摘 要： 針對傳統路網人工管理的不足，提出采用Intel公司ECX構架的Celeron-M——GENE-8310嵌入式平臺設計并實現無人值守收費站" title="無人值守收費站">無人值守收費站系統。系統中利用射頻進行無線通訊，采集車輛ID并進行惟一標識，自定義了射頻無線數據傳輸控制協議。
關鍵詞： 嵌入式系統" title="嵌入式系統">嵌入式系統 無人值守收費站 射頻采集
隨著公路的不斷增加，路網管理的重要性日益突出。以人工管理為主的傳統模式暴露出以下缺陷：(1)人工收費模式效率低下；(2)不良人為因素對收費系統" title="收費系統">收費系統的負面影響；(3)人力資源消耗巨大，勞動強度大，工作環境惡劣；(4)系統各自為政，無法統一管理。由于計算機技術、通信技術以及網絡技術的飛速發展，一種全新的、基于網絡化的收費系統必將取代傳統的收費系統。新系統應該具備下列特性：(1)高效率：車輛無需減速停車；(2)可管理性：收費站可控制、可實時監控、全程記錄；(3)增加透明度：為用戶提供數據查詢；(4)減少人為因素：無人值守，嵌入式系統管理收費站。
在歐美許多國家和地區的電子收費系統已經局部聯網，并逐步形成規模效益，而中國的公路網絡也正在不斷發展中。實行無人值守的公路收費系統后，將使得運營管理依托于信息化平臺，并升華為公路運營的戰略決策。本文研究的無人值守收費站系統是當前和未來一段時期公路管理發展的趨勢。
1 無人值守收費站系統概述
嵌入式無人值守收費站系統以Intel公司ECX構架的Celeron-M平臺——GENE-8310為核心，針對收費站端嵌入式系統的功能要求，充分發揮GENE-8310強大性能，對GENE-8310進行必要的硬件擴展。該系統屬于不停車收費系統(又稱電子收費系統，Electronic Toll Collection System)。此類系統利用車輛自動識別(Automatic Vehicle Identification)技術完成對車輛ID的采集，然后采用非現金方式支付通行費。
目前，不停車收費系統主要有射頻IC卡采集方式和圖像識別采集方式兩種。這兩種方式的缺點十分明顯。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境影響和車牌清晰程度影響大，準確度難以保證。為了消除上述兩種方式的缺陷，本系統對ID采集進行了獨特的設計。在無人值守收費站系統中，車輛和收費站都安裝了經擴展設計的2.4G頻段無線通訊裝置。收費站的無線覆蓋范圍更大，車輛與收費站之間可以進行高速無線數據通訊，車輛在不需要減速和停車的情況下完成對車輛ID的采集。采集的ID通過收費站的嵌入式系統發送到遠程數據庫中存儲，并進行相關處理。
2 無人值守收費站嵌入式系統組成框架設計
收費站嵌入式系統通過2.4G頻段無線通訊方式與車載射頻卡實現通訊，通過10/100M以太網實現與Internet互聯。前者負責車輛ID采集，后者負責車輛ID傳輸以及實時監控多媒體數據的傳輸。圖1描述了收費站嵌入式系統與其他子系統的外界交互應用框圖。
3 射頻ID采集基本原理
射頻服務卡與收費站嵌入式主機相連，該卡以一定的周期(如300ms)循環地向四周發出探測信號，檢測是否有車輛到來，信號的覆蓋范圍是以射頻服務卡為中心，半徑為5m～20m的圓形區域[1]。當裝有車載射頻卡的車輛進入射頻服務卡的信號區域后，就會收到探測信號，確認無誤后，車載射頻卡將自身所對應車輛的ID信息發送給射頻服務卡。射頻服務卡收到ID并確認無誤后，將ID通過串口" title="串口">串口發送到收費站嵌入式主機，交給上層處理，同時再給對應的射頻卡發送確認信息。如果射頻卡沒有收到確認信息，則會重復地發送ID，直到超過一定的次數(本系統設定5次)而報錯。
車載射頻卡收到確認信息之后繼續接收來自射頻服務卡的探測信號，但不再重復發送ID。若持續超過一定的時間(如10s)后，一直沒有再收到探測信號，則認為射頻卡已離開射頻服務卡的信號區域，即表示車輛已離開收費站。圖2為射頻ID采集模塊的工作示意圖。
4 射頻ID采集硬件設計
射頻ID采集模塊(以下簡稱采集模塊)是無人值守收費站嵌入式系統的重要組成部分，也是實現系統智能化的重要指標，因此該采集模塊的穩定性、準確率對整個系統的成敗有著重大的影響。根據系統的要求，射頻ID采集系統應該由射頻服務卡和車載射頻卡兩部分組成。為節約資源，加快開發時間成本，利用硬件可重用性，兩塊卡使用完全相同的硬件設計，運行不同的Firmware。綜合兩塊卡的功能需求，通用硬件應該具備以下基本功能：(1)射頻通信；(2)與PC機的串口通信；(3)按鍵輸入；(4)信號指示；(5)電源管理。根據系統的功能需求分析，硬件系統分成以下幾個子模塊，模塊的原理如圖3所示。
4.1 射頻模塊
綜合價格、穩定性和可定制程度，本文選用射頻模塊PTR5000，其結構如圖4所示。射頻模塊PTR5000是一個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就是基本的射頻發射與接收單元，且里面集成了一個51兼容的單片機[2]，方便射頻單元與單片機之間的高速通信。外圍電路為振蕩電路、存儲電路、天線等。
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4.2 射頻芯片nRF24E1
nRF24E1是一個集成了兼容8051內核和一個射頻收發器nRF2401的射頻芯片， nRF24E1內嵌的51單片機是系統的控制部分，工作電壓1.9V～3.6V，9通道10bit的ADC，可編程的PWM，3個通用定時器/計數器，支持11種中斷源，一個標準串行接口，4KB的程序存儲器，512字節的ROM，256字節內部RAM，128字節的特殊功能寄存器，10個I/O口。512字節的ROM包含一個引導程序。上電復位之后，程序被引導程序從外部串行E2PROM加載到4KB的RAM中。如果沒有使用掩模的ROM，程序會在外部的存儲器中運行。引導程序默認是一個通用的25320 E2PROM(SPI接口)。nRF24E1內嵌的51單片機還具有一些針對RF收發器的特殊功能寄存器(如RADIO),幾個專門的中斷(如射頻數據接收發送中斷)。允許的晶振頻率范圍是4M～20MHz，其推薦值是16MHz。由于內嵌單片機的存儲空間有限，為此擴展了一個4KB的E2PROM(25AA320)。在ShockBurstTM模式操作nRF2401子系統時，可以獲得1Mbps的訪問速率。把所有與RF協議相關的高速信號處理功能集成在芯片中，有3個優點：(1)極大地減少能耗；(2)降低系統成本；(3)減少出錯機率。
4.3 串口通信模塊
射頻服務卡必須將采集到的車輛ID信息傳送到收費站嵌入式主機，而通過串口與主機通信是一種很好的選擇，避免了驅動程序的開發。所以需要選擇一個串口電平轉換芯片實現數字電平與PC機的RS－232電平之間的轉換。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，可使射頻卡放在運動的遙控車里進行逼真的現場模擬，同時還應設計一個普通的5V直流輸入。為了達到系統的電壓范圍1.9V～3.6V，須選擇一款穩壓芯片，在此選擇美信公司的Max1793，其輸入范圍是2.5～5.5V，而其輸出又根據具體的型號依次有固定的2V、2.5V、3.3V以及可調的1.5V～5V，這樣電池和外部5V直流都可以通過Max1793[4]穩壓到需要的值。在此，通過調節電阻，將電壓調節到3.125V。
由于美信公司的Max1508[5]是一款專門的智能充電芯片，所以選用其進行充放電電路設計。充電分為常流、常壓兩個過程，并且有過熱、過流保護。為了實現外部5V直流與電池的切換，選擇電源自動切換芯片SP6231[6]。當5V直流斷開后，電池作為后備電源會自動加載。
5 射頻卡Firmware軟件開發
Firmware的開發包括兩個部分：射頻服務卡Firmware、車載射頻卡Firmware。由于硬件設計完全相同，兩個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。如此設計可以很好地實現軟件的重用。圖5為Firmware的通用結構框圖[7]。
5.1 基本射頻通信的配置
車載射頻卡與收費站的射頻服務卡必須設定相同的頻道、數據格式、校驗方式及傳輸速率，才能進行相互通信。一個射頻模塊要成功發送數據到另外一個射頻模塊，還必須知道對方的地址，這主要涉及到射頻收發器的配置字。基本的配置字有15字節，主要規定了數據包的大小、地址、接收地址的寬度，CRC檢錯、頻率、頻道、接收發送選擇等。每發送一次數據包之前都必須先寫一次發送配置字，且配置字中的地址必須與預定的目標地址一致才可能發送到目的地。只有寫入了接收配置字才能接收到數據包。硬件已集成CRC檢錯，只需通過配置字選擇是否需要CRC檢錯即可，可以選擇8bit或16bit CRC檢錯。
5.2 射頻數據傳輸協議
源射頻卡要將其信息傳送到目標射頻卡，就必須知道對方的地址，每個射頻卡都可以由軟件設置一個地址。此射頻卡地址的最大長度為5字節(40bit)，但目前地址長度只要取4字節即可，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惟一的地址。起初射頻服務卡不斷向四周發送如表1幀格式的數據包。
3字節的隨機密碼是定期改變的。車載射頻卡在廣播接收模式接到探測信息后，先比較前面的5個字節是否是命令字(如Detect)，如果是，則存儲后面3字節的隨機密碼，并向射頻服務卡返回如表2幀格式的數據包。
射頻服務卡收到數據包后，先檢測前3字節的隨機密碼和后3字節的固定密碼，如果都正確，則認為是合法的信息幀。存儲對應的ID，并發送到收費站嵌入式主機，同時向地址為“2146”的車載射頻卡發送如表3的回復幀。
如果車載射頻卡沒有收到回復幀，則重復發送ID信息幀；如果超過一定的次數還沒有收到回復幀，則停止發送，并報錯。收到回復幀后，車載射頻卡還原到廣播接收模式，并啟動一個定時器。每收到一個探測信號就將定時器清零，當連續一定的時間(如10秒)一直沒有收到探測信號，則認為車離開收費站。
5.3 串行通信協議
射頻服務卡通過串口將采集到的車輛ID信息傳送到收費站嵌入式主機。為了進行正常的通信，射頻服務卡與主機必須設置相同的波特率、校驗位、數據位等。在此統一波特率為19 200bps，8個數據位，1個停止位。要將射頻服務卡采集的車輛信息可靠地傳送到收費站嵌入式主機，兩者之間必須有握手信號。否則，當兩者之間的連線出現故障，而服務卡沒有檢查到時，仍將繼續不停地發送ID，從而造成很大的錯誤。因此，每當射頻服務卡向主機發送一個ID后，都必須要求主機給服務卡一個回復信息。如果沒有收到回復信息，則服務卡重復發送ID；當重發若干次后，還沒有收到回復信息，則認為硬件出了問題，并報錯。圖6為射頻服務卡工作流程圖。圖7為車載射頻卡工作流程圖。
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無人值守的高速路收費站系統具有高度智能性，主要表現在自動檢測和車牌識別的無人值守識別方案。新興的射頻識別技術克服了傳統車牌圖像識別技術的不足，其具有諸多優點。如可靠的無線通信方式，適合于惡劣天氣；檢測距離遠[8](5m～20m)，數據傳輸速率高，可達1Mbps，實時性好；可實現多目標識別，可提供大量交通管理信息；可直接實現車輛識別，且識別率高，可達99％以上，識別一次的時間大約是300ms～1000ms，對車速不超過60km/h的車輛都能進行非停車可靠識別[9]。綜上所述，射頻識別方式是一種最佳的選擇，基于射頻ID采集無人值守收費站嵌入式系統的設計與開發具有一定的現實意義。
參考文獻
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