基于51单片机的车辆定位监控系统设计

天津理工大学中环信息学院2016届本科毕业设计说明书1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（RadioFrequencyIdentification）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；优势天津理工大学中环信息学院2016届本科毕业设计说明书2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（GlobalPositioningSystem）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BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS（来自中国），俄罗斯GLONASS导航系统（来自俄罗斯），Galileosatellitenavigationsystem（来自欧盟）。1.1.2PositioningSystem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GlobalPositioningSystem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GlobalPositioningSystem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，有关专家也提出了天津理工大学中环信息学院2016届本科毕业设计说明书3许多基于室内定位技术解决办法，如A-GPS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A-GNSS)。1.1.3室内GPS定位技术GlobalPositioningSystem是全球范围内适应性和易用性最好的系统。当GlobalPositioningSystem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GlobalPositioningSystem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，A-GPS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GlobalPositioningSystem进行定位的优点是GlobalPositioningSystem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天津理工大学中环信息学院2016届本科毕业设计说明书4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.Wi-Fi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Wi-Fi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。天津理工大学中环信息学院2016届本科毕业设计说明书5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，Wi-Fi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，Wi-Fi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Wi-Fi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Wi-Fi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（RadioFrequencyIdentification,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。天津理工大学中环信息学院2016届本科毕业设计说明书6第二章研究RFID的背景及意义2.1RFID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