楊濤 ^1,2 ,?楊博雄 ^*1,2 ,?尹萍 ^1,2 ，翁名鍵 ^1,2 ,?余俊 ^1,2（1.三亞學院信息與智能工程學院，海南?三亞?572022；2.三亞學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網收費的實際需求，設計了一個基于ZigBee與MCU技術的用戶友好型不停車收費系統(tǒng)。該系統(tǒng)的通信模塊以TI公司提供的Z-Stack1.4.3為基礎進行設計，通過該模塊可以實現車輛的自動識別和不停車收費功能；控制模塊以宏晶公司生產的89C54為核心，利用按鍵、LCD和ISD1700實現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通信模塊實驗，驗證了本系統(tǒng)的可行性和可靠性。

　　關鍵詞：不停車收費系統(tǒng)；車載單元；ZigBee無線傳輸；單片機處理

　　作者簡介

　　楊濤（1965— ），男，博士，三亞學院教授，主要研究方向：智能科技及應用。

　　楊博雄（1975— ），男，博士，博士后，三亞學院副教授，主要研究方向：智能科技及應用。

　　尹萍（1982— ），女，碩士，清華大學教育管理博士（在讀）。信息系統(tǒng)項目管理師，三亞學院講師。主要研究方向：信息檢索與數據挖掘，大數據與教育支持等。

　　0 引言

　　不停車收費系統(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站人工或半人工收費造成的出入口處的車輛阻塞以及由此帶來的能源浪費、環(huán)境污染等問題 ^[2] 。國外已經開發(fā)應用了一些基于射頻識別技術（RFID）或專用短程通信技術（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了互不兼容的ETC系統(tǒng)，以至無法實現全國聯網收費，影響了其效益的發(fā)揮。ZigBee作為一種新興的無線通信技術，基于IEEE802.15.4全球統(tǒng)一的標準，并且具有近距離，低功耗，自組網等優(yōu)勢，它應用于ETC系統(tǒng)將是未來發(fā)展的趨勢?；赯igBee技術的ETC系統(tǒng)國內已經有高巖 ^[3] 、伏德雨 ^[4] 、王瑛 ^[5] 等進行了研究。高巖完成了CC2430節(jié)點硬件電路的設計，但沒有實現軟件系統(tǒng)；伏德雨利用 CC2431 的定位引擎實現了對車輛的定位，但沒有涉及ETC系統(tǒng)的設計；王瑛側重于ETC系統(tǒng)中后臺管理系統(tǒng)的設計，車載單元的操作環(huán)境不夠友好。本文提出的基于ZigBee技術和MCU的ETC系統(tǒng)，不但實現了車輛自動識別和不停車收費功能，而且增加了車載系統(tǒng)的人機交互，實現了友好的查詢、語音提示等功能，為實現全國聯網收費奠定了技術基礎。

　　1 ETC系統(tǒng)與ZigBee

　　ETC系統(tǒng)又稱電子不停車收費系統(tǒng)或電子收費系統(tǒng)，就是在車輛通過收費站時，可以實現車輛的自動識別，入口信息和出口信息的寫入及相關的收費業(yè)務。國外應用ETC始于20世紀70年代，國內從1995年開始引進國外技術。

　　國外ETC技術主要分為3個分支 ^[6]

　　1）以E-Zpass系統(tǒng)為代表的美國技術。它由異頻雷達發(fā)射器、天線、通道控制器和主機系統(tǒng)等組成，采用開放式收費制式構成的網絡，有專用車道和混合車道兩種模式，車道都有收費員值班，系統(tǒng)內的車輛采用單一標準的車載設備，每個用戶擁有單一賬戶，車輛的時速限制在8 km/h以內。

　　2）以瑞典AUTOPASS和葡萄牙Via Varde系統(tǒng)為代表的歐洲技術。AUTOPASS系統(tǒng)是由挪威的Q- free公司提供的，主要特點是遵循歐洲CEN標準，具有可讀寫的5.8 GHz電子標簽，系統(tǒng)設備具有較高的性價比。ViaVarde系統(tǒng)的顯著特點是沒有自動欄桿，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卡加兩片式電子標簽和雙ETC天線的方案為代表的日本技術，使用5.8 G專用短程通信技術作為ETC的核心技術，一張電子標簽記錄了用戶的基本信息，并且與用戶的銀行賬戶綁定。另一張電子標簽用來記錄車輛的基本信息，它被固定在車輛內，無法被調換到其它車輛上。在車道設計上，日本ETC車道設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。

　　國內的ETC系統(tǒng)主要以引進為主，各高速公路管理公司引進的ETC系統(tǒng)互不兼容，用戶所購買的車載設備只能在一條公路上使用。為此，2007年5月國家標準化管理委員會批準了 ETC & DSRC中國國家標準 GB/T20851 2007 以及 2007 年 10 月國家交通部頒布了《收費公路聯網收費技術要求》。這種收費方式在我國隨著區(qū)域性收費轉向聯網收費的過程中也存在著一定的問題^[7] 。主要是沒有路由器、自組網等功能，也沒有協議棧的支持，導致人機交互、網絡應用等功能無法實現。

　　ZigBee技術由ZigBee技術聯盟于2002年共同提出，基于IEEE802.15.4無線標準。該標準定義了ZigBee技術的物理層（PHY）和媒體介質訪問子層（MAC），ZigBee聯盟在此基礎上定義了網絡層（NWK）和應用層（APL）。ZigBee協議棧的代碼都是由國際標準組織、ZigBee聯盟等機構協助完成的，然后以軟件庫、源代碼的方式提供給產品設計人員調用，減少了系統(tǒng)設計的工作量，縮短上市時間。它具有以下特點：成本低，ZigBee協議免收專利使用費；功耗低，車載單元的休眠時間占總運行時間的大部分，因此能達到很好的節(jié)能效果；可靠性高，采用碰撞避免機制，完整的應答通信協議，保證了傳輸數據的可靠性；保密性好，ZigBee協議棧提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES -128算法對傳輸數據進行加密；網絡容量大，可支持多達65 000個設備節(jié)點；組網方式靈活，有星形網絡、樹形網絡和網狀網絡可供選擇 ^[1] 。該技術解決了ETC系統(tǒng)中車輛自動識別技術開發(fā)成本高、組網困難、缺乏統(tǒng)一的標準、“臟”車牌識別困難等問題 ^{[8] 。}ZigBee技術的特點決定了它非常適合ETC系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)設計

　　ETC系統(tǒng)包括ETC收費車道子系統(tǒng)、ETC 管理中心和車載單元（OBU）。ETC收費車道子系統(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，利用先進的視頻圖像捕捉技術對闖卡車輛或未能通過驗證的車輛進行拍照取證，并記錄視頻圖像提供給管理部門。ETC管理中心就是中央數據處理中心，它負責管理ETC收費車道子系統(tǒng)采集的車輛出入口信息，完成出站車輛的收費，并匯總未交費車輛的信息供有關部門進行處理。ETC收費車道子系統(tǒng)和管理中心目前已經發(fā)展的比較成熟，本文重點設計了車載系統(tǒng)。

　　2.1 車載單元的硬件設計

　　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)的硬件結構圖如圖1所示。

　　掉電檢測模塊采用了EMMicroelectronic-Marin 公司生產的EM6353，可以在應用終端配置中實現最大的靈活性。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行。

　　RFID讀寫模塊采用了NXP（恩智浦半導體）公司生產的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，利用了先進的調制和解調概念，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卡進行讀寫操作，完成相應的扣費工作。

　　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)器和一個增強型的8051MCU。并且內置了ZigBee協議棧，能以很低的費用構成ZigBee節(jié)點，實現自組網功能。它還有多種運行模式，不同運行模式間的轉換時間非?？?，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協議棧完成車載終端與車道路由器組網的工作，傳輸車輛的信息，實現車輛的自動識別，完成相應的收費任務。

　　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。再經過AMS1117-3.3 V降壓芯片產生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，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；內置 8 192個16×16點漢字，和128個16×8點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，可構成全中文的人機交互圖形界面。使用戶能隨時查看車輛的消費記錄，方便了用戶的同時，也降低了ETC管理中心的營運成本。

　　語音模塊采用了華邦（Winbond）電子生產的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，本設計采用SPI接口控制模式。在該模式下，用戶具有完全控制的權限，在指定操作的起始地址和結束地址后，通過串行接口可以隨機存取存儲器陣列內的任何位置，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芯片可以實現對用戶扣費等的語音提示，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，采用了掃描鍵盤結構。鍵盤為用戶提供了查詢消費歷史的功能。也使用戶能在車輛內與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據。

　　串口模塊采用了美信（Maxim）公司生產的MAX232芯片，該芯片是專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片。這部分主要為系統(tǒng)提供與上位機通信的接口。

　　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。該MCU用來支持LCD的顯示，鍵盤的掃描，與CC2430的通訊，向AT24C64存取車輛的進出站以及消費情況等。

　　車載單元的原理簡圖如圖2所示。

　　2.2 車載單元的程序設計

　　在軟件的設計當中，車載單元和ETC收費車道子系統(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協議棧開發(fā)的基礎。一個ETC收費車道子系統(tǒng)一般包括一個協調器、若干路由器和在其識別范圍內的車載單元。無論是協調器還是路由器或是終端設備，其啟動過程至網絡形成，其初始步驟均是一樣的，只是不同設備的配置文件（協調器：F8wCoord.cfg，路由器：F8wRouter.cfg，終端設備：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協議棧的基礎上建立的，整個協議棧已經由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)過程中調用這些單元中的API就可以直接使用。Z-Stack協議棧運行在操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）上，OSAL是一個簡易操作系統(tǒng)的函數封裝，每個應用程序都以操作系統(tǒng)（OS）的一個任務形式執(zhí)行，由系統(tǒng)調度這些任務的執(zhí)行最終實現程序的上層協議。然后按系統(tǒng) 硬 件 配 置主函數ZMain及 硬 件 目 錄層（HAL）程序，并進入用戶App編程，同時還要根據系統(tǒng)需要自己定義一些任務事件ID，供OSAL輪詢調度。

　　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。按鍵掃描函數獲得鍵碼，控制液晶的顯示和語音提示內容；串口中斷函數負責與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接口充當主機，AT24C64作為從機，以存取獲得的ETC的收費及出入口信息；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，金額不足和繳費金額采用多段播放模式。

　　系統(tǒng)的實物圖如圖4所示。

　　4 結論

　　本文設計的車載單元與車道的ZigBee通信模塊通過實驗證明在75 m以內通信狀況良好，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功能，基本滿足ETC系統(tǒng)的應用要求；車載單元提供了友好的信息查詢和語音提示功能，使用戶在車內就能詳細了解本車的繳費的詳細信息，獲得更加便捷的收費服務，同時，也降低了高速公路管理公司的運營成本。隨著ZigBee技術的快速發(fā)展和成本的下降，本系統(tǒng)將具有很好的應用前景。

　　參考文獻

　　[1] 陳俊杰，山寶銀. 5.8GHz電子不停車收費技術綜述[J].同濟大學學報（自然科學版），2010(11): 1675-1681.

　　[2] 丁俊東. 基于ZigBee技術的不停車收費車載設備的設計[D]. 南京：南京理工大學，2009.

　　[3] 高巖. 基于ZigBee技術的高速公路智能收費管理系統(tǒng)硬件技術方案設計[D]. 北京：北京郵電大學，2009.

　　[4] 伏德雨，吳平，毛萬華. ZigBee在高速公路不停車收費系統(tǒng)中的應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2008(3)：50-52

　　[5] 王瑛，張輝宜，金仁才. 高速公路不停車收費系統(tǒng)及其研究進展[J]. 計算機與信息技術，2009: 27-29.

　　[6] 楊克勤. 不停車收費系統(tǒng)中的車道控制器設計與實現[D]. 南京：南京理工大學，2009.

　　[7] 李文忠，段朝玉. ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007: 15-30.

　　[8] 周怡，凌志浩，吳勤勤. ZigBee 無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表，2005(6): 5-9.

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