的提升了公司企业与用户的友好度.同时对于整个供应链的优化目的也是显而易见的。第三章 结构设计3.1智能小车工作原理简介图3.1在本次设计中，智能小车的循迹是在地面铺设白色为地面的路面，并在上面贴上黑线。智能小车会按照黑线进行前行。循迹过程中，一束红外线被红外发射管发出后,被接收管所接受。同时，接收到的物理量以电信号的形式进行表达.经过电信号放大电路处理，输出给电动驱动电路的L298N芯片，使智能小车能够按照指定轨迹前进。3。2循迹模块流程图图3.2循迹时，由于白色和黑色对于红外线的反射强度不同，智能小车可以根据红外线接收到的强弱来判断是否沿黑线前进，若是则前进,若否则停车。第四章 原理部分4。1主控芯片简介图4.1 89C51单片机89SC51单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字节在系统可编程FLASH存储器，使用STC公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦使用常规编程器。4.2 红外光电传感器模块简介图4.2LM339传感器模块相对于其他的传感器来说，对光线环境的适应能力比较强，LM339具有一对红外线发射与接收管,发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物(反射面）时,红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号)，可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围260cm，工作电压为3。3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点,可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合4。3电机驱动模块简介图4.3 L298N电机驱动L298 有 15 引脚 Multiwatt 直插封装和 PowerSO20 贴片封装. L298 兼容标准的 TTL 逻辑,是一款高电压、高电流双全桥驱动器，能够驱动感性负载，例如继电器、电磁阀、直流电机、步进电机等.两个独立的使能信号用于使能或禁能设备，每一个桥的下管射极相连，射极引脚可以连接相应的采样电阻，用以过流保护，芯片的逻辑供电与负载供电分离，以使芯片可以工作在更低的逻辑电压下。4.4 RFID射频识别13。56MHz模块简介图4。44。5 7805电源模块简介图4。54。6显示模块LCD1602简介图4。61602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM,显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2，即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。第五章 结束语5。1总结首先对整个论文总体完成的内容进行总结。本文中首先介绍了现阶段定位技术发展的背景特点和发展现状，分析了主流的几种位置定位方式，并依此指出其优缺点.其后针对我们需要应用的RFID射频识别技术进行了详细的解读和介绍。将其背景，工作原理,优点，缺点，未来发展方向等因素都进行了说明.其后针对原理部分进行了原理图的绘画和标注，对智能小车能够实现的功能进行了详细介绍.其中包括了RFID读卡器模块，电源驱动模块，红外模块，51单片机模块,电源模块和显示模块等。对智能小车在循迹，躲避障碍物等问题进行了相近的叙述.最后对工作进行了总结和展望,从本次设计中获益良多.参考文献1 范平志，邓平，刘林。蜂窝网无线定位。北京：电子工业出版社，2002。2 傅晓红.蜂窝网络无线定位系统的研究D.北京邮电大学,2004。3 史伟光.基于射频识别技术的室内定位算法研究D.天津大学,2011.4 刘宗元.基于射频识别(RFID)的室内定位系统研究D。中山大学，2009.5 范霄。基于WiFi信号的无线室内定位D。山东科技大学,2013。6 石鹏。无线局域网系统定位算法研究D.复旦大学，2006.7 胡圣。室内定位技术的研究D。重庆邮电大学，2006.8 JeffreyHightower，RoyWant,GaetanoBorrielo，SpotON：An Indoor 3DLocation Sensing Technology Based on RF Signal StrengthC. 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