TC35I實(shí)現高速公路智能收費系統

GSM通信網(wǎng)絡(luò )已非常普及，在國內基本達到了無(wú)縫覆蓋。GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統運行可靠，其加密技術(shù)已非常成熟。利用GSM網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用模塊TC35I、藍牙無(wú)線(xiàn)數據通信芯片nRF401及微處理器進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)，完成了高速公路沒(méi)有收費站、免停車(chē)驗證的智能收費系統的初步設計和實(shí)驗。

　　1 系統工作原理

　　系統主要由兩大部分構成：一是車(chē)載系統，其結構框圖如圖1所示;二是高速公路入口處的固定基站和出口基站系統，其結構框圖如圖2所示。

　　1.1 車(chē)載系統

　　車(chē)載系統由一個(gè)具有收發(fā)短信功能的GSM網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用模塊TC35I、一個(gè)單片機控制系統和一個(gè)基于藍牙技術(shù)的無(wú)線(xiàn)數據通信電路組成。微處理器通過(guò)電路以19.2kb/s的速率與GSM模塊TC35I相聯(lián)接，調用手機的國際移動(dòng)識別碼和手機號碼，并自動(dòng)填入身份識別信息中。無(wú)線(xiàn)數據通信電路通信距離大于100米，在車(chē)輛以40km/h的速度通過(guò)公路出入口時(shí)，保障在1~3秒內完成身份驗證和收費通信。

　　單片機控制系統在上電并完成初始化后即進(jìn)入待命狀態(tài)，無(wú)線(xiàn)數據通信則處于接收狀態(tài)。當收到基站的指令后，便對收到的信息進(jìn)行分析。若是高速公路入口，則將入口信息及收費編號存儲于內部的EEPROM內，并發(fā)出加密的身份識別信息;若為出口，則將入口相關(guān)信息及身份識別信息一起發(fā)送給出口基站，出口基站對收到的信息一一驗證，并返回驗證結果及收費信息。最后通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )收到由高速公路管理系統委托發(fā)送的收費中心的收費短信。系統完成數據交換后，無(wú)線(xiàn)數據通信電路則進(jìn)入短暫的休眠狀態(tài)，并保持五分鐘，避免重復接收入口信息或影響后續車(chē)輛的無(wú)線(xiàn)通信。

　　1.2 高速公路出入口固定系統

　　固定系統分為出口基站和入口基站，物理結構基本一樣，功能上有所區別。在入口部分，首先通過(guò)CCD對即將進(jìn)入高速公路的車(chē)輛的車(chē)型進(jìn)行驗證，確定收費價(jià)位;然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據通信系統發(fā)出指令，驗證車(chē)輛是否具備自動(dòng)交費系統。在接到機動(dòng)車(chē)內系統的應答并確定該車(chē)具備自動(dòng)交費功能之后，將車(chē)輛特征信息、“身份”驗證信息及該車(chē)的自動(dòng)收費編號通過(guò)調制解調器及固定電話(huà)網(wǎng)通知各個(gè)出站口的收費系統;同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據通信傳送到車(chē)載系統，以供出站時(shí)驗證。在車(chē)輛放行后，通過(guò)電話(huà)網(wǎng)驗證該車(chē)是否具備交費能力。如果某個(gè)車(chē)不具備自動(dòng)交費能力或欠費，各個(gè)路口的無(wú)線(xiàn)系統都將跟蹤這個(gè)車(chē)的行蹤，并及時(shí)將信息反饋到各個(gè)執勤站點(diǎn)，通過(guò)執勤人員強制收費。

　　各出口固定基站系統首先通過(guò)CCD探知有車(chē)到來(lái)，在達到無(wú)線(xiàn)通信有效范圍之內時(shí)，啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信系統，接收到該車(chē)的入口信息、收費編號、車(chē)型及身份識別信息后，與由入口系統通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送來(lái)的信息進(jìn)行比較，如果一切正常，則開(kāi)啟門(mén)檻，放行通過(guò)，通知收費中心收費并發(fā)送收費短信。收費短信內容包括日期、車(chē)型、入口及時(shí)間、出口及時(shí)間、距離總長(cháng)等信息。反之，則必須通過(guò)執勤人員收費，通過(guò)人工操作放行。

　　2 主要元件選擇及接口電路設計

　　2.1 無(wú)線(xiàn)數據通信電路

　　無(wú)線(xiàn)數據通信電路主要擔負機動(dòng)車(chē)輛與固定基站系統進(jìn)行近距離的無(wú)線(xiàn)數據交換任務(wù)。由核心芯片nRF401及其附屬元件組成。nRF401是雙信道、高性能、低功耗的專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信芯片，工作頻率為433.93/434.33MHz，工作電壓為3.3V，最高通信速率為20kbps，可以直接與單片機串口相接，進(jìn)行異步通信，實(shí)現數據發(fā)送和接收，無(wú)需對數據進(jìn)行編碼。數據輸入端DIN與單片機的TXD端相接，數據輸出DOUT端與單片機的RXD端相接。在本電路中，通信速率設計為19.2kbps。電路原理如圖3所示。

　　2.2 GSM通信模塊

　　GSM通信模塊采用SIEMENS的TC35I。TC35I是SIEMENS公司專(zhuān)為GSM通信設計的專(zhuān)用模塊，具有語(yǔ)音、數據、傳真和點(diǎn)對點(diǎn)短信功能，工作于EGSM 900 和 GSM 1800頻段,重僅10g，在3.5~4.8V范圍內均能正常工作，對AT Commands Interface Version 8.5所定義的主要指令都能很好地執行，另有擴展指令20多條。

　　TC35I接口由40芯電纜組成，其中1～5腳接電池的“+”端，6～10腳接電池的“-”端，11～12腳為直流電源輸入端，可輸入8～20V/500mA的直流電，內部有自動(dòng)充電控制電路。15腳IGT為模塊開(kāi)機控制，31腳EMERGOFF為關(guān)機控制，都是低電平有效，也可以通過(guò)命令實(shí)現開(kāi)關(guān)機。17腳為振鈴輸出，18腳RX為串行數據輸出，19腳TX為串行數據輸入，32腳為工作狀態(tài)指示燈輸出，24～29腳接SIM卡。與微處理器的接口電路如圖4所示。通信速率為19.2kbps。

　　TC35I的全部指令可以從SIEMENS的網(wǎng)站上下載。

　　2.3 CPU控制電路

　　車(chē)載用戶(hù)移動(dòng)交費系統由低成本的AT89C4051單片機組成，工作電源3.3V，基站由高速、高性能的77E58-40單片機完成無(wú)線(xiàn)數據通信與身份驗證功能，CCD車(chē)型識別由另外的獨立處理單元完成。