公交車(chē)的遠卡自動(dòng)收費系統設計

引言

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，城市公共交通已變成我們生活中不可或缺的一部分。目前，公交收費主要有人工售票和刷卡投幣收費兩種方式。人工售票雖然具有監督性強、能有效防止偷票漏票現象的優(yōu)點(diǎn)，但是每月需要給售票員發(fā)放工資，進(jìn)而使得成本提高。刷卡和投幣收費能解決成本問(wèn)題，但是乘客上下車(chē)非常不便，特別是高峰期，大大減緩了上下車(chē)速度。當前國內外公交車(chē)收費采用的射頻卡與收費機操作距離不超過(guò)0.1 m(下面簡(jiǎn)稱(chēng)這種射頻卡為“近卡”)，乘客繳費需要從衣袋，包內取卡，貼近收費機刷卡，再將卡放回衣袋、包內，這些動(dòng)作減緩了乘客上車(chē)速度，特別對雙手攜帶東西的乘客，刷卡操作會(huì )很不方便。

本文研究的公交車(chē)自動(dòng)收費系統使用有源標簽完成公交卡的設計，在保證較長(cháng)使用壽命的基礎上，使感應距離增大到1 m左右。將車(chē)載系統放置在距離公交車(chē)上客門(mén)口約1 m左右的距離，乘客上車(chē)時(shí)經(jīng)過(guò)車(chē)載系統就能夠成功刷卡，同時(shí)使用的防碰撞算法保證了在乘客上車(chē)擁擠的情況下也能夠成功刷卡，成本低且效率高。近年來(lái)，地鐵交通的大力發(fā)展也為人們的出行帶來(lái)極大的方便，本系統經(jīng)過(guò)修改后同樣可以用于地鐵的自動(dòng)收費，應用空間比較廣闊。

1 系統的整體構成

公交車(chē)遠卡自動(dòng)收費系統總體分為兩大部分：公交卡和車(chē)載系統。公交卡主要由nRF24LEl射頻模塊和喚醒電路組成;車(chē)載系統主要由主處理器STM32、GPS定位模塊、液晶顯示電路、存儲電路、語(yǔ)音報站電路、喚醒電路等構成。系統總體結構如圖1所示。

當乘客攜帶公交卡上車(chē)經(jīng)過(guò)車(chē)載系統時(shí)，公交卡的ATA5283喚醒電路接收到車(chē)載系統讀卡器端ATA5276芯片發(fā)送的125 kHz電磁波后，激活處在睡眠模式下的公交卡，公交卡進(jìn)入發(fā)送模式，將自己的ID號、卡內金額發(fā)送給車(chē)載系統。車(chē)載系統給公交卡發(fā)送信息，蜂鳴器響一下表示刷卡成功，并在液晶屏顯示成功信息。同時(shí)，車(chē)載系統將此公交卡的ID號、金額、上車(chē)位置保存在A(yíng)T24C512存儲器里，當乘客要下車(chē)將公交卡再次靠近讀卡器時(shí)，公交卡再次被喚醒并向車(chē)載系統發(fā)送數據。車(chē)載系統的處理器根據此公交卡的ID號找到上車(chē)時(shí)刷卡的信息來(lái)計算所需要扣費的金額，并向公交卡發(fā)送扣費數據;同時(shí)，會(huì )將本次乘車(chē)信息保存在數據庫中，以備查詢(xún)使用。公交車(chē)到達終點(diǎn)站后將會(huì )進(jìn)行復位操作，如果有乘客下車(chē)時(shí)未能感應上，則按照到達終點(diǎn)站的路程進(jìn)行扣費。

2 系統主要部分硬件實(shí)現

2.1 公交卡的硬件設計

采用nRF24LE1作為標簽芯片，ATA5283作為喚醒芯片組成公交卡的硬件電路。nRF24LE1是一款帶有處理器的2.4 GHz收發(fā)芯片，在一個(gè)很小的芯片上集成了51內核和nRF24L0 1收發(fā)內核，與nRF24L01采用相同的內嵌協(xié)議和GFSK調制方式，具有串口、SPI、I2C、PWM發(fā)生器、隨機函數發(fā)生器等豐富的外設資源，該芯片功耗極低且具有非易失性數據存儲器。

ATA5283是一款檢測靈敏度高和功耗超低的125kHz無(wú)線(xiàn)喚醒芯片，具有1 mV的靈敏度，在待機偵聽(tīng)125kHz數據狀態(tài)時(shí)，功耗僅為1～2μA，在接收125 kHz數據的過(guò)程中，功耗為2～4μA。在接收125 kHz數據時(shí)，至少檢測到125 kHz載波持續時(shí)間為5.64 ms才進(jìn)入正常工作模式。其中，前1.54 ms的載波周期的時(shí)間用于喚醒此芯片，后4.1 ms的載波周期用于進(jìn)行自增益調整，把接收信號的放大增益調整到合適的值。兩者再加上紐扣電池等外圍電路構成了有源式公交卡，能實(shí)現遠距離的信號發(fā)射與接收。公交卡硬件電路如圖2所示。

在沒(méi)有檢測到125 kHz信號時(shí)，ATA5283芯片以非常低的功耗處于待機模式。在此模式下，COIL引腳的天線(xiàn)端一直在檢測是否有載波信號到來(lái)，N_DATA和N_WAKEUP引腳為高電平，復位引腳RESET處在低電平狀態(tài)。當COIL引腳的天線(xiàn)端接收至少704個(gè)載波序列后，ATA5283芯片進(jìn)入工作模式，N_DATA開(kāi)始接收載波數據，N_WAKEUP變?yōu)榈碗娖?，喚醒nRF24L E1。由于只需要喚醒功能，無(wú)需有效的載波數據傳輸，因此，只需將N_WAKEUP與nRF24LE1的P0.6引腳相連。最后，nRF24LE1的P0.0引腳給ATA5283的RESET引腳一個(gè)高電平，使ATA5283復位，讓芯片重新回到待機監聽(tīng)模式。

2.2 車(chē)載系統射頻模塊電路設計

采用的nRF24L01射頻模塊與nRF24LE1的射頻部分是相互兼容的，也工作在2.4GHz頻率段，是通用ISM頻段的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。內置射頻發(fā)送接收器、數據緩沖器、GFSK調制/解調器、增強模式控制單元及與處理器連接的SPI接口。nRF24L01采用SPI總線(xiàn)方式與處理器通信，STM32處理器自帶SPI接口。

本設計將時(shí)鐘控制信號SCK、串行數據輸出MISO、串行數據輸入MOSI、芯片使能引腳CSN、中斷信號IRQ、射頻使能引腳CE分別與處理器的PA5、PA6、PA7、PC4、PB0、PC5引腳直接相連，具體電路如圖3所示。同時(shí)，該芯片的增強模式具有自動(dòng)重發(fā)和自動(dòng)應答功能，中斷信號IRQ用來(lái)告訴處理器其接收和發(fā)送數據的狀態(tài)，使處理器及時(shí)根據狀態(tài)來(lái)做出相應的處理，這些功能大大減少了MCU的工作量。

2.3 車(chē)載系統低頻喚醒發(fā)射電路設計

采用不斷發(fā)射低頻125 kHz電磁波的形式去激活有源標簽，發(fā)射芯片采用ATA5276，它能發(fā)射頻率為125kHz的信號，該芯片驅動(dòng)天線(xiàn)線(xiàn)圈的峰值電流是可調的，輸出的最大峰值電流可以達到1.5 A，調制方式是ASK調制，波特率可達4Kps，芯片工作電壓范圍為8～24 V。處在待機模式時(shí)電流消耗小于50 μA，傳輸的125 kHz電磁波傳給相應的接收器，通過(guò)STM32的PD0引腳可以控制該芯片工作。

設置DIO腳與STM32的唧引腳連接，如圖4所示，PD0引腳平時(shí)處于低電平狀態(tài)，當PD0發(fā)出高電平時(shí)，三極管導通，DIO引腳變?yōu)榈碗娖?，ATA 5276從待機模式轉為工作發(fā)射模式;此時(shí)，DIO為低電平，L1和C4組成的串聯(lián)諧振電路開(kāi)始起振，125 kHz能量通過(guò)電感以磁場(chǎng)的形式傳播出去，當DIO引腳檢測到低電平時(shí)停止諧振。

3 系統軟件實(shí)現

軟件設計主要包括車(chē)載系統程序設計和公交卡程序設計，車(chē)載系統程序包括舡24C512存儲器的I2C總線(xiàn)程序、GPS的串口通信程序、nRF24L01和ISD4004的SPI總線(xiàn)程序以及CD 12864的并口程序設計。公交卡程序主要包括nRF24LE1低功耗和防碰撞程序設計，采用的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，靈活方便。軟件開(kāi)發(fā)平臺是MDK，其集成度高，具有在線(xiàn)仿真和調試功能，非常適合嵌入式開(kāi)發(fā)。

3.1 公交卡軟件設計

公交卡軟件設計要確保標簽信息準確及時(shí)地發(fā)送出去，并及時(shí)接收讀卡器處理完的數據。主要包括三部分：標簽的發(fā)射與接收、低功耗設計、防碰撞算法的設計。軟件流程如圖5所示。

3.2 車(chē)載系統射頻模塊軟件設計

車(chē)載系統射頻模塊nRF24L01的功能是：接收卡片的數據信息，交給處理器處理。與STM32通信采用SPI總線(xiàn)協(xié)議，STM32帶SPI口，并且使用STM32庫函數開(kāi)發(fā)，大大簡(jiǎn)化了程序設計，只要對接口函數做出相應配置，就可以操作SPI寄存器。nRF24L01有多種工作模式，本設計主要使用基本的發(fā)送和接收模式，為了實(shí)現自動(dòng)應答、自動(dòng)處理字頭和CRC校驗碼，采用 Enhanced ShockBurstTM 增強型的模式，這樣簡(jiǎn)化了程序設計，減小了處理器的負擔，而且使接收和發(fā)送數據更及時(shí)準確。軟件實(shí)現流程如圖6所示。

結語(yǔ)

本設計的車(chē)載系統需要在前門(mén)和后門(mén)各設置一個(gè)感應裝置，要求乘客前門(mén)上車(chē)，后門(mén)下車(chē)。當前門(mén)的讀卡器檢測到乘客上車(chē)時(shí)，公交卡發(fā)送信息給車(chē)載系統，車(chē)載系統做出回應并記錄公交卡發(fā)送來(lái)的信息。車(chē)輛運行時(shí)，不發(fā)送125 kHz的喚醒信號，因此公交卡不能被喚醒，只有在車(chē)門(mén)被打開(kāi)、乘客靠近讀卡器時(shí)，才能被喚醒。當乘客下車(chē)、被后門(mén)感應器檢測到時(shí)，將接收到的公交卡信息與上次檢測到的信息比較，做出相應扣費處理。模擬程序設計是每隔1分鐘，站數加1，表示公交車(chē)走了1站，扣費標準為每10站扣1元。采用10張公交卡進(jìn)行了測試。測試結果表明，該系統能及時(shí)完成對卡片的數據讀取和數據處理。