基于單片機(jī)與ZigBee的不停車收費(fèi)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

楊濤 楊博雄 尹萍 翁名鍵 余俊

摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)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公司的Z-Stackl.4.3為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了車輛的自動(dòng)識(shí)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ISDl700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;單片機(jī)

1ETG系統(tǒng)

國外應(yīng)用ETC（電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)或電子收費(fèi)系統(tǒng)）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)主要分為三個(gè)分支。①以E-Zpass系統(tǒng)為代表的美國技術(shù)。②以瑞典AUTOPASs和葡萄牙Via Varde系統(tǒng)為代表的歐洲技術(shù)。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)。

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(huì)批準(zhǔn)了ETC & DSRC中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20851 2007，2007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，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)。

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）。

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(chǔ)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。它能夠在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(gè)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CRYPT01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（MCU）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1個(gè)RF收發(fā)器和1個(gè)增強(qiáng)型的8051MCU。并且內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，能夠以很低的費(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(shí)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(dòng)識(shí)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100nF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AMS1117-3.3V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8192個(gè)16X16點(diǎn)漢字，和1 28個(gè)1 6X8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(shí)查看車輛的消費(fèi)記錄，方便了用戶的同時(shí)，也降低了ETC管理中心的雪運(yùn)成本。

語音模塊采用了華邦電子生產(chǎn)的ISD1700語音芯片，該芯片包括一個(gè)片上振蕩器（由外部電阻控制），麥克風(fēng)前置放大器，自動(dòng)增益控制（AGC），輔助模擬輸入，抗混疊濾波器，多級存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存電路采用了Atmel（注：已被Microchip收購）公司生產(chǎn)的AT24C64，它能夠提供64 103串行電可擦除和可編程的存儲(chǔ)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(gè)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)采用TI公司提供的Z-Stackl.4.3開發(fā)包作為zigBee協(xié)議棧開發(fā)的基礎(chǔ)。ETC收費(fèi)車道子系統(tǒng)一般包括1個(gè)協(xié)調(diào)器、若干路由器和在其識(shí)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(dòng)過程至網(wǎng)絡(luò)形成，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(shí)有所區(qū)別。

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(gè)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(dòng)，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(gè)簡易操作系統(tǒng)的函數(shù)封裝，每個(gè)應(yīng)用程序都以操作系統(tǒng)（OS）的一個(gè)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(shí)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(gè)程序模塊：按鍵掃描，串口中斷，I²C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;I²C總線用于控制E2PROM的讀寫，用89C54的I/O口模擬I²C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(dòng)方式：SPI總線用于控制語音提示段的播放.ISDl700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。

3結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的車載單元與車道的ZigBee通信模塊在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(dòng)識(shí)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)信息，獲得更加便捷的收費(fèi)服務(wù)，同時(shí)，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。