基于單片機(jī)處理與ZigBee無線傳輸?shù)牟煌＼囀召M(fèi)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

　　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(fèi)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一個基于ZigBee與MCU技術(shù)的用戶友好型不停車收費(fèi)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的通信模塊以TI公司提供的Z-Stack1.4.3為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過該模塊可以實(shí)現(xiàn)車輛的自動識別和不停車收費(fèi)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(xiàn)了友好的信息查詢和語音提示等功能。通過對車載單元和車道ZigBee通信模塊實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性和可靠性。

　　關(guān)鍵詞：不停車收費(fèi)系統(tǒng)；車載單元；ZigBee無線傳輸；單片機(jī)處理

　　作者簡介

　　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(yīng)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(yīng)用。

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

　　0 引言

　　不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）是智能交通系統(tǒng)（ITS）的重要組成部分 ^[1] 。它能解決高速公路收費(fèi)站人工或半人工收費(fèi)造成的出入口處的車輛阻塞以及由此帶來的能源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題 ^[2] 。國外已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用了一些基于射頻識別技術(shù)（RFID）或?qū)Ｓ枚坛掏ㄐ偶夹g(shù)（DSRC）的ETC系統(tǒng)。目前，我國已有十幾個省市相繼開通了200多條ETC車道，但各地的高速公路管理公司引進(jìn)了互不兼容的ETC系統(tǒng)，以至無法實(shí)現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，影響了其效益的發(fā)揮。ZigBee作為一種新興的無線通信技術(shù)，基于IEEE802.15.4全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并且具有近距離，低功耗，自組網(wǎng)等優(yōu)勢，它應(yīng)用于ETC系統(tǒng)將是未來發(fā)展的趨勢。基于ZigBee技術(shù)的ETC系統(tǒng)國內(nèi)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(jié)點(diǎn)硬件電路的設(shè)計(jì)，但沒有實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)；伏德雨利用 CC2431 的定位引擎實(shí)現(xiàn)了對車輛的定位，但沒有涉及ETC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；王瑛側(cè)重于ETC系統(tǒng)中后臺管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，車載單元的操作環(huán)境不夠友好。本文提出的基于ZigBee技術(shù)和MCU的ETC系統(tǒng)，不但實(shí)現(xiàn)了車輛自動識別和不停車收費(fèi)功能，而且增加了車載系統(tǒng)的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)了友好的查詢、語音提示等功能，為實(shí)現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　1 ETC系統(tǒng)與ZigBee

　　ETC系統(tǒng)又稱電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)或電子收費(fèi)系統(tǒng)，就是在車輛通過收費(fèi)站時，可以實(shí)現(xiàn)車輛的自動識別，入口信息和出口信息的寫入及相關(guān)的收費(fèi)業(yè)務(wù)。國外應(yīng)用ETC始于20世紀(jì)70年代，國內(nèi)從1995年開始引進(jìn)國外技術(shù)。

　　國外ETC技術(shù)主要分為3個分支 ^[6]

　　1）以E-Zpass系統(tǒng)為代表的美國技術(shù)。它由異頻雷達(dá)發(fā)射器、天線、通道控制器和主機(jī)系統(tǒng)等組成，采用開放式收費(fèi)制式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，有專用車道和混合車道兩種模式，車道都有收費(fèi)員值班，系統(tǒng)內(nèi)的車輛采用單一標(biāo)準(zhǔn)的車載設(shè)備，每個用戶擁有單一賬戶，車輛的時速限制在8 km/h以內(nèi)。

　　2）以瑞典AUTOPASS和葡萄牙Via Varde系統(tǒng)為代表的歐洲技術(shù)。AUTOPASS系統(tǒng)是由挪威的Q- free公司提供的，主要特點(diǎn)是遵循歐洲CEN標(biāo)準(zhǔn)，具有可讀寫的5.8 GHz電子標(biāo)簽，系統(tǒng)設(shè)備具有較高的性價比。ViaVarde系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是沒有自動欄桿，車輛能以不低于80 km/h的速度通行，減少了收費(fèi)站占地規(guī)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(biāo)簽和雙ETC天線的方案為代表的日本技術(shù)，使用5.8 G專用短程通信技術(shù)作為ETC的核心技術(shù)，一張電子標(biāo)簽記錄了用戶的基本信息，并且與用戶的銀行賬戶綁定。另一張電子標(biāo)簽用來記錄車輛的基本信息，它被固定在車輛內(nèi)，無法被調(diào)換到其它車輛上。在車道設(shè)計(jì)上，日本ETC車道設(shè)置成欄桿常閉的狀態(tài)，車輛通過時系統(tǒng)自動處理后，欄桿抬起車輛通行，車輛通過限速40 km/h。

　　國內(nèi)的ETC系統(tǒng)主要以引進(jìn)為主，各高速公路管理公司引進(jìn)的ETC系統(tǒng)互不兼容，用戶所購買的車載設(shè)備只能在一條公路上使用。為此，2007年5月國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)了 ETC & DSRC中國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T20851 2007 以及 2007 年 10 月國家交通部頒布了《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》。這種收費(fèi)方式在我國隨著區(qū)域性收費(fèi)轉(zhuǎn)向聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的過程中也存在著一定的問題^[7] 。主要是沒有路由器、自組網(wǎng)等功能，也沒有協(xié)議棧的支持，導(dǎo)致人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等功能無法實(shí)現(xiàn)。

　　ZigBee技術(shù)由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟于2002年共同提出，基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee技術(shù)的物理層（PHY）和媒體介質(zhì)訪問子層（MAC），ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）。ZigBee協(xié)議棧的代碼都是由國際標(biāo)準(zhǔn)組織、ZigBee聯(lián)盟等機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)人員調(diào)用，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，縮短上市時間。它具有以下特點(diǎn)：成本低，ZigBee協(xié)議免收專利使用費(fèi)；功耗低，車載單元的休眠時間占總運(yùn)行時間的大部分，因此能達(dá)到很好的節(jié)能效果；可靠性高，采用碰撞避免機(jī)制，完整的應(yīng)答通信協(xié)議，保證了傳輸數(shù)據(jù)的可靠性；保密性好，ZigBee協(xié)議棧提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES -128算法對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；網(wǎng)絡(luò)容量大，可支持多達(dá)65 000個設(shè)備節(jié)點(diǎn)；組網(wǎng)方式靈活，有星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(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(tǒng)中車輛自動識別技術(shù)開發(fā)成本高、組網(wǎng)困難、缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、“臟”車牌識別困難等問題 ^{[8] 。}ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)決定了它非常適合ETC系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　ETC系統(tǒng)包括ETC收費(fèi)車道子系統(tǒng)、ETC 管理中心和車載單元（OBU）。ETC收費(fèi)車道子系統(tǒng)包括車輛自動識別系統(tǒng)、車型自動分類系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。車輛自動識別系統(tǒng)是指系統(tǒng)通過車載存儲單元獲取車輛信息；車型自動分類系統(tǒng)通過非接觸的方式測量出車輛的物理特征，以驗(yàn)證車輛信息的正確性；視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用高速CCD攝像機(jī)，利用先進(jìn)的視頻圖像捕捉技術(shù)對闖卡車輛或未能通過驗(yàn)證的車輛進(jìn)行拍照取證，并記錄視頻圖像提供給管理部門。ETC管理中心就是中央數(shù)據(jù)處理中心，它負(fù)責(zé)管理ETC收費(fèi)車道子系統(tǒng)采集的車輛出入口信息，完成出站車輛的收費(fèi)，并匯總未交費(fèi)車輛的信息供有關(guān)部門進(jìn)行處理。ETC收費(fèi)車道子系統(tǒng)和管理中心目前已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)了車載系統(tǒng)。

　　2.1 車載單元的硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的硬件部分包括：電源模塊、掉電檢測模塊、RFID讀寫模塊、復(fù)位電路、由CC2430芯片及外圍電路組成的主通信電路、顯示模塊、語音模塊、鍵盤模塊、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(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(yīng)用終端配置中實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。它能在（1.5~5.5）V正常工作，可以監(jiān)視電子系統(tǒng)的供電電壓，從而保證系統(tǒng)具有良好的功能。在本系統(tǒng)中用來監(jiān)視主通訊系統(tǒng)的供電電壓，保證與車道子系統(tǒng)之間的通信的正常進(jìn)行。

　　RFID讀寫模塊采用了NXP（恩智浦半導(dǎo)體）公司生產(chǎn)的MFRC522。該芯片是一個高度集成及非接觸讀/寫的芯片，工作在13.56 MHz，利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，支持CRYPTO1加密算法。工作電壓為3.3 V，通過SPI接口由CC2430的8051微控制器控制對IC卡進(jìn)行讀寫操作，完成相應(yīng)的扣費(fèi)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RF收發(fā)器和一個增強(qiáng)型的8051MCU。并且內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，能以很低的費(fèi)用構(gòu)成ZigBee節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)功能。它還有多種運(yùn)行模式，不同運(yùn)行模式間的轉(zhuǎn)換時間非常快，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(tǒng)。該系統(tǒng)通過ZigBee協(xié)議棧完成車載終端與車道路由器組網(wǎng)的工作，傳輸車輛的信息，實(shí)現(xiàn)車輛的自動識別，完成相應(yīng)的收費(fèi)任務(wù)。

　　電源模塊采用了車載電源供電和車載系統(tǒng)自帶電池供電兩種模式。通過單刀雙擲開關(guān)控制供電單元，充分保障系統(tǒng)正常工作。車載電源一般為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線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；內(nèi)置 8 192個16×16點(diǎn)漢字，和128個16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文的人機(jī)交互圖形界面。使用戶能隨時查看車輛的消費(fèi)記錄，方便了用戶的同時，也降低了ETC管理中心的營運(yùn)成本。

　　語音模塊采用了華邦（Winbond）電子生產(chǎn)的ISD1700語音芯片，該芯片包括一個片上振蕩器（由外部電阻控制），麥克風(fēng)前置放大器，自動增益控制（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(shè)計(jì)采用SPI接口控制模式。在該模式下，用戶具有完全控制的權(quán)限，在指定操作的起始地址和結(jié)束地址后，通過串行接口可以隨機(jī)存取存儲器陣列內(nèi)的任何位置，還可以訪問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(xiàn)對用戶扣費(fèi)等的語音提示，使系統(tǒng)更具人性化。

　　鍵盤模塊為了減少占用MCU的I/O口資源，采用了掃描鍵盤結(jié)構(gòu)。鍵盤為用戶提供了查詢消費(fèi)歷史的功能。也使用戶能在車輛內(nèi)與ETC管理中心交流成為可能。

　　儲存電路采用了愛特梅爾（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(shù)據(jù)。

　　串口模塊采用了美信（Maxim）公司生產(chǎn)的MAX232芯片，該芯片是專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片。這部分主要為系統(tǒng)提供與上位機(jī)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(jī)。該MCU用來支持LCD的顯示，鍵盤的掃描，與CC2430的通訊，向AT24C64存取車輛的進(jìn)出站以及消費(fèi)情況等。

　　車載單元的原理簡圖如圖2所示。

　　2.2 車載單元的程序設(shè)計(jì)

　　在軟件的設(shè)計(jì)當(dāng)中，車載單元和ETC收費(fèi)車道子系統(tǒng)的通信是整個系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)采用TI公司提供的Z-Stack1.4.3開發(fā)包作為ZigBee協(xié)議棧開發(fā)的基礎(chǔ)。一個ETC收費(fèi)車道子系統(tǒng)一般包括一個協(xié)調(diào)器、若干路由器和在其識別范圍內(nèi)的車載單元。無論是協(xié)調(diào)器還是路由器或是終端設(shè)備，其啟動過程至網(wǎng)絡(luò)形成，其初始步驟均是一樣的，只是不同設(shè)備的配置文件（協(xié)調(diào)器：F8wCoord.cfg，路由器：F8wRouter.cfg，終端設(shè)備：F8wRouter.cfg）在編譯時有所區(qū)別。圖4所示為車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(chǔ)上建立的，整個協(xié)議棧已經(jīng)由TI公司的開發(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，開發(fā)過程中調(diào)用這些單元中的API就可以直接使用。Z-Stack協(xié)議棧運(yùn)行在操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）上，OSAL是一個簡易操作系統(tǒng)的函數(shù)封裝，每個應(yīng)用程序都以操作系統(tǒng)（OS）的一個任務(wù)形式執(zhí)行，由系統(tǒng)調(diào)度這些任務(wù)的執(zhí)行最終實(shí)現(xiàn)程序的上層協(xié)議。然后按系統(tǒng) 硬 件 配 置主函數(shù)ZMain及 硬 件 目 錄層（HAL）程序，并進(jìn)入用戶App編程，同時還要根據(jù)系統(tǒng)需要自己定義一些任務(wù)事件ID，供OSAL輪詢調(diào)度。

　　主控制電路的程序主要包括5個程序模塊：按鍵掃描，串口中斷，I ² C總線，液晶顯示和SPI總線。按鍵掃描函數(shù)獲得鍵碼，控制液晶的顯示和語音提示內(nèi)容；串口中斷函數(shù)負(fù)責(zé)與CC2430的通信，既向主通信電路發(fā)送指令，也接收系統(tǒng)收費(fèi)及出入口等信息；I ² C總線用于控制E2PROM的讀寫，用89C54的I/O口模擬I ² C接口充當(dāng)主機(jī)，AT24C64作為從機(jī)，以存取獲得的ETC的收費(fèi)及出入口信息；液晶顯示模塊用于信息查詢和直觀地顯示串口獲得的信息，采用8位并行驅(qū)動方式；SPI總線用于控制語音提示段的播放，ISD1700在SPI總線的控制下有單段和多段播放兩種模式，其中無卡和入口提示采用單段播放模式，金額不足和繳費(fèi)金額采用多段播放模式。

　　系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖4所示。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的車載單元與車道的ZigBee通信模塊通過實(shí)驗(yàn)證明在75 m以內(nèi)通信狀況良好，車輛在不高于45 km/h的速度下通過ZigBee通信模塊能夠完成車輛的自動識別和收費(fèi)功能，基本滿足ETC系統(tǒng)的應(yīng)用要求；車載單元提供了友好的信息查詢和語音提示功能，使用戶在車內(nèi)就能詳細(xì)了解本車的繳費(fèi)的詳細(xì)信息，獲得更加便捷的收費(fèi)服務(wù)，同時，也降低了高速公路管理公司的運(yùn)營成本。隨著ZigBee技術(shù)的快速發(fā)展和成本的下降，本系統(tǒng)將具有很好的應(yīng)用前景。

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