基于TC35I的高速公路智能收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

發(fā)展的一個(gè)瓶頸。目前高速公路收費(fèi)系統(tǒng)大部分還是停留在根據(jù)鈔票面額大小進(jìn)行找“零”的停車收費(fèi)模式。對(duì)管理者而言，浪費(fèi)了人力、物力，增加經(jīng)營(yíng)成本；對(duì)消費(fèi)者而言，浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間，阻礙了高速公路的高效率通行。GSM通信網(wǎng)絡(luò)已非常普及，在國(guó)內(nèi)基本達(dá)到了無(wú)縫覆蓋。GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，其加密技術(shù)已非常成熟。利用GSM網(wǎng)絡(luò)專用模塊TC35I、藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)通信芯片nRF401及微處理器進(jìn)行綜合開發(fā)，完成了高速公路沒(méi)有收費(fèi)站、免停車驗(yàn)證的智能收費(fèi)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成：一是車載系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)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(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。


1.1 車載系統(tǒng)

　　車載系統(tǒng)由一個(gè)具有收發(fā)短信功能的GSM網(wǎng)絡(luò)專用模塊TC35I、一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)和一個(gè)基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)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(diào)用手機(jī)的國(guó)際移動(dòng)識(shí)別碼和手機(jī)號(hào)碼，并自動(dòng)填入身份識(shí)別信息中。無(wú)線數(shù)據(jù)通信電路通信距離大于100米，在車輛以40km/h的速度通過(guò)公路出入口時(shí)，保障在1~3秒內(nèi)完成身份驗(yàn)證和收費(fèi)通信。

單片機(jī)控制系統(tǒng)在上電并完成初始化后即進(jìn)入待命狀態(tài)，無(wú)線數(shù)據(jù)通信則處于接收狀態(tài)。當(dāng)收到基站的指令后，便對(duì)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(fèi)編號(hào)存儲(chǔ)于內(nèi)部的EEPROM內(nèi)，并發(fā)出加密的身份識(shí)別信息；若為出口，則將入口相關(guān)信息及身份識(shí)別信息一起發(fā)送給出口基站，出口基站對(duì)收到的信息一一驗(yàn)證，并返回驗(yàn)證結(jié)果及收費(fèi)信息。最后通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)收到由高速公路管理系統(tǒng)委托發(fā)送的收費(fèi)中心的收費(fèi)短信。系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交換后，無(wú)線數(shù)據(jù)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(fù)接收入口信息或影響后續(xù)車輛的無(wú)線通信。

1.2 高速公路出入口固定系統(tǒng)

固定系統(tǒng)分為出口基站和入口基站，物理結(jié)構(gòu)基本一樣，功能上有所區(qū)別。在入口部分，首先通過(guò)CCD對(duì)即將進(jìn)入高速公路的車輛的車型進(jìn)行驗(yàn)證，確定收費(fèi)價(jià)位；然后通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)出指令，驗(yàn)證車輛是否具備自動(dòng)交費(fèi)系統(tǒng)。在接到機(jī)動(dòng)車內(nèi)系統(tǒng)的應(yīng)答并確定該車具備自動(dòng)交費(fèi)功能之后，將車輛特征信息、“身份”驗(yàn)證信息及該車的自動(dòng)收費(fèi)編號(hào)通過(guò)調(diào)制解調(diào)器及固定電話網(wǎng)通知各個(gè)出站口的收費(fèi)系統(tǒng)；同時(shí)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通信傳送到車載系統(tǒng)，以供出站時(shí)驗(yàn)證。在車輛放行后，通過(guò)電話網(wǎng)驗(yàn)證該車是否具備交費(fèi)能力。如果某個(gè)車不具備自動(dòng)交費(fèi)能力或欠費(fèi)，各個(gè)路口的無(wú)線系統(tǒng)都將跟蹤這個(gè)車的行蹤，并及時(shí)將信息反饋到各個(gè)執(zhí)勤站點(diǎn)，通過(guò)執(zhí)勤人員強(qiáng)制收費(fèi)。

各出口固定基站系統(tǒng)首先通過(guò)CCD探知有車到來(lái)，在達(dá)到無(wú)線通信有效范圍之內(nèi)時(shí)，啟動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)，接收到該車的入口信息、收費(fèi)編號(hào)、車型及身份識(shí)別信息后，與由入口系統(tǒng)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)的信息進(jìn)行比較，如果一切正常，則開啟門檻，放行通過(guò)，通知收費(fèi)中心收費(fèi)并發(fā)送收費(fèi)短信。收費(fèi)短信內(nèi)容包括日期、車型、入口及時(shí)間、出口及時(shí)間、距離總長(zhǎng)等信息。反之，則必須通過(guò)執(zhí)勤人員收費(fèi)，通過(guò)人工操作放行。

2 主要元件選擇及接口電路設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線數(shù)據(jù)通信電路

無(wú)線數(shù)據(jù)通信電路主要擔(dān)負(fù)機(jī)動(dòng)車輛與固定基站系統(tǒng)進(jìn)行近距離的無(wú)線數(shù)據(jù)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、低功耗的專用無(wú)線通信芯片，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(jī)串口相接，進(jìn)行異步通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。數(shù)據(jù)輸入端DIN與單片機(jī)的TXD端相接，數(shù)據(jù)輸出DOUT端與單片機(jī)的RXD端相接。在本電路中，通信速率設(shè)計(jì)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公司專為GSM通信設(shè)計(jì)的專用模塊，具有語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真和點(diǎn)對(duì)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(nèi)均能正常工作，對(duì)AT Commands Interface Version 8.5所定義的主要指令都能很好地執(zhí)行，另有擴(kuò)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(nèi)部有自動(dòng)充電控制電路。15腳IGT為模塊開機(jī)控制，31腳EMERGOFF為關(guān)機(jī)控制，都是低電平有效，也可以通過(guò)命令實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)。17腳為振鈴輸出，18腳RX為串行數(shù)據(jù)輸出，19腳TX為串行數(shù)據(jù)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

車載用戶移動(dòng)交費(fèi)系統(tǒng)由低成本的AT89C4051單片機(jī)組成，工作電源3.3V，基站由高速、高性能的77E58－40單片機(jī)完成無(wú)線數(shù)據(jù)通信與身份驗(yàn)證功能，CCD車型識(shí)別由另外的獨(dú)立處理單元完成。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

微處理器部分軟件采用C51編寫，全部模塊化結(jié)構(gòu)。車載部分主要完成身份識(shí)別和交費(fèi)功能，并與基站進(jìn)行信息交換，主程序框圖如圖5所示；入口基站主程序框圖如圖6所示；出口基站與入口相似，不再列出。

應(yīng)用GSM的高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行成本低、信息加密系統(tǒng)可靠、方便快捷，有著廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。但是構(gòu)成一個(gè)完整的收費(fèi)系統(tǒng)，目前還有許多需要完善的地方。