杨涛 1,2 , 杨博雄 *1,2 , 尹萍 1,2 ，翁名键 1,2 , 余俊 1,2（1.三亚学院信息与智能工程学院，海南 三亚 572022；2.三亚学院陈国良院士作业站，海南 三亚 572022）
摘 要：针对全国高速公路联网收费的实践需求，规划了一个依据ZigBee与MCU技能的用户友爱型不泊车收费体系。该体系的通讯模块以TI公司供给的Z-Stack1.4.3为根底进行规划，经过该模块可以完结车辆的主动辨认和不泊车收费功用；操控模块以宏晶公司出产的89C54为中心，运用按键、LCD和ISD1700完结了友爱的信息查询和语音提示等功用。经过对车载单元和车道ZigBee通讯模块试验，验证了本体系的可行性和可靠性。
关键词：不泊车收费体系；车载单元；ZigBee无线传输；单片机处理
作者简介
杨涛（1965— ），男，博士，三亚学院教授，首要研讨方向：智能科技及运用。
杨博雄（1975— ），男，博士，博士后，三亚学院副教授，首要研讨方向：智能科技及运用。
尹萍（1982— ），女，硕士，清华大学教育办理博士（在读）。信息体系项目办理师，三亚学院讲师。首要研讨方向：信息检索与数据发掘，大数据与教育支撑等。
0 导言
不泊车收费体系（ETC）是智能交通体系（ITS）的重要组成部分 [1] 。它能处理高速公路收费站人工或半人工收费构成的出进口处的车辆堵塞以及由此带来的动力糟蹋、环境污染等问题 [2] 。国外现已开发运用了一些依据射频辨认技能（RFID）或专用短程通讯技能（DSRC）的ETC体系。现在，我国已有十几个省市相继开通了200多条ETC车道，但各地的高速公路办理公司引入了互不兼容的ETC体系，以致无法完结全国联网收费，影响了其效益的发挥。ZigBee作为一种新式的无线通讯技能，依据IEEE802.15.4全球一致的规范，而且具有近距离，低功耗，自组网等优势，它运用于ETC体系将是未来开展的趋势。依据ZigBee技能的ETC体系国内现已有高岩 [3] 、伏德雨 [4] 、王瑛 [5] 等进行了研讨。高岩完结了CC2430节点硬件电路的规划，但没有完结软件体系；伏德雨运用 CC2431 的定位引擎完结了对车辆的定位，但没有触及ETC体系的规划；王瑛侧重于ETC体系中后台办理体系的规划，车载单元的操作环境不行友爱。本文提出的依据ZigBee技能和MCU的ETC体系，不光完结了车辆主动辨认和不泊车收费功用，而且增加了车载体系的人机交互，完结了友爱的查询、语音提示等功用，为完结全国联网收费奠定了技能根底。
1 ETC体系与ZigBee
ETC体系又称电子不泊车收费体系或电子收费体系，便是在车辆经过收费站时，可以完结车辆的主动辨认，进口信息和出口信息的写入及相关的收费事务。国外运用ETC始于20世纪70年代，国内从1995年开端引入国外技能。
国外ETC技能首要分为3个分支 [6]
1）以E-Zpass体系为代表的美国技能。它由异频雷达发射器、天线、通道操控器和主机体系等组成，选用开放式收费制式构成的网络，有专用车道和混合车道两种方法，车道都有收费员值勤，体系内的车辆选用单一规范的车载设备，每个用户具有单一账户，车辆的时速约束在8 km/h以内。
2）以瑞典AUTOPASS和葡萄牙Via Varde体系为代表的欧洲技能。AUTOPASS体系是由挪威的Q- free公司供给的，首要特色是遵从欧洲CEN规范，具有可读写的5.8 GHz电子标签，体系设备具有较高的性价比。ViaVarde体系的明显特色是没有主动栏杆，车辆能以不低于80 km/h的速度通行，削减了收费站占地规划，并有效地提高了通行才能。
3）以触摸式CPU卡加两片式电子标签和双ETC天线的计划为代表的日本技能，运用5.8 G专用短程通讯技能作为ETC的中心技能，一张电子标签记载了用户的根本信息，而且与用户的银行账户绑定。另一张电子标签用来记载车辆的根本信息，它被固定在车辆内，无法被调换到其它车辆上。在车道规划上，日本ETC车道设置成栏杆常闭的状况，车辆经过期体系主动处理后，栏杆抬起车辆通行，车辆经过限速40 km/h。
国内的ETC体系首要以引入为主，各高速公路办理公司引入的ETC体系互不兼容，用户所购买的车载设备只能在一条公路上运用。为此，2007年5月国家规范化办理委员会同意了 ETC & DSRC我国国家规范 GB/T20851 2007 以及 2007 年 10 月国家交通部公布了《收费公路联网收费技能要求》。这种收费方法在我国跟着区域性收费转向联网收费的进程中也存在着必定的问题[7] 。首要是没有路由器、自组网等功用，也没有协议栈的支撑，导致人机交互、网络运用等功用无法完结。
ZigBee技能由ZigBee技能联盟于2002年一起提出，依据IEEE802.15.4无线规范。该规范界说了ZigBee技能的物理层（PHY）和媒体介质拜访子层（MAC），ZigBee联盟在此根底上界说了网络层（NWK）和运用层（APL）。ZigBee协议栈的代码都是由国际规范安排、ZigBee联盟等组织帮忙完结的，然后以软件库、源代码的方法供给给产品规划人员调用，削减了体系规划的作业量，缩短上市时刻。它具有以下特色：本钱低，ZigBee协议免收专利运用费；功耗低，车载单元的休眠时刻占总运转时刻的大部分，因此能到达很好的节能作用；可靠性高，选用磕碰防止机制，完好的应对通讯协议，确保了传输数据的可靠性；保密性好，ZigBee协议栈供给了数据完好性检查和鉴权功用，选用AES -128算法对传输数据进行加密；网络容量大，可支撑多达65 000个设备节点；组网方法灵敏，有星形网络、树形网络和网状网络可供挑选 [1] 。该技能处理了ETC体系中车辆主动辨认技能开发本钱高、组网困难、缺少一致的规范、“脏”车牌辨认困难等问题 [8] 。ZigBee技能的特色决议了它十分合适ETC体系。
2 体系规划
ETC体系包含ETC收费车道子体系、ETC 办理中心和车载单元（OBU）。ETC收费车道子体系包含车辆主动辨认体系、车型主动分类体系和视频监控体系。车辆主动辨认体系是指体系经过车载存储单元获取车辆信息；车型主动分类体系经过非触摸的方法测量出车辆的物理特征，以验证车辆信息的正确性；视频监控体系选用高速CCD摄像机，运用先进的视频图画捕捉技能对闯卡车辆或未能经过验证的车辆进行摄影取证，并记载视频图画供给给办理部门。ETC办理中心便是中心数据处理中心，它担任办理ETC收费车道子体系收集的车辆出进口信息，完结出站车辆的收费，并汇总未交费车辆的信息供有关部门进行处理。ETC收费车道子体系和办理中心现在现已开展的比较老练，本文要点规划了车载体系。
2.1 车载单元的硬件规划
该体系的硬件部分包含：电源模块、掉电检测模块、RFID读写模块、复位电路、由CC2430芯片及外围电路组成的主通讯电路、显现模块、语音模块、键盘模块、贮存电路、串口模块、由STC89C54芯片及外围电路组成的主操控电路。体系的硬件结构图如图1所示。
掉电检测模块选用了EMMicroelectronic-Marin 公司出产的EM6353，可以在运用终端装备中完结最大的灵敏性。它能在（1.5~5.5）V正常作业，可以监督电子体系的供电电压，然后确保体系具有杰出的功用。在本体系中用来监督主通讯体系的供电电压，确保与车道子体系之间的通讯的正常进行。
RFID读写模块选用了NXP（恩智浦半导体）公司出产的MFRC522。该芯片是一个高度集成及非触摸读/写的芯片，作业在13.56 MHz，运用了先进的调制和解调概念，支撑CRYPTO1加密算法。作业电压为3.3 V，经过SPI接口由CC2430的8051微操控器操控对IC卡进行读写操作，完结相应的扣费作业。
主通讯电路由CC2430芯片及外围电路组成，CC2430芯片集成了一个RF收发器和一个增强型的8051MCU。而且内置了ZigBee协议栈，能以很低的费用构成ZigBee节点，完结自组网功用。它还有多种运转方法，不同运转方法间的转化时刻十分快，这确保了它一直以最低的功率作业，合适需求超低功耗的体系。该体系经过ZigBee协议栈完结车载终端与车道路由器组网的作业，传输车辆的信息，完结车辆的主动辨认，完结相应的收费使命。
电源模块选用了车载电源供电和车载体系自带电池供电两种方法。经过单刀双掷开关操控供电单元，充沛保障体系正常作业。车载电源一般为24 V或12 V直流电，降压芯片选用的是LM7805，经过前级330 nF和后级100 nF的电解电容滤波得到5 V的直流电，供操控电路运用。再经过AMS1117-3.3 V降压芯片发生3.3 V的直流电，供通讯电路运用。
显现模块选用了LCD12864，是一种具有4位/8位并行、3线串行多种接口方法，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显现模块；内置 8 192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。运用该模块灵敏的接口方法和简略、便利的操作指令，可构成全中文的人机交互图形界面。运用户能随时检查车辆的消费记载，便利了用户的一起，也降低了ETC办理中心的营运本钱。
语音模块选用了华邦（Winbond）电子出产的ISD1700语音芯片，该芯片包含一个片上振荡器（由外部电阻操控），麦克风前置放大器，主动增益操控（AGC）,辅佐模仿输入，抗混叠滤波器，多级存储阵列（MLS）,音量操控等。支撑SPI接口操控方法和按钮操作环境，本规划选用SPI接口操控方法。在该方法下，用户具有彻底操控的权限，在指定操作的开始地址和完毕地址后，经过串行接口可以随机存取存储器阵列内的任何方位，还可以拜访模仿通道装备寄存器（APC），它可以装备音频的通道，输入，输出和混合。运用ISD1700芯片可以完结对用户扣费等的语音提示，使体系更具人性化。
键盘模块为了削减占用MCU的I/O口资源，选用了扫描键盘结构。键盘为用户供给了查询消费前史的功用。也运用户能在车辆内与ETC办理中心沟通成为可能。
贮存电路选用了爱特梅尔（ATMEL）公司出产的AT24C64，它可以供给64 kB串行电可擦除和可编程的存储空间，供通讯电路和操控电路存取一些重要的数据。
串口模块选用了美信（Maxim）公司出产的MAX232芯片，该芯片是专为RS-232规范串口规划的单电源电平转化芯片。这部分首要为体系供给与上位机通讯的接口。
主操控电路由STC89C54芯片及外围电路组成，STC89C54是深圳宏晶科技推出的一种低本钱，高性能的8051系列单片机。该MCU用来支撑LCD的显现，键盘的扫描，与CC2430的通讯，向AT24C64存取车辆的进出站以及消费状况等。
车载单元的原理简图如图2所示。
2.2 车载单元的程序规划
在软件的规划傍边，车载单元和ETC收费车道子体系的通讯是整个体系的中心，体系选用TI公司供给的Z-Stack1.4.3开发包作为ZigBee协议栈开发的根底。一个ETC收费车道子体系一般包含一个和谐器、若干路由器和在其辨认范围内的车载单元。无论是和谐器仍是路由器或是终端设备，其发动进程至网络构成，其初始过程均是相同的，仅仅不同设备的装备文件（和谐器：F8wCoord.cfg，路由器：F8wRouter.cfg，终端设备：F8wRouter.cfg）在编译时有所区别。图4所示为车载单元主通讯电路程序流程图。
主通讯电路的程序是在Z-Stack协议栈的根底上树立的，整个协议栈现已由TI公司的开发人员按功用分为若干单元，其间 ZDO、MAC、MT、ZMAC、NWK和Security文件夹中的程序一般不做改动，开发进程中调用这些单元中的API就可以直接运用。Z-Stack协议栈运转在操作体系笼统层（OSAL）上，OSAL是一个简易操作体系的函数封装，每个运用程序都以操作体系（OS）的一个使命方法履行，由体系调度这些使命的履行终究完结程序的上层协议。然后按体系 硬 件 配 置主函数ZMain及 硬 件 目 录层（HAL）程序，并进入用户App编程，一起还要依据体系需求自己界说一些使命事情ID，供OSAL轮询调度。
主操控电路的程序首要包含5个程序模块：按键扫描，串口中止，I 2 C总线，液晶显现和SPI总线。按键扫描函数取得键码，操控液晶的显现和语音提示内容；串口中止函数担任与CC2430的通讯，既向主通讯电路发送指令，也接纳体系收费及出进口等信息；I 2 C总线用于操控E2PROM的读写，用89C54的I/O口模仿I 2 C接口充任主机，AT24C64作为从机，以存取取得的ETC的收费及出进口信息；液晶显现模块用于信息查询和直观地显现串口取得的信息，选用8位并行驱动方法；SPI总线用于操控语音提示段的播映，ISD1700在SPI总线的操控下有单段和多段播映两种方法，其间无卡和进口提示选用单段播映方法，金额缺乏和缴费金额选用多段播映方法。
体系的实物图如图4所示。
4 定论
本文规划的车载单元与车道的ZigBee通讯模块经过试验证明在75 m以内通讯状况杰出，车辆在不高于45 km/h的速度下经过ZigBee通讯模块可以完结车辆的主动辨认和收费功用，根本满意ETC体系的运用要求；车载单元供给了友爱的信息查询和语音提示功用，运用户在车内就能具体了解本车的缴费的具体信息，取得愈加快捷的收费服务，一起，也降低了高速公路办理公司的运营本钱。跟着ZigBee技能的快速开展和本钱的下降，本体系将具有很好的运用远景。
参考文献
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[2] 丁俊东. 依据ZigBee技能的不泊车收费车载设备的规划[D]. 南京：南京理工大学，2009.
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[5] 王瑛，张辉宜，金仁才. 高速公路不泊车收费体系及其研讨进展[J]. 计算机与信息技能，2009: 27-29.
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[7] 李文忠，段朝玉. ZigBee无线网络技能入门与实战[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007: 15-30.
[8] 周怡，凌志浩，吴勤勤. ZigBee 无线通讯技能及其运用讨论[J].主动化外表，2005(6): 5-9.
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第12期第47页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
