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：無人值守，嵌入式系統(tǒng)管理收費(fèi)站。
　　在歐美許多國家和地區(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，而中國的公路網(wǎng)絡(luò)也正在不斷發(fā)展中。實(shí)行無人值守的公路收費(fèi)系統(tǒng)后，將使得運(yùn)營管理依托于信息化平臺(tái)，并升華為公路運(yùn)營的戰(zhàn)略決策。本文研究的無人值守收費(fèi)站系統(tǒng)是當(dāng)前和未來一段時(shí)期公路管理發(fā)展的趨勢(shì)。
1 無人值守收費(fèi)站系統(tǒng)概述
　　嵌入式無人值守收費(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頻段無線通訊裝置。收費(fèi)站的無線覆蓋范圍更大，車輛與收費(fèi)站之間可以進(jìn)行高速無線數(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通過收費(fèi)站的嵌入式系統(tǒng)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)，并進(jìn)行相關(guān)處理。
2 無人值守收費(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2.4G頻段無線通訊方式與車載射頻卡實(shí)現(xiàn)通訊，通過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，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)無誤后，將ID通過串口" 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。如果射頻卡沒有收到確認(rèn)信息，則會(huì)重復(fù)地發(fā)送ID，直到超過一定的次數(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)超過一定的時(shí)間(如10s)后，一直沒有再收到探測(cè)信號(hào)，則認(rèn)為射頻卡已離開射頻服務(wù)卡的信號(hào)區(qū)域，即表示車輛已離開收費(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ShockBurst^TM模式操作nRF2401子系統(tǒng)時(shí)，可以獲得1Mbps的訪問速率。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Max1793^[4]穩(wěn)壓到需要的值。在此，通過調(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)過程，并且有過熱、過流保護(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直流斷開后，電池作為后備電源會(huì)自動(dòng)加載。
5 射頻卡Firmware軟件開發(fā)
　　Firmware的開發(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?；镜呐渲米钟?5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度為5字節(jié)(40bit)，但目前地址長度只要取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。

　　如果車載射頻卡沒有收到回復(fù)幀，則重復(fù)發(fā)送ID信息幀；如果超過一定的次數(shù)還沒有收到回復(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)一直沒有收到探測(cè)信號(hào)，則認(rèn)為車離開收費(fèi)站。
5.3 串行通信協(xié)議
　　射頻服務(wù)卡通過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，還沒有收到回復(fù)信息，則認(rèn)為硬件出了問題，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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