基于單片機處理與ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸的不停車(chē)收費系統研究與設計

　　楊濤 ^1,2 ,?楊博雄 ^*1,2 ,?尹萍 ^1,2 ，翁名鍵 ^1,2 ,?余俊 ^1,2（1.三亞學(xué)院信息與智能工程學(xué)院，海南?三亞?572022；2.三亞學(xué)院陳國良院士工作站，海南?三亞?572022）

　　摘?要：針對全國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費的實(shí)際需求，設計了一個(gè)基于ZigBee與MCU技術(shù)的用戶(hù)友好型不停車(chē)收費系統。該系統的通信模塊以TI公司提供的Z-Stack1.4.3為基礎進(jìn)行設計，通過(guò)該模塊可以實(shí)現車(chē)輛的自動(dòng)識別和不停車(chē)收費功能；控制模塊以宏晶公司生產(chǎn)的89C54為核心，利用按鍵、LCD和ISD1700實(shí)現了友好的信息查詢(xún)和語(yǔ)音提示等功能。通過(guò)對車(chē)載單元和車(chē)道ZigBee通信模塊實(shí)驗，驗證了本系統的可行性和可靠性。

　　關(guān)鍵詞：不停車(chē)收費系統；車(chē)載單元；ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸；單片機處理

　　作者簡(jiǎn)介

　　楊濤（1965— ），男，博士，三亞學(xué)院教授，主要研究方向：智能科技及應用。

　　楊博雄（1975— ），男，博士，博士后，三亞學(xué)院副教授，主要研究方向：智能科技及應用。

　　尹萍（1982— ），女，碩士，清華大學(xué)教育管理博士（在讀）。信息系統項目管理師，三亞學(xué)院講師。主要研究方向：信息檢索與數據挖掘，大數據與教育支持等。

　　0 引言

　　不停車(chē)收費系統（ETC）是智能交通系統（ITS）的重要組成部分 ^[1] 。它能解決高速公路收費站人工或半人工收費造成的出入口處的車(chē)輛阻塞以及由此帶來(lái)的能源浪費、環(huán)境污染等問(wèn)題 ^[2] 。國外已經(jīng)開(kāi)發(fā)應用了一些基于射頻識別技術(shù)（RFID）或專(zhuān)用短程通信技術(shù)（DSRC）的ETC系統。目前，我國已有十幾個(gè)省市相繼開(kāi)通了200多條ETC車(chē)道，但各地的高速公路管理公司引進(jìn)了互不兼容的ETC系統，以至無(wú)法實(shí)現全國聯(lián)網(wǎng)收費，影響了其效益的發(fā)揮。ZigBee作為一種新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，基于IEEE802.15.4全球統一的標準，并且具有近距離，低功耗，自組網(wǎng)等優(yōu)勢，它應用于ETC系統將是未來(lái)發(fā)展的趨勢?；赯igBee技術(shù)的ETC系統國內已經(jīng)有高巖 ^[3] 、伏德雨 ^[4] 、王瑛 ^[5] 等進(jìn)行了研究。高巖完成了CC2430節點(diǎn)硬件電路的設計，但沒(méi)有實(shí)現軟件系統；伏德雨利用 CC2431 的定位引擎實(shí)現了對車(chē)輛的定位，但沒(méi)有涉及ETC系統的設計；王瑛側重于ETC系統中后臺管理系統的設計，車(chē)載單元的操作環(huán)境不夠友好。本文提出的基于ZigBee技術(shù)和MCU的ETC系統，不但實(shí)現了車(chē)輛自動(dòng)識別和不停車(chē)收費功能，而且增加了車(chē)載系統的人機交互，實(shí)現了友好的查詢(xún)、語(yǔ)音提示等功能，為實(shí)現全國聯(lián)網(wǎng)收費奠定了技術(shù)基礎。

　　1 ETC系統與ZigBee

　　ETC系統又稱(chēng)電子不停車(chē)收費系統或電子收費系統，就是在車(chē)輛通過(guò)收費站時(shí)，可以實(shí)現車(chē)輛的自動(dòng)識別，入口信息和出口信息的寫(xiě)入及相關(guān)的收費業(yè)務(wù)。國外應用ETC始于20世紀70年代，國內從1995年開(kāi)始引進(jìn)國外技術(shù)。

　　國外ETC技術(shù)主要分為3個(gè)分支 ^[6]

　　1）以E-Zpass系統為代表的美國技術(shù)。它由異頻雷達發(fā)射器、天線(xiàn)、通道控制器和主機系統等組成，采用開(kāi)放式收費制式構成的網(wǎng)絡(luò )，有專(zhuān)用車(chē)道和混合車(chē)道兩種模式，車(chē)道都有收費員值班，系統內的車(chē)輛采用單一標準的車(chē)載設備，每個(gè)用戶(hù)擁有單一賬戶(hù)，車(chē)輛的時(shí)速限制在8 km/h以?xún)取?/p>

　　2）以瑞典AUTOPASS和葡萄牙Via Varde系統為代表的歐洲技術(shù)。AUTOPASS系統是由挪威的Q- free公司提供的，主要特點(diǎn)是遵循歐洲CEN標準，具有可讀寫(xiě)的5.8 GHz電子標簽，系統設備具有較高的性?xún)r(jià)比。ViaVarde系統的顯著(zhù)特點(diǎn)是沒(méi)有自動(dòng)欄桿，車(chē)輛能以不低于80 km/h的速度通行，減少了收費站占地規模，并有效地提高了通行能力。

　　3）以接觸式CPU卡加兩片式電子標簽和雙ETC天線(xiàn)的方案為代表的日本技術(shù)，使用5.8 G專(zhuān)用短程通信技術(shù)作為ETC的核心技術(shù)，一張電子標簽記錄了用戶(hù)的基本信息，并且與用戶(hù)的銀行賬戶(hù)綁定。另一張電子標簽用來(lái)記錄車(chē)輛的基本信息，它被固定在車(chē)輛內，無(wú)法被調換到其它車(chē)輛上。在車(chē)道設計上，日本ETC車(chē)道設置成欄桿常閉的狀態(tài)，車(chē)輛通過(guò)時(shí)系統自動(dòng)處理后，欄桿抬起車(chē)輛通行，車(chē)輛通過(guò)限速40 km/h。

　　國內的ETC系統主要以引進(jìn)為主，各高速公路管理公司引進(jìn)的ETC系統互不兼容，用戶(hù)所購買(mǎi)的車(chē)載設備只能在一條公路上使用。為此，2007年5月國家標準化管理委員會(huì )批準了 ETC & DSRC中國國家標準 GB/T20851 2007 以及 2007 年 10 月國家交通部頒布了《收費公路聯(lián)網(wǎng)收費技術(shù)要求》。這種收費方式在我國隨著(zhù)區域性收費轉向聯(lián)網(wǎng)收費的過(guò)程中也存在著(zhù)一定的問(wèn)題^[7] 。主要是沒(méi)有路由器、自組網(wǎng)等功能，也沒(méi)有協(xié)議棧的支持，導致人機交互、網(wǎng)絡(luò )應用等功能無(wú)法實(shí)現。

　　ZigBee技術(shù)由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟于2002年共同提出，基于IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)標準。該標準定義了ZigBee技術(shù)的物理層（PHY）和媒體介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)子層（MAC），ZigBee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡(luò )層（NWK）和應用層（APL）。ZigBee協(xié)議棧的代碼都是由國際標準組織、ZigBee聯(lián)盟等機構協(xié)助完成的，然后以軟件庫、源代碼的方式提供給產(chǎn)品設計人員調用，減少了系統設計的工作量，縮短上市時(shí)間。它具有以下特點(diǎn)：成本低，ZigBee協(xié)議免收專(zhuān)利使用費；功耗低，車(chē)載單元的休眠時(shí)間占總運行時(shí)間的大部分，因此能達到很好的節能效果；可靠性高，采用碰撞避免機制，完整的應答通信協(xié)議，保證了傳輸數據的可靠性；保密性好，ZigBee協(xié)議棧提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES -128算法對傳輸數據進(jìn)行加密；網(wǎng)絡(luò )容量大，可支持多達65 000個(gè)設備節點(diǎn)；組網(wǎng)方式靈活，有星形網(wǎng)絡(luò )、樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )可供選擇 ^[1] 。該技術(shù)解決了ETC系統中車(chē)輛自動(dòng)識別技術(shù)開(kāi)發(fā)成本高、組網(wǎng)困難、缺乏統一的標準、“臟”車(chē)牌識別困難等問(wèn)題 ^{[8] 。}ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)決定了它非常適合ETC系統。

　　2 系統設計

　　ETC系統包括ETC收費車(chē)道子系統、ETC 管理中心和車(chē)載單元（OBU）。ETC收費車(chē)道子系統包括車(chē)輛自動(dòng)識別系統、車(chē)型自動(dòng)分類(lèi)系統和視頻監控系統。車(chē)輛自動(dòng)識別系統是指系統通過(guò)車(chē)載存儲單元獲取車(chē)輛信息；車(chē)型自動(dòng)分類(lèi)系統通過(guò)非接觸的方式測量出車(chē)輛的物理特征，以驗證車(chē)輛信息的正確性；視頻監控系統采用高速CCD攝像機，利用先進(jìn)的視頻圖像捕捉技術(shù)對闖卡車(chē)輛或未能通過(guò)驗證的車(chē)輛進(jìn)行拍照取證，并記錄視頻圖像提供給管理部門(mén)。ETC管理中心就是中央數據處理中心，它負責管理ETC收費車(chē)道子系統采集的車(chē)輛出入口信息，完成出站車(chē)輛的收費，并匯總未交費車(chē)輛的信息供有關(guān)部門(mén)進(jìn)行處理。ETC收費車(chē)道子系統和管理中心目前已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，本文重點(diǎn)設計了車(chē)載系統。

　　2.1 車(chē)載單元的硬件設計

　　該系統的硬件部分包括：電源模塊、掉電檢測模塊、RFID讀寫(xiě)模塊、復位電路、由CC2430芯片及外圍電路組成的主通信電路、顯示模塊、語(yǔ)音模塊、鍵盤(pán)模塊、儲存電路、串口模塊、由STC89C54芯片及外圍電路組成的主控制電路。系統的硬件結構圖如圖1所示。

　　掉電檢測模塊采用了EMMicroelectronic-Marin 公司生產(chǎn)的EM6353，可以在應用終端配置中實(shí)現最大的靈活性。它能在（1.5~5.5）V正常工作，可以監視電子系統的供電電壓，從而保證系統具有良好的功能。在本系統中用來(lái)監視主通訊系統的供電電壓，保證與車(chē)道子系統之間的通信的正常進(jìn)行。

　　RFID讀寫(xiě)模塊采用了NXP（恩智浦半導體）公司生產(chǎn)的MFRC522。該芯片是一個(gè)高度集成及非接觸讀/寫(xiě)的芯片，工作在13.56 MHz，利用了先進(jìn)的調制和解調概念，支持CRYPTO1加密算法。工作電壓為3.3 V，通過(guò)SPI接口由CC2430的8051微控制器控制對IC卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，完成相應的扣費工作。

　　主通信電路由CC2430芯片及外圍電路組成，CC2430芯片集成了一個(gè)RF收發(fā)器和一個(gè)增強型的8051MCU。并且內置了ZigBee協(xié)議棧，能以很低的費用構成ZigBee節點(diǎn)，實(shí)現自組網(wǎng)功能。它還有多種運行模式，不同運行模式間的轉換時(shí)間非?？?，這保證了它始終以最低的功率工作，適合需要超低功耗的系統。該系統通過(guò)ZigBee協(xié)議棧完成車(chē)載終端與車(chē)道路由器組網(wǎng)的工作，傳輸車(chē)輛的信息，實(shí)現車(chē)輛的自動(dòng)識別，完成相應的收費任務(wù)。

　　電源模塊采用了車(chē)載電源供電和車(chē)載系統自帶電池供電兩種模式。通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)控制供電單元，充分保障系統正常工作。車(chē)載電源一般為24 V或12 V直流電，降壓芯片采用的是LM7805，通過(guò)前級330 nF和后級100 nF的電解電容濾波得到5 V的直流電，供控制電路使用。再經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3 V降壓芯片產(chǎn)生3.3 V的直流電，供通信電路使用。

　　顯示模塊采用了LCD12864，是一種具有4位/8位并行、3線(xiàn)串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；內置 8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構成全中文的人機交互圖形界面。使用戶(hù)能隨時(shí)查看車(chē)輛的消費記錄，方便了用戶(hù)的同時(shí)，也降低了ETC管理中心的營(yíng)運成本。

　　語(yǔ)音模塊采用了華邦（Winbond）電子生產(chǎn)的ISD1700語(yǔ)音芯片，該芯片包括一個(gè)片上振蕩器（由外部電阻控制），麥克風(fēng)前置放大器，自動(dòng)增益控制（AGC）,輔助模擬輸入，抗混疊濾波器，多級存儲陣列（MLS）,音量控制等。支持SPI接口控制模式和按鈕操作環(huán)境，本設計采用SPI接口控制模式。在該模式下，用戶(hù)具有完全控制的權限，在指定操作的起始地址和結束地址后，通過(guò)串行接口可以隨機存取存儲器陣列內的任何位置，還可以訪(fǎng)問(wèn)模擬通道配置寄存器（APC），它可以配置音頻的通道，輸入，輸出和混合。利用ISD1700芯片可以實(shí)現對用戶(hù)扣費等的語(yǔ)音提示，使系統更具人性化。

　　鍵盤(pán)模塊為了減少占用MCU的I/O口資源，采用了掃描鍵盤(pán)結構。鍵盤(pán)為用戶(hù)提供了查詢(xún)消費歷史的功能。也使用戶(hù)能在車(chē)輛內與ETC管理中心交流成為可能。

　　儲存電路采用了愛(ài)特梅爾（ATMEL）公司生產(chǎn)的AT24C64，它能夠提供64 kB串行電可擦除和可編程的存儲空間，供通信電路和控制電路存取一些重要的數據。

　　串口模塊采用了美信（Maxim）公司生產(chǎn)的MAX232芯片，該芯片是專(zhuān)為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片。這部分主要為系統提供與上位機通信的接口。

　　主控制電路由STC89C54芯片及外圍電路組成，STC89C54是深圳宏晶科技推出的一種低成本，高性能的8051系列單片機。該MCU用來(lái)支持LCD的顯示，鍵盤(pán)的掃描，與CC2430的通訊，向AT24C64存取車(chē)輛的進(jìn)出站以及消費情況等。

　　車(chē)載單元的原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。

　　2.2 車(chē)載單元的程序設計

　　在軟件的設計當中，車(chē)載單元和ETC收費車(chē)道子系統的通信是整個(gè)系統的核心，系統采用TI公司提供的Z-Stack1.4.3開(kāi)發(fā)包作為ZigBee協(xié)議棧開(kāi)發(fā)的基礎。一個(gè)ETC收費車(chē)道子系統一般包括一個(gè)協(xié)調器、若干路由器和在其識別范圍內的車(chē)載單元。無(wú)論是協(xié)調器還是路由器或是終端設備，其啟動(dòng)過(guò)程至網(wǎng)絡(luò )形成，其初始步驟均是一樣的，只是不同設備的配置文件（協(xié)調器：F8wCoord.cfg，路由器：F8wRouter.cfg，終端設備：F8wRouter.cfg）在編譯時(shí)有所區別。圖4所示為車(chē)載單元主通信電路程序流程圖。

　　主通信電路的程序是在Z-Stack協(xié)議棧的基礎上建立的，整個(gè)協(xié)議棧已經(jīng)由TI公司的開(kāi)發(fā)人員按功能分為若干單元，其中 ZDO、MAC、MT、ZMAC、NWK和Security文件夾中的程序一般不做改動(dòng)，開(kāi)發(fā)過(guò)程中調用這些單元中的API就可以直接使用。Z-Stack協(xié)議棧運行在操作系統抽象層（OSAL）上，OSAL是一個(gè)簡(jiǎn)易操作系統的函數封裝，每個(gè)應用程序都以操作系統（OS）的一個(gè)任務(wù)形式執行，由系統調度這些任務(wù)的執行最終實(shí)現程序的上層協(xié)議。然后按系統 硬 件 配 置主函數ZMain及 硬 件 目 錄層（HAL）程序，并進(jìn)入用戶(hù)App編程，同時(shí)還要根據系統需要自己定義一些任務(wù)事件ID，供OSAL輪詢(xún)調度。

　　主控制電路的程序主要包括5個(gè)程序模塊：按鍵掃描，串口中斷，I ² C總線(xiàn)，液晶顯示和SPI總線(xiàn)。按鍵掃描函數獲得鍵碼，控制液晶的顯示和語(yǔ)音提示內容；串口中斷函數負責與CC2430的通信，既向主通信電路發(fā)送指令，也接收系統收費及出入口等信息；I ² C總線(xiàn)用于控制E2PROM的讀寫(xiě)，用89C54的I/O口模擬I ² C接口充當主機，AT24C64作為從機，以存取獲得的ETC的收費及出入口信息；液晶顯示模塊用于信息查詢(xún)和直觀(guān)地顯示串口獲得的信息，采用8位并行驅動(dòng)方式；SPI總線(xiàn)用于控制語(yǔ)音提示段的播放，ISD1700在SPI總線(xiàn)的控制下有單段和多段播放兩種模式，其中無(wú)卡和入口提示采用單段播放模式，金額不足和繳費金額采用多段播放模式。

　　系統的實(shí)物圖如圖4所示。

　　4 結論

　　本文設計的車(chē)載單元與車(chē)道的ZigBee通信模塊通過(guò)實(shí)驗證明在75 m以?xún)韧ㄐ艩顩r良好，車(chē)輛在不高于45 km/h的速度下通過(guò)ZigBee通信模塊能夠完成車(chē)輛的自動(dòng)識別和收費功能，基本滿(mǎn)足ETC系統的應用要求；車(chē)載單元提供了友好的信息查詢(xún)和語(yǔ)音提示功能，使用戶(hù)在車(chē)內就能詳細了解本車(chē)的繳費的詳細信息，獲得更加便捷的收費服務(wù)，同時(shí)，也降低了高速公路管理公司的運營(yíng)成本。隨著(zhù)ZigBee技術(shù)的快速發(fā)展和成本的下降，本系統將具有很好的應用前景。

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第47頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。