摘 要: 針對(duì)傳統(tǒng)路網(wǎng)人工管理的不足,提出采用Intel公司ECX構(gòu)架的Celeron-M——GENE-8310嵌入式平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守收費(fèi)站" title="無(wú)人值守收費(fèi)站">無(wú)人值守收費(fèi)站系統(tǒng)。系統(tǒng)中利用射頻進(jìn)行無(wú)線通訊,采集車輛ID并進(jìn)行惟一標(biāo)識(shí),自定義了射頻無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議。
關(guān)鍵詞: 嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng) 無(wú)人值守收費(fèi)站 射頻采集
隨著公路的不斷增加,路網(wǎng)管理的重要性日益突出。以人工管理為主的傳統(tǒng)模式暴露出以下缺陷:(1)人工收費(fèi)模式效率低下;(2)不良人為因素對(duì)收費(fèi)系統(tǒng)" title="收費(fèi)系統(tǒng)">收費(fèi)系統(tǒng)的負(fù)面影響;(3)人力資源消耗巨大,勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作環(huán)境惡劣;(4)系統(tǒng)各自為政,無(wú)法統(tǒng)一管理。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,一種全新的、基于網(wǎng)絡(luò)化的收費(fèi)系統(tǒng)必將取代傳統(tǒng)的收費(fèi)系統(tǒng)。新系統(tǒng)應(yīng)該具備下列特性:(1)高效率:車輛無(wú)需減速停車;(2)可管理性:收費(fèi)站可控制、可實(shí)時(shí)監(jiān)控、全程記錄;(3)增加透明度:為用戶提供數(shù)據(jù)查詢;(4)減少人為因素:無(wú)人值守,嵌入式系統(tǒng)管理收費(fèi)站。
在歐美許多國(guó)家和地區(qū)的電子收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)局部聯(lián)網(wǎng),并逐步形成規(guī)模效益,而中國(guó)的公路網(wǎng)絡(luò)也正在不斷發(fā)展中。實(shí)行無(wú)人值守的公路收費(fèi)系統(tǒng)后,將使得運(yùn)營(yíng)管理依托于信息化平臺(tái),并升華為公路運(yùn)營(yíng)的戰(zhàn)略決策。本文研究的無(wú)人值守收費(fèi)站系統(tǒng)是當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)期公路管理發(fā)展的趨勢(shì)。
1 無(wú)人值守收費(fèi)站系統(tǒng)概述
嵌入式無(wú)人值守收費(fèi)站系統(tǒng)以Intel公司ECX構(gòu)架的Celeron-M平臺(tái)——GENE-8310為核心,針對(duì)收費(fèi)站端嵌入式系統(tǒng)的功能要求,充分發(fā)揮GENE-8310強(qiáng)大性能,對(duì)GENE-8310進(jìn)行必要的硬件擴(kuò)展。該系統(tǒng)屬于不停車收費(fèi)系統(tǒng)(又稱電子收費(fèi)系統(tǒng),Electronic Toll Collection System)。此類系統(tǒng)利用車輛自動(dòng)識(shí)別(Automatic Vehicle Identification)技術(shù)完成對(duì)車輛ID的采集,然后采用非現(xiàn)金方式支付通行費(fèi)。
目前,不停車收費(fèi)系統(tǒng)主要有射頻IC卡采集方式和圖像識(shí)別采集方式兩種。這兩種方式的缺點(diǎn)十分明顯。第一種方式通訊距離比較短,車輛需要減速行駛;第二種方式受交通環(huán)境影響和車牌清晰程度影響大,準(zhǔn)確度難以保證。為了消除上述兩種方式的缺陷,本系統(tǒng)對(duì)ID采集進(jìn)行了獨(dú)特的設(shè)計(jì)。在無(wú)人值守收費(fèi)站系統(tǒng)中,車輛和收費(fèi)站都安裝了經(jīng)擴(kuò)展設(shè)計(jì)的2.4G頻段無(wú)線通訊裝置。收費(fèi)站的無(wú)線覆蓋范圍更大,車輛與收費(fèi)站之間可以進(jìn)行高速無(wú)線數(shù)據(jù)通訊,車輛在不需要減速和停車的情況下完成對(duì)車輛ID的采集。采集的ID通過(guò)收費(fèi)站的嵌入式系統(tǒng)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ),并進(jìn)行相關(guān)處理。
2 無(wú)人值守收費(fèi)站嵌入式系統(tǒng)組成框架設(shè)計(jì)
收費(fèi)站嵌入式系統(tǒng)通過(guò)2.4G頻段無(wú)線通訊方式與車載射頻卡實(shí)現(xiàn)通訊,通過(guò)10/100M以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與Internet互聯(lián)。前者負(fù)責(zé)車輛ID采集,后者負(fù)責(zé)車輛ID傳輸以及實(shí)時(shí)監(jiān)控多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。圖1描述了收費(fèi)站嵌入式系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的外界交互應(yīng)用框圖。
3 射頻ID采集基本原理
射頻服務(wù)卡與收費(fèi)站嵌入式主機(jī)相連,該卡以一定的周期(如300ms)循環(huán)地向四周發(fā)出探測(cè)信號(hào),檢測(cè)是否有車輛到來(lái),信號(hào)的覆蓋范圍是以射頻服務(wù)卡為中心,半徑為5m~20m的圓形區(qū)域[1]。當(dāng)裝有車載射頻卡的車輛進(jìn)入射頻服務(wù)卡的信號(hào)區(qū)域后,就會(huì)收到探測(cè)信號(hào),確認(rèn)無(wú)誤后,車載射頻卡將自身所對(duì)應(yīng)車輛的ID信息發(fā)送給射頻服務(wù)卡。射頻服務(wù)卡收到ID并確認(rèn)無(wú)誤后,將ID通過(guò)串口" title="串口">串口發(fā)送到收費(fèi)站嵌入式主機(jī),交給上層處理,同時(shí)再給對(duì)應(yīng)的射頻卡發(fā)送確認(rèn)信息。如果射頻卡沒(méi)有收到確認(rèn)信息,則會(huì)重復(fù)地發(fā)送ID,直到超過(guò)一定的次數(shù)(本系統(tǒng)設(shè)定5次)而報(bào)錯(cuò)。
車載射頻卡收到確認(rèn)信息之后繼續(xù)接收來(lái)自射頻服務(wù)卡的探測(cè)信號(hào),但不再重復(fù)發(fā)送ID。若持續(xù)超過(guò)一定的時(shí)間(如10s)后,一直沒(méi)有再收到探測(cè)信號(hào),則認(rèn)為射頻卡已離開(kāi)射頻服務(wù)卡的信號(hào)區(qū)域,即表示車輛已離開(kāi)收費(fèi)站。圖2為射頻ID采集模塊的工作示意圖。
4 射頻ID采集硬件設(shè)計(jì)
射頻ID采集模塊(以下簡(jiǎn)稱采集模塊)是無(wú)人值守收費(fèi)站嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分,也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化的重要指標(biāo),因此該采集模塊的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成敗有著重大的影響。根據(jù)系統(tǒng)的要求,射頻ID采集系統(tǒng)應(yīng)該由射頻服務(wù)卡和車載射頻卡兩部分組成。為節(jié)約資源,加快開(kāi)發(fā)時(shí)間成本,利用硬件可重用性,兩塊卡使用完全相同的硬件設(shè)計(jì),運(yùn)行不同的Firmware。綜合兩塊卡的功能需求,通用硬件應(yīng)該具備以下基本功能:(1)射頻通信;(2)與PC機(jī)的串口通信;(3)按鍵輸入;(4)信號(hào)指示;(5)電源管理。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析,硬件系統(tǒng)分成以下幾個(gè)子模塊,模塊的原理如圖3所示。
4.1 射頻模塊
綜合價(jià)格、穩(wěn)定性和可定制程度,本文選用射頻模塊PTR5000,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。射頻模塊PTR5000是一個(gè)具備基本射頻通信的小電路板,其核心芯片是射頻芯片nRF24E1。nRF24E1就是基本的射頻發(fā)射與接收單元,且里面集成了一個(gè)51兼容的單片機(jī)[2],方便射頻單元與單片機(jī)之間的高速通信。外圍電路為振蕩電路、存儲(chǔ)電路、天線等。
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4.2 射頻芯片nRF24E1
nRF24E1是一個(gè)集成了兼容8051內(nèi)核和一個(gè)射頻收發(fā)器nRF2401的射頻芯片, nRF24E1內(nèi)嵌的51單片機(jī)是系統(tǒng)的控制部分,工作電壓1.9V~3.6V,9通道10bit的ADC,可編程的PWM,3個(gè)通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,支持11種中斷源,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口,4KB的程序存儲(chǔ)器,512字節(jié)的ROM,256字節(jié)內(nèi)部RAM,128字節(jié)的特殊功能寄存器,10個(gè)I/O口。512字節(jié)的ROM包含一個(gè)引導(dǎo)程序。上電復(fù)位之后,程序被引導(dǎo)程序從外部串行E2PROM加載到4KB的RAM中。如果沒(méi)有使用掩模的ROM,程序會(huì)在外部的存儲(chǔ)器中運(yùn)行。引導(dǎo)程序默認(rèn)是一個(gè)通用的25320 E2PROM(SPI接口)。nRF24E1內(nèi)嵌的51單片機(jī)還具有一些針對(duì)RF收發(fā)器的特殊功能寄存器(如RADIO),幾個(gè)專門的中斷(如射頻數(shù)據(jù)接收發(fā)送中斷)。允許的晶振頻率范圍是4M~20MHz,其推薦值是16MHz。由于內(nèi)嵌單片機(jī)的存儲(chǔ)空間有限,為此擴(kuò)展了一個(gè)4KB的E2PROM(25AA320)。在ShockBurstTM模式操作nRF2401子系統(tǒng)時(shí),可以獲得1Mbps的訪問(wèn)速率。把所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理功能集成在芯片中,有3個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)極大地減少能耗;(2)降低系統(tǒng)成本;(3)減少出錯(cuò)機(jī)率。
4.3 串口通信模塊
射頻服務(wù)卡必須將采集到的車輛ID信息傳送到收費(fèi)站嵌入式主機(jī),而通過(guò)串口與主機(jī)通信是一種很好的選擇,避免了驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。所以需要選擇一個(gè)串口電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字電平與PC機(jī)的RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。在此選擇美信" title="美信">美信公司的Max3232[3]。
4.4 電源管理模塊
采用700mAh、3.7V的鋰電池充電,可使射頻卡放在運(yùn)動(dòng)的遙控車?yán)镞M(jìn)行逼真的現(xiàn)場(chǎng)模擬,同時(shí)還應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)普通的5V直流輸入。為了達(dá)到系統(tǒng)的電壓范圍1.9V~3.6V,須選擇一款穩(wěn)壓芯片,在此選擇美信公司的Max1793,其輸入范圍是2.5~5.5V,而其輸出又根據(jù)具體的型號(hào)依次有固定的2V、2.5V、3.3V以及可調(diào)的1.5V~5V,這樣電池和外部5V直流都可以通過(guò)Max1793[4]穩(wěn)壓到需要的值。在此,通過(guò)調(diào)節(jié)電阻,將電壓調(diào)節(jié)到3.125V。
由于美信公司的Max1508[5]是一款專門的智能充電芯片,所以選用其進(jìn)行充放電電路設(shè)計(jì)。充電分為常流、常壓兩個(gè)過(guò)程,并且有過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)外部5V直流與電池的切換,選擇電源自動(dòng)切換芯片SP6231[6]。當(dāng)5V直流斷開(kāi)后,電池作為后備電源會(huì)自動(dòng)加載。
5 射頻卡Firmware軟件開(kāi)發(fā)
Firmware的開(kāi)發(fā)包括兩個(gè)部分:射頻服務(wù)卡Firmware、車載射頻卡Firmware。由于硬件設(shè)計(jì)完全相同,兩個(gè)Firmware的底層模塊都相同,不同的是兩塊卡的控制邏輯不同,車載射頻卡不需要串行通訊支持。如此設(shè)計(jì)可以很好地實(shí)現(xiàn)軟件的重用。圖5為Firmware的通用結(jié)構(gòu)框圖[7]。
5.1 基本射頻通信的配置
車載射頻卡與收費(fèi)站的射頻服務(wù)卡必須設(shè)定相同的頻道、數(shù)據(jù)格式、校驗(yàn)方式及傳輸速率,才能進(jìn)行相互通信。一個(gè)射頻模塊要成功發(fā)送數(shù)據(jù)到另外一個(gè)射頻模塊,還必須知道對(duì)方的地址,這主要涉及到射頻收發(fā)器的配置字。基本的配置字有15字節(jié),主要規(guī)定了數(shù)據(jù)包的大小、地址、接收地址的寬度,CRC檢錯(cuò)、頻率、頻道、接收發(fā)送選擇等。每發(fā)送一次數(shù)據(jù)包之前都必須先寫一次發(fā)送配置字,且配置字中的地址必須與預(yù)定的目標(biāo)地址一致才可能發(fā)送到目的地。只有寫入了接收配置字才能接收到數(shù)據(jù)包。硬件已集成CRC檢錯(cuò),只需通過(guò)配置字選擇是否需要CRC檢錯(cuò)即可,可以選擇8bit或16bit CRC檢錯(cuò)。
5.2 射頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
源射頻卡要將其信息傳送到目標(biāo)射頻卡,就必須知道對(duì)方的地址,每個(gè)射頻卡都可以由軟件設(shè)置一個(gè)地址。此射頻卡地址的最大長(zhǎng)度為5字節(jié)(40bit),但目前地址長(zhǎng)度只要取4字節(jié)即可,其地址范圍為0~4294 967 295,可以給約43億車輛的射頻卡都分配一個(gè)惟一的地址。起初射頻服務(wù)卡不斷向四周發(fā)送如表1幀格式的數(shù)據(jù)包。
3字節(jié)的隨機(jī)密碼是定期改變的。車載射頻卡在廣播接收模式接到探測(cè)信息后,先比較前面的5個(gè)字節(jié)是否是命令字(如Detect),如果是,則存儲(chǔ)后面3字節(jié)的隨機(jī)密碼,并向射頻服務(wù)卡返回如表2幀格式的數(shù)據(jù)包。
射頻服務(wù)卡收到數(shù)據(jù)包后,先檢測(cè)前3字節(jié)的隨機(jī)密碼和后3字節(jié)的固定密碼,如果都正確,則認(rèn)為是合法的信息幀。存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的ID,并發(fā)送到收費(fèi)站嵌入式主機(jī),同時(shí)向地址為“2146”的車載射頻卡發(fā)送如表3的回復(fù)幀。
如果車載射頻卡沒(méi)有收到回復(fù)幀,則重復(fù)發(fā)送ID信息幀;如果超過(guò)一定的次數(shù)還沒(méi)有收到回復(fù)幀,則停止發(fā)送,并報(bào)錯(cuò)。收到回復(fù)幀后,車載射頻卡還原到廣播接收模式,并啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器。每收到一個(gè)探測(cè)信號(hào)就將定時(shí)器清零,當(dāng)連續(xù)一定的時(shí)間(如10秒)一直沒(méi)有收到探測(cè)信號(hào),則認(rèn)為車離開(kāi)收費(fèi)站。
5.3 串行通信協(xié)議
射頻服務(wù)卡通過(guò)串口將采集到的車輛ID信息傳送到收費(fèi)站嵌入式主機(jī)。為了進(jìn)行正常的通信,射頻服務(wù)卡與主機(jī)必須設(shè)置相同的波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位等。在此統(tǒng)一波特率為19 200bps,8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)停止位。要將射頻服務(wù)卡采集的車輛信息可靠地傳送到收費(fèi)站嵌入式主機(jī),兩者之間必須有握手信號(hào)。否則,當(dāng)兩者之間的連線出現(xiàn)故障,而服務(wù)卡沒(méi)有檢查到時(shí),仍將繼續(xù)不停地發(fā)送ID,從而造成很大的錯(cuò)誤。因此,每當(dāng)射頻服務(wù)卡向主機(jī)發(fā)送一個(gè)ID后,都必須要求主機(jī)給服務(wù)卡一個(gè)回復(fù)信息。如果沒(méi)有收到回復(fù)信息,則服務(wù)卡重復(fù)發(fā)送ID;當(dāng)重發(fā)若干次后,還沒(méi)有收到回復(fù)信息,則認(rèn)為硬件出了問(wèn)題,并報(bào)錯(cuò)。圖6為射頻服務(wù)卡工作流程圖。圖7為車載射頻卡工作流程圖。
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無(wú)人值守的高速路收費(fèi)站系統(tǒng)具有高度智能性,主要表現(xiàn)在自動(dòng)檢測(cè)和車牌識(shí)別的無(wú)人值守識(shí)別方案。新興的射頻識(shí)別技術(shù)克服了傳統(tǒng)車牌圖像識(shí)別技術(shù)的不足,其具有諸多優(yōu)點(diǎn)。如可靠的無(wú)線通信方式,適合于惡劣天氣;檢測(cè)距離遠(yuǎn)[8](5m~20m),數(shù)據(jù)傳輸速率高,可達(dá)1Mbps,實(shí)時(shí)性好;可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別,可提供大量交通管理信息;可直接實(shí)現(xiàn)車輛識(shí)別,且識(shí)別率高,可達(dá)99%以上,識(shí)別一次的時(shí)間大約是300ms~1000ms,對(duì)車速不超過(guò)60km/h的車輛都能進(jìn)行非停車可靠識(shí)別[9]。綜上所述,射頻識(shí)別方式是一種最佳的選擇,基于射頻ID采集無(wú)人值守收費(fèi)站嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
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