基于无线传输的智能公交系统的研究学士学位论文.doc

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1、摘 要近年来，随着经济的发展，汽车越来越普及，城际间的经济往来更加频繁，造成大中城市交通日益拥挤。智能公交系统的出现能够改善道路拥堵的现状，是现代交通发展的必然趋势。本文以此为出发点，研究设计了一种以AVR单片机为控制核心的智能无线传输系统。针对国内公交系统的实际情况以及无线通信技术的发展现状，本文研究了一种基于ATmega64L的高性能、低功耗的智能公交站牌，它利用无线通讯超高频段以低成本实现公交企业运营数据的实时采集、快速传输及无线通讯系统车载智能设备及控制系统的实时通信，使公交企业能够充分利用无线通讯系统真正实现城市公交的车辆管理及信息查询的智能化。系统主要由两大块组成，车载部分和站牌部

2、分。当某路公交车到达某个站点时，车载无线发射器自动向站牌发送到站信号，经调制解调后，站牌接受信号并显示公交车目前的信息，以及将该信息传到下一站牌，该电子站牌可为乘客提供公交车所处位置的实时信息，传输可靠性高、功耗低。本系统的控制芯片选用ATmega64L单片机；发射接收模块选用无线收发芯片NA1TR8；计数模块采用热释电红外传感器RE200B作为核心部件，检测上下车人数；语音芯片选用美国ISD公司生产的ISD4004，并详细介绍了各模块的软硬件设计。通过软硬件调试，本文设计的智能公交站牌系统是切实可行的，其控制简单、功耗低、运行可靠，具有一定的推广价值。关键词：智能公交、无线通信、RE200B

3、、ISD4004目 录1 绪 论11.1 课题的研究背景11.2 研究现状和发展趋势11.3 课题研究目的和意义21.4 论文的研究内容41.5 论文的结构102 无线智能公交系统总体设计62.1 系统方案选取62.2 系统组成及功能82.3 系统总体设计102.4 本章小结133 无线通信技术143.1 无线通信技术概述143.2 无线通信的工作原理213.3 无线收发模块的选取263.4 无线通信协议103.5 IEEE802.15.4a通信标准中的数据帧格式103.6 宽带线性调频信号的接收283.7 无线收发模块硬件设计283.8 本章小结284 车载设备系统294.1 单片机主控模块

4、的选择294.2 单片机外围电路设计354.3 红外计数模块设计394.4 语音模块设计284.5 无线通信模块电路设计284.6 本章小结395 站牌系统设计415.1 电子站牌总体设计415.2 显示系统435.3 本章小结446 总结与展望456.1 全文总结436.2 展望43致 谢46攻读硕士期间发表论文46参考文献47Contents1 Introduction11.1 Background and Significance11.2 Digital Image Processing11.3 Research Status21.4 Main Contents , Innovative

5、s and Structure of the Paper42 Pretreatment of Image62.1 Image Grayscaling62.2 Image Filtering82.3 Image Binarization102.4 System Summary133 Dial Extraction143.1 Edge Detection143.2 Mathematical morphology213.3 Dial Extraction263.5 Summary284 Interpretation of meter294.1 Pointer Feature Extraction29

6、4.2 Confirm the Center of Circle354.3 Read and Recognition394.6 Summary405 Matlab Simulation and Error Analysis415.1 Matlab Simulation415.2 Error Analysis435.3 Summary446 Summarization and Expectation45Thanks46Reference Documents 47第一章 绪论1.1 课题研究的背景智能公交系统是未来公交系统的发展方向，它是将先进的信息技术、计算机技术、无线数据传输技术、控制技术及电

7、子传感技术等有效的集成运用于整个交通管理系统而建立的一种在大范围内发挥作用的，准确、实时、高效的交通运输管理系统。智能公交系统是快速公交系统的重要组成部分，其充分考虑大中型城市先进公交的运行需要，采用网络、控制、通信、计算机、数据处理及智能交通系统技术，提供可靠、高效、实用的运营调度系统、车载电子系统、站台智能系统等服务项目，逐步实现了“人-车-站-道”一体化，将公交优先、合理调度、快速上下、安全舒适、人性化服务的功能发挥出来。智能公交系统的实施可以让乘客清晰了解最优化的乘车路线、车辆到站时间等信息，令城市公共交通更加顺畅便捷。搭乘公交出行，我们难免遇到等待公交的问题，现在的公交站牌提供信息量

8、少，尤其在上下班高峰期，乘客们往往拥挤在公交站牌等待所乘公交车。为解决当前公交系统提示信息的不足，本文研究了一种以AVR单片机为控制核心的智能无线传输系统，车载控制器以无线发送的方式将车辆信息发送到站牌显示系统，比以往基于GPRS导航的公交系统更加直观，让出行者在等待公交时心中有数。随着社会的发展，汽车数量不断增加，交通问题日益突出。我国的公交系统早已建立，技术并不低于国外，一些较先进的公交系统也早已建立，但是当前的公交车准时性较差，没有确定的乘坐时间与等待时间。要想解决当前的问题，就必须提高公交服务水平，使其科学运营、准时到站。这其中电子站牌系统起着重要的作用。基于以上的观点，本文结合现有的

9、系统，设计出一种新型的智能公交站牌。1.2 研究现状和发展趋势在20世纪80年代中期，欧洲10多个国家投资50多亿美元，旨在完善道路设施，其他新兴的工业国家和发展中国家也开始智能交通系统的开发和研究。1995年美国制定了“国家智能交通项目规划”，明确规定了智能交通系统的领域，美国的先进公共交通项目主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理论以及使用先进的电子通讯技术来提高公共效率和服务水平的实施技术。1991年美国国会通过了“综合地面运输效率方案”旨在利用高新技术提高路网的效率。日本早在1973年就开始了对智能交通系统的研究，目前日本已成功地开发了智能导航系统和公共交通管理系统

10、，智能导航系统向用户提供道路通行情况及天气情况等有关交通信息、电子地图和GPS服务，这对日本的智能交通系统的良好发展起到了很大的推动作用。我国对于智能交通的研究起步较晚，目前还处于发展阶段。近几年，随着智能公交系统和互联网的建设，我国城市的公交信息服务已达到了快速发展，在发展过程中，必须充分考虑城市交通系统对公交系统的影响，利用智能公交调度系统的公交车辆定位、形成时间预测等数据，综合道路交通状况，可以建立针对公交服务水平的动态评价模型，是公交企业可以实时评估公交系统的运营状态，根据企业的运营服务目标调整车辆调度计划。1.3课题的目的和意义本课题的目的是研究一种新型的智能公交系统，解决以往公共交

11、通系统中存在的不足，促进智能公交系统在城市中的普及，方便人们在等待公交的时候能直观地看到自己所要乘坐的公交车的具体行驶位置，让乘客能够更加合理地安排自己的出乘计划。汽车拥有量的增加是社会发展的结果，虽能控制，但大趋势不可改变；而城市线路已基本固定，大量增加道路已不太可能，为避免交通的拥挤，人们不得不把眼光投向公交系统的改善，但是当前的公交站牌大多存在着不实用、乱等不合理的问题，因此，设计一种新型的公交站牌系统是必要的。智能公交站牌信息显示系统利用无线传输电路和LED显示电路实现了公交站牌的信息显示，该站牌显示系统具有成本低廉、结构简单和系统性能稳定的优势，胜于复杂的GPS信息显示系统。通过利用

12、该系统不仅能够满足中小城市公交系统的应用，满足人们出行的需求，还能提高城市公交的运行效率，改善公交系统的服务水平。1.4 论文的研究内容本课题主要围绕无线通信智能控制系统的研究展开，主要内容涉及自动收发模块、调整模块和无线通信模块几个部分，系统的实现是其共同协调运行的结果，因此本论文的研究内容可以分为四部分：（一）自动收发模块的设计：公交车上安装自动发射模块，该发射模块由无线发射电路和带地址编码的芯片来实现的。 （二）调整模块的设计：通过编码译码的方式来实现。（三）无线通信模块的设计： 无线通信模块是实现公交车与站点以及相邻站点之间的数据通信，由NA1TR8无线收发器和单片机串口通信来完成。1

13、.5 论文的结构按照课题研究的内容，本文共分为6章：第一章 主要介绍了课题研究背景和意义，以及国内外智能公交系统的研究现状及发展趋势，并就目前公交系统的概况，分析了本课题要做的工作。第二章 主要对智能公交系统的结构进行总体设计，通过介绍系统的研究思路，提出了以AVR单片机为控制系统的核心，以NA1YR8为数据信息的传输方式，为课题的展开奠定理论基础。第三章 本章的主要内容是公交系统信息传输关键技术无线通信技术的介绍，包括无线通信的基本结构组成及工作原理，以及对本文所选用的收发芯片NA1TR8的相关功能介绍，无线通信协议的相关知识和IEEE802.15.4a通信标准中的数据帧格式的介绍，信号的产

14、生和接收的介绍，最后介绍无线通信具体各模块的电路设计。第四章 主要介绍了车载系统的研究和设计，以ATmega64L单片机为主控系统，NA1TR8作为本课题的无线收发器，对信息的处理和发送进行了研究，并在此基础上做出了系统硬件设计。第五章 本章主要介绍公交站牌系统的设计，站牌系统主要由电源模块、显示模块和收发模块组成，并详细说明了各模块的工作原理、硬件电路连接和实现功能。第六章 第二章 无线智能公交系统总体设计2.1 系统方案选择随着科学技术的迅速发展，国内外研究智能公交系统的方式也越来越多，主要有两种方式：基于GPS的智能公交设计和基于无线收发模块的智能公交设计。（1）基于GPS的智能公交设计

15、20采用GPS定位系统，对公交车定位，在公交车行驶过程中，定位系统通过移动通信和中心服务器建立联系，当公交车的经纬度与车站的经纬度相接近时，确定定位，车辆把数据信息上传到中心，服务器接收数据并处理后，将数据传送到站牌系统，但是这种方案有很大的问题：现在大、中城市的建筑物，像高架桥、高楼随处可见，阻碍了GPS应该发挥的原本效果，这种局限性在特大城市中更加明显。GPS通信链路单一，并且容错性也不是很高，如果在一个完整的通信过程中，某一小部分出现了问题，整个通信系统将会停止运行，处于瘫痪状态。另外，GPS通信造价太高，还要对地形勘察，任务艰巨。（2）基于无线收发模块的智能公交设计基于无线收发模块的智

16、能公交设计是利用无线收发芯片，把公交车的实时数据信息传送到电子站牌系统，该传输系统可采用现成的无线收发模块，稳定性高、调节方便、传输速度快、功耗低、价格相对便宜，在设计中较GPS省去了很多繁重的工作。因此，本课题的研究采用基于无线收发模块来完成智能公交设计。 20陈胜，董德存公交电子站牌分析J交通科技与经济,2009, 第 4 期2.2 系统组成及功能（1） 智能站牌系统在智能公交设计中，站台部分是不可缺少的基础设施之一，也是整个系统服务于乘客的必要环节，智能公交站台系统主要包括车辆的识别、客流的采集、车辆信息的查询等几个主要部分。（2）智能车载系统车载电子设备是智能公交系统的重要组成部分，是

17、公交车与站台、与监控系统进行信息传输的必不可少的装备，也是智能公交为出行者服务的必要手段，保证系统高效运行、方便快捷。车载电子系统的设计目标主要有： 采集车辆位置、工作状态等信息。 建立公交车、站台、监控中心的无线通讯联系，为实现公交智能化提供条件。 提供监控中心对行驶车辆及设备的全面监控，是西安公交运营的实时性和过程监控。 提供面向驾驶员的辅助调度界面。（3）无线通信系统智能无线系统的核心主要是怎样准确、快速、高效、及时的得到信息，以及怎样进行处理信息，而信息的传输离不开通信技术，通信技术为智能公交系统的正常运营提供基础平台。智能公交中所需要的信息，像哪一路公交车到达哪一站台以及客流量的信息

18、，一般需要无线通信来实现。2.3 系统总体设计智能公交系统基于计算机控制技术、先进的信息技术、无线通信技术、地理信息技术的综合运用，实现公交交通系统运营的信息化和智能化。如乘客外出在公交站牌等车时，能够在站牌显示系统中获取其需要搭乘的公交车的到站情况和车上人数，根据自己需要，选择坐公交车还是选择其他交通工具；另外，车辆监控人员可在调度中心监视各路公交车的行驶情况。和其他电子站牌一样，本设计系统主要由车载装置和站牌系统两部分组成15。当某路公交车到达某个站牌时，公交车车载控制器通过收发器发出信息，电子公交站牌获取公交车上传信息，公交车与电子站牌和电子站牌之间采用无线通信方式完成信息得传输。图2.

19、1以某一线路某路公交车为例说明系统的构成。图2.3 系统总构成图Fig.2.3 System structure diagram15 Suai-Zhang. Research on Intelligent Passenger Information System based on Its Traffic congestion exists widely in China large cities. Electronic Technology20Ron Franke. Porting application software in the embedded systemenvironment.

20、Electronic engineering,2000：3541.站牌主要由电源、LED灯、无线发射模块和单片机控制模块组成，当某路公交车到达某个站牌时，公交车车载控制器通过收发器发出信息，电子公交站牌自动获取公交车上传信息，公交站牌显示屏上相对应的LED灯亮。再由站牌内的收发器将这一信息传至该路车行车线路站牌中其他站的公交站牌，并在该线路上的其他电子站牌上相对应的LED灯亮。 例如某市1路公交车沿途共经过15站，对每一站赋予相应的代码，用四位二进制数显示，收发器接收来自公交车信息以及向下一站发送信息，站牌显公交车信息， 如某1路公交车沿途所经过的站名如表1所示。表1 1路车所经路线则公交车编

21、号如表2所示。表2 数据库中存储站名编码表2 系统的基本结构和原理整个系统分为三大部分，公交车车载控制模块、站牌系统模块和无线收发模块。车载控制模块即发射部分和接收部分，其发射部分包括信号调制和发射模块，接收部分包括接收模块、信号解调、显示等。当公交车到达某一站附近时，公交车上的发送器将信号输出到nanoLOC TRX芯片1，经调制，以射频信号发射出去，电子站牌的射频识别模块能够检测到几十米范围内上传的公交信息2，并对信息进行处理，得出具体的公交车信息，然后再利用LED灯来显示公交车的位置信息，该收发器将信号传至下一站牌，以此类推，这样在站点等车的乘客就可以了解到所乘公交车的具体行驶位置了。系

22、统结构框图如图1所示。图1 系统结构框图这样，本文所提出的设计方法解决了怎样确定公交车即将到达哪一站点的问题，也说明了公交车只是在自己的行车路线上的所有站点中站站接力的方式传达本车信息，跟其他线路是没有关系的。在公交车信息传送的终点即线路的终点监控室可获得整个线路的公交车的信息，方便了调度中心的集中管理和控制。公交车车载控制系统实现了车上人数统计、语音报站和向靠近的站牌发送本车的具体数据信息的功能，其原理图如图2.3（1）所示；公交车电子站牌系统则实现了显示到达该站点所有公交车即将到站的信息，方便乘客查看自己所乘公交车的情况以及向所经路线的下游站点传送本车信息的功能，其原理图如图2.3（2）所

23、示。图5.6 车载系统原理图 图5.6 站台系统原理图Fig. 5.6 Flow chart of wireless comFig. 5.6 Flow chart of wireless communication 该系统的实际运行过程如图2所示，公交车到达A站后，则在下面的B、C站点会依次点亮A站点的LED灯，来表示车辆目前的位置。以1路和2路车为例，当1路车分别到达A、C站点时，A站点显示已到达的1路车的信息，在B站点显示的是1路车到达A站点的信息，而C站点显示的是到达C站点和未到达C站点的所有1路车的信息。 图5.6 公交车运行示意图Fig. 5.6 Flow chart of wire

24、less communication program2.4 本章小结本章主要内容为无线通信系统的智能公交系统的方案选择和总体设计，主要包括通信方式的对比、系统的结构和基本原理。综合考虑各方面，在满足设计需要的前提下，采用模块化设计的思想，提出了控制系统的总体设计框架。第三章 无线通信技术3.1 无线通信系统概述3.1.1 无线通信系统的组成所谓通信d，就是将信息从发送者传输到接受者的过程，完成这个过程的系统称为通信系统，包括有线和无线通信。一个完整通信系统的组成框图如图3.1所示。 图3.3 通信系统的基本组成Fig. 3.3 Flow chart of wireless communicat

25、ion program信源：信源就是信号的产生（物），即信息的来源。可以是语言、文字、声响、图像等形式。输入变换器：它的作用是把要传递的信号变成电信号，不同的信源需要不同的变换器。通常把这种电信号称为基带信号，该信号通常是低频信号，它可能是数字信号，也可能是模拟信号。发射机：它的作用是将基带信号变换成适合在不同信道内有效传输的信号，这种变换称为调制，包括振荡、放大、调制、输出等。调制后的信号称为已调信号，或通带信号。信道：是发射机和接收机之间的传输媒介，主要包括有线和无线两种。有线信道是利用电线、电缆等来传输信号；无线信道是利用电磁波来传输信号，在无线模拟通信系统中，信道是指自由空间。接收机：

26、接收是发射的逆过程，它将由信道送来的已调信号变换为源端的基带信号。包含混频、解调、放大等。输出变换器：它的作用是将传输来的基带信号变换成所需要的信息。a李静基于USB的短距离无线通信系统在分布式地震仪中的应用吉林大学硕士论文,2007,4b白立峰点对多点无线通信系统的设计与实现西安电子科技大学硕士论文,2010,5c时志云近距离高速无线数据传输系统研究中北大学硕士论文,2008,4,18d李文远无线通信技术概论M国防工业出版社,2006,43.1.2 无线通信系统的特点无线通信系统不同于有线通信，所具有的特点是d a：1、无线电通信可以利用空间作为通信媒介，建设快、投资省、灵活性大，不受地形阻

27、隔。特别是对于应急通信，抗灾通信更有独特的优越性。2、无线电通信可以传送电报、电话、传真、图像、电视及现代通信的新业务，可保证高的传输质量；而且还具有全球性或区域性广播能力，是广播、电视的重要传输手段。3、无线电波的传播受气候和环境的影响，如短波传播受太阳黑子、磁暴、对电离层骚扰、雷电、工业性干扰和核爆炸等的影响，微波传播则受大气折射、地面反射、雨雪云雾的影响，这些影响或形成衰落、或造成干扰，因此无线电通信设备要采取各种技术措施以消除或尽量减小衰落、干扰和噪声的影响。为保证高质量的通信，也要对电磁波环境进行管理以消除各种电器设备对无线电通信的干扰及通信互相干扰。4、无线电通信，存在易于截获、窃

28、听等问题，对重要保密通信，应采取终端保密措施。现代化保密设备已可做到短期或长期的保密不被破译，因此可根据不同条件使用无线电通信。3.1.3 无线通信系统的分类无线通信系统可以分为很多不同的类型d a。根据传输信号的不同，分为数字无线通信和模拟无线通信；根据无线终端状态的不同，可分为移动无线通信和固定无线通信；根据信道路径与传输方式的不同，可分为微波中继通信、卫星通信；根据电磁波波长或频率的不同，可分为长波通信、中波通信、短波通信、超短波通信。不同频率的波有不同的传输特点，因此在使用的时候，应根据需要选用所需波段。表3.1为无线电通信中电磁波波段使用情况。表2.2 无线电波段划分表Tab.2.2

29、The Performace Comparison of several RF Components波段名称波长范围频率范围主要用途超长波105104 m303KHz长距离通信、导航、频率标准长波104103 m30300KHz长距离通信、导航中波103102 m3003KHz广播、船舶通信、飞行通信短波10010 m330MHz广播、各种通信超短波101 m30300MHz短距离通信、电视雷达导航分米波10.1 m3003000MHz短距离通信、雷达散射通信厘米波101c m330GHz短距离通信、雷达卫星通信毫米波101 mm30300MHz穿入大气层时的通信3.1.4 无线通信系统的主要

30、结构单元在无线通信系统中，发射机和接收机是最重要的两个单元。发射机将基带信号变换成适合在不同信道内有效传输的高频信号，并发送到一定的信道上。接收机是发射的逆过程，它将由信道送来的已调信号在噪声和干扰的环境中提取出有用的信息。发射、接收机的结构框图分别如图3.2（a）、3.2（b）所示。图5.6 发射机的结构框图Fig. 5.6 Flow chart of wireless communication program图5.6 接收机的结构框图Fig. 5.6 Flow chart of wireless communication program每个单元包括以下几个模块c：功率放大器、低噪声放大

31、器、振荡器、混频器（降频器和升频器）、射频滤波器、中频滤波器和中频放大器。分析整个射频通信系统，最重要的器件就是放大器、混频器、振荡器和滤波器。发送信号时，从基带模块发送出的模拟信号，经过中频放大、滤波、升频、功率放大后通过天线发射出去；接收机部分经天线接收发送来的射频信号，经过滤波、放大后和本地振荡器产生的本地振荡信号混频，产生中频信号，然后再经放大，输送到基带部分。下面将详细分析各模块功能和性能指标。(1)低噪声放大器(LNA)低噪声放大器主要由四个明显的特征。一是接收机前端的主要部分，主要对收到的微弱信号降低噪声和放大，要求噪声越小越好。为了防止产生非线性失真，又要求其增益不能够过大。其

32、二，由于受传输过程中路径的影响，加上接收的信号本身就很微弱，以致信号的强弱不固定，在传输路途中还可能掺杂着其他比较强的信号，这就要求低噪声放大器有较大的线性范围，并且具有可调的增益。第三，为了抑制部分镜像频率的影响，应具有选频功能。第四，低噪声放大器应该和天线保持很好的匹配，保证信号以最小的噪声干扰最大的传输功率进行传输。低噪声放大器技术指标c主要为：线性范围合适、噪声系数较低、增益均衡、输入输出阻抗匹配等。这些指标之间即相互联系，有相互矛盾，既要求满足系统正常的传输信号，又要保证减小其他外界信号对系统的干扰。其中，低噪声放大器和信号源的匹配至关重要。匹配通常有两种方式：一是得到最小噪声干扰的

33、噪声匹配；二是得到最小反射损耗和最大功率传输的共扼匹配。目前，大部分的LNA采用共轭匹配，这种匹配可以避免传输过程中的能量反射。(2)射频功率放大器在无线发射系统中，为了使信息进行有效的远距离传输，这就需要发送的信号具有较大功率，射频功率放大器通常工作在发射机的末级，它的作用是保证调制好的信号放大到一定的功率，经天线发送，使接收端在一定的范围内接受到有效的发送信号，并且保证不掺杂其他信道的干扰信号25。其技术指标主要是：功率、杂散输出与噪声、线性、效率等。其中，基站功率通常为十几到一百瓦，袖珍机功率通常为零点几瓦。它的效率一般有两种方法，其一是功率增加效率，是输入输出功率之差与电源提供功率的比

34、值；其二是集电极效率，是输出功率与电源提供功率的比值。线性通常用来描述已处理好的信号的失真度，分为线性和非线性两种。放大器线性越大，说明其性能越好；非线性有较高的功率，但在工作时，会产生一定的不利的影响。25Carl J. Weisman 著. 刘志华，徐红艳，李萍译. 射频和无线技术入门. 北京：清华大学出版社，2004. 1944(3)混频器混频器是无线通信系统的重要组成部分，混频器实现了两种不同信号的乘积，通过其他部件的非线性完成的。在发射机和接收机中分别采用上混频器和下混频器，上混频器是完成信号从中频到射频段的转移，则下混频器的作用与之相反，它是完成信号从射频到中频的转移。它将已调制的

35、中频信号搬移到射频段。其技术指标主要是：线性范围、增益、噪声、阻抗匹配、输入输出端口的隔离等。其具体的技术指标如表2.2所示。表2.2 混频器主要性能指标Tab.2.2The Performace Comparison of several RF Components增益10dBNF12dBIIP3+5dBm输入阻抗50口间隔离1020dB (4)震荡器振荡器可分为固态振荡器和电真空振荡器，前者具有制作成本低、结构简单、低功耗、体积小的优点，因此使用时一般都采用固态振荡器。振荡器的作用是产生用来驱动混频器工作的射频周期信号，是无线通信系统中不可或缺的重要器件。目前，在很多试验中广泛使用频率合成

36、器，主要由参考源和两个振荡器组成。频率合成器具有较低的噪声、较高的效率、系统易于集成等特点。小信号振荡器一般用于实验室测量和较小范围的传输，大信号振荡器则通常用于发射机单元。主要技术指标是：工作频率范围、长期频率稳定度、射频输出功率、调谐时间、调谐特性、调后漂移、谐波电平、推频系数、工作温度范围及电源要求等。(5)滤波器在无线通信系统进行信号传播的过程中，难免会引进入一些特定频率以外的成分。滤波器的作用是利用离散时间特性对收到的信号波形进行处理，保留系统需要的有用的信号，过滤掉该有效信号频率以外的干扰信号。滤波器有模拟滤波器和数字滤波器两种，模拟滤波器又分为有源和无源滤波器。在射频电路的研究中

37、，大部分采用模拟滤波器，一般用无源电路来实现；而数字滤波电路需要占用单片机资源，工作频率较低，在一般使用中，需要利用有源电路来实现数字滤波28。28刘长军，黄卡玛，闫丽萍. 射频通信电路设计. 北京：科学出版社,2005. 4344463.2 无线通信系统的工作原理所谓无线通信，就是利用空间电磁波作为传输介质，在空中传递信号，将信息从发送方传到接收方的过程。本系统中，公交车载系统采集的数据如公交车编号、车路号经单片机进行一系列处理后变为高频信号，送入发射模块，通过天线发送出去，公交车站牌系统接收模块接收数据，再经单片机进行处理以LCD的方式显示在站牌上，并以接力的方式一站站传下去，在该路线上的

38、其它电子站牌上显示出该辆车的实时信息。其基本结构框图如3.3所示。图3.3 无线通信结构框图Fig.3.3 Structure diagram of wireless communication 3.3 无线收发模块的选取随着无线通信技术的迅速发展，无线收发芯片的种类也越来越多。在使用中选择符合设计要求的芯片很重要，正确的选择需要进行以下几点的综合考虑：（1） 无线数据传输编码方式为在编程上有较高的经验技巧和更多的内存容量，我们选用曼彻斯特编码的芯片，并且曼彻斯特编码大大降低了数据传输速率，一般就为标称速率的三分之一。（2） 外围器件数量芯片外围器件的连接简单与否直接决定了模块的体积及其复杂程

39、度。我们在使用时尽量选取外围器件少的无线收发芯片。（3） 功耗为保证系统较长的带电使用时间，从芯片使用寿命和使用成本综合考虑，应该选用功耗较小的模块。（4） 发射功率在功耗低、外围器件少的前提下，为保证信息传输的有效性和可靠性，应选择发射功率较高的芯片。几种射频元器件的性能比较如表3.3示。表3.3 几种射频元器件性能比较Tab.3.3The Performace Comparison of several RF Components对比项NA1TR8BC418RF2915XC1201CC400工作电压2.4V3.6V2.5V3.4V2.4V5.0V2.4V5.5V2.7V3.4V可否直接接单

40、片机串口可以，数据无需曼彻斯特编码，高速率不可，数据需曼彻斯特编码，低速率不可，数据需曼彻斯特编码，低速率不可，数据需曼彻斯特编码，低速率不可，数据需曼彻斯特编码，低速率发射、接收电流35mA;60mA45 mA;8mA17 mA;6.8mA10 mA;7.5mA91 mA;40mA最大输出功率+8dBm+12dBm+5dBm-5dBm+14dBm速率2Mbps外部调制128Kbps;内部调制2.4Kbps9.6Kbps64Kbps9.6Kbps接外部天线数12*12*1外围元件数50个约50个两根天线时约20个；一根时约35个25个通过以上比较，本系统采用Nanotron公司生产的NA1TR

41、8无线电收发芯片，该收发芯片是一种低功耗，高度集成的混合信号芯片，它采用独特的线性调频脉冲通信，阳离子技术宽带线性调频扩频（CSS），这种创新的调制技术是新一代短距离无线数字传输技术，具有极低功耗的特点，能够工作在广泛的温度范围内，并可在强大的无线网络操作机构中执行，在全球通用的2.45GHz的ISM工频段的无线通信网络中已被广泛应用。NA1TR8无线电收发器利用Nanotron公司开发的一种独特的调制技术宽带线性调频扩频（CSS），CSS已被IEEE 802.15.4a任务组选定为基准物理层标准。NA1TR8提供最大数据传输速率2Mbps，在室外最远通信距离为900m，包括一个集成SPI，包

42、括一个集成的MAC控制器，接收器的灵敏度为92dBm/Mb/s，处理增益为17dB。NA1TR8内部集成了可编程控制器，该控制器由基带控制器和MAC控制器组成，基带控制器主要是完成基带和链路层的控制和管理，包括SCO和ACL连接方式、差错控制、物理层的认证与加密等；MAC控制器主要实现点对点的仿真、以太帧的校验、加/解密、分类/复用等控制功能。NA1TR8无线收发器芯片，主要用于工业控制与检测，网络和定位，照明和楼宇控制，射频识别RFID，家庭自动化，报警系统，仪器仪表和传感器网络，多媒体等领域。3.4 无线通信协议在无线传输系统中，要使信号进行可靠、安全、流畅的传输，设计模块应当按照相应的传

43、输协议进行有关的系统配置。不同部位的数据发送与接收需要不同的接口。本系统包含两种数据传输方式c：一种是发送模块已调制的数据在控制器与无线收发模块之间的传输，采用串行接口方式进行数据有效发送；另一种是数据在无线收发模块之间即由发射机端口发送到接收机端口之间的传送，采用的是自行构建的无线通信协议进行数据有效发送，如图3.4所示。图3.3 无线通信协议的构建Fig.3.3 Structure diagram of wireless communication 当通信进行时，发射机和接收机，首先以握手的方式进行连接，连接成功时，发射机把数据信息发送出去，每发送一个数据，接收机就需要向发射机发送应答信号

44、，若发射机接收到应答，就会继续向接收机发送新的数据。若接收机收到否定应答信号或发送超时，则重新进行发送。若多次发送都成功，则说明信号在这个频道上处于良好的传输状态；若惊醒多次重发还是发送失败，则说明信号与发送频带不匹配，需要重新换频后再进行发送。c时志云近距离高速无线数据传输系统研究中北大学硕士论文,2008,4,183.5IEEE802.15.4a通信标准中的数据帧格式IEEE802.15.4a通信标准是由使用CSS技术的物理层和使用CSMA的MAC协议组成的。物理层由前导码、同步码、MAC帧域及尾字符组成，前导码的作用是目的主机接收器时钟与源主机发送器时钟同步；同步码的作用是使帧同步；尾字

45、符作用是尾部与前一级帧的分隔符。IEEE802.15.4a通信标准中的数据帧格式如图3.5所示。图3.5 IEEE802.15.4a通信标准中的数据帧格式Fig. 3.5 Data frame format of IEEE802.15.4aMAC层有6种帧格式，分别是数据帧（Data）、应答帧（Ack）、广播帧（Brdcast）、时间信标帧（TimeB）、请求发送帧（Req2S）、清除发送帧（Clr2S）。依据上述不同的6种帧格式，MACFrame包含10个域。IEEE802.15.4是用于媒体介入控制层和低速无线个域网物理层的规范，低功耗是其最重要的特点，而IEEE802.15.4a通信协议

46、是针对IEEE802.15.4协议所做的一个修订版34，其主要不同点在于： IEEE802.15.4a通信标准新增了2种物理层实现方式343536：一种是超宽带物理层技术（UWB-PHY），其实时性更强、数据传输率更快、定位测距更准确以及具有良好的鲁棒性；另一种是Chirp扩频技术（Chirp Spread Spectrum，CSS），其工作频带是2.4GHz，能够在长距离和快速移动情况下通信。3.5.1 宽带物理层技术UWB超宽带物理层技术UWB是一种无线载波通信技术，使用1GHz以上带宽的通信技术，又称为脉冲无线电技术，系统结构易于实现、安全性高、功耗低，适用于高速、近距离通信，它将成为高速无线通信技术的主流技术。UWB信道模型主要分为路径损耗模型、多径模型和小尺度衰落模型。（1） 路径损耗模型在窄带信道中路径损耗表达式为式2.1，其中，是载频，是发送功率，是接收功率，d是接收发射端之间的距离。