基于单片机处理与ZigBee无线传输的不停车收费系统研究与设计
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工作站，海南 三亚 572022）
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201911/407670.htm摘 要：针对全国高速公路联网收费的实际需求，设计了一个基于ZigBee与MCU技术的用户友好型不停车收费系统。该系统的通信模块以TI公司提供的Z-Stack1.4.3为基础进行设计，通过该模块可以实现车辆的自动识别和不停车收费功能；控制模块以宏晶公司生产的89C54为核心，利用按键、LCD和ISD1700实现了友好的信息查询和语音提示等功能。通过对车载单元和车道ZigBee通信模块实验，验证了本系统的可行性和可靠性。
关键词：不停车收费系统；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，主要研究方向：智能科技及应用。
杨博雄（1975— ），男，博士，博士后，三亚学院副教授，主要研究方向：智能科技及应用。
尹萍（1982— ），女，硕士，清华大学教育管理博士（在读）。信息系统项目管理师，三亚学院讲师。主要研究方向：信息检索与数据挖掘，大数据与教育支持等。
0 引言
不停车收费系统（ETC）是智能交通系统（ITS）的重要组成部分 [1] 。它能解决高速公路收费站人工或半人工收费造成的出入口处的车辆阻塞以及由此带来的能源浪费、环境污染等问题 [2] 。国外已经开发应用了一些基于射频识别技术（RFID）或专用短程通信技术（DSRC）的ETC系统。目前，我国已有十几个省市相继开通了200多条ETC车道，但各地的高速公路管理公司引进了互不兼容的ETC系统，以至无法实现全国联网收费，影响了其效益的发挥。ZigBee作为一种新兴的无线通信技术，基于IEEE802.15.4全球统一的标准，并且具有近距离，低功耗，自组网等优势，它应用于ETC系统将是未来发展的趋势。基于ZigBee技术的ETC系统国内已经有高岩 [3] 、伏德雨 [4] 、王瑛 [5] 等进行了研究。高岩完成了CC2430节点硬件电路的设计，但没有实现软件系统；伏德雨利用 CC2431 的定位引擎实现了对车辆的定位，但没有涉及ETC系统的设计；王瑛侧重于ETC系统中后台管理系统的设计，车载单元的操作环境不够友好。本文提出的基于ZigBee技术和MCU的ETC系统，不但实现了车辆自动识别和不停车收费功能，而且增加了车载系统的人机交互，实现了友好的查询、语音提示等功能，为实现全国联网收费奠定了技术基础。
1 ETC系统与ZigBee
ETC系统又称电子不停车收费系统或电子收费系统，就是在车辆通过收费站时，可以实现车辆的自动识别，入口信息和出口信息的写入及相关的收费业务。国外应用ETC始于20世纪70年代，国内从1995年开始引进国外技术。
国外ETC技术主要分为3个分支 [6]
1）以E-Zpass系统为代表的美国技术。它由异频雷达发射器、天线、通道控制器和主机系统等组成，采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模式，车道都有收费员值班，系统内的车辆采用单一标准的车载设备，每个用户拥有单一账户，车辆的时速限制在8 km/h以内。
2）以瑞典AUTOPASS和葡萄牙Via Varde系统为代表的欧洲技术。AUTOPASS系统是由挪威的Q- free公司提供的，主要特点是遵循欧洲CEN标准，具有可读写的5.8 GHz电子标签，系统设备具有较高的性价比。ViaVarde系统的显著特点是没有自动栏杆，车辆能以不低于80 km/h的速度通行，减少了收费站占地规模，并有效地提高了通行能力。
3）以接触式CPU卡加两片式电子标签和双ETC天线的方案为代表的日本技术，使用5.8 G专用短程通信技术作为ETC的核心技术，一张电子标签记录了用户的基本信息，并且与用户的银行账户绑定。另一张电子标签用来记录车辆的基本信息，它被固定在车辆内，无法被调换到其它车辆上。在车道设计上，日本ETC车道设置成栏杆常闭的状态，车辆通过时系统自动处理后，栏杆抬起车辆通行，车辆通过限速40 km/h。
国内的ETC系统主要以引进为主，各高速公路管理公司引进的ETC系统互不兼容，用户所购买的车载设备只能在一条公路上使用。为此，2007年5月国家标准化管理委员会批准了 ETC & DSRC中国国家标准 GB/T20851 2007 以及 2007 年 10 月国家交通部颁布了《收费公路联网收费技术要求》。这种收费方式在我国随着区域性收费转向联网收费的过程中也存在着一定的问题[7] 。主要是没有路由器、自组网等功能，也没有协议栈的支持，导致人机交互、网络应用等功能无法实现。
ZigBee技术由ZigBee技术联盟于2002年共同提出，基于IEEE802.15.4无线标准。该标准定义了ZigBee技术的物理层（PHY）和媒体介质访问子层（MAC），ZigBee联盟在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）。ZigBee协议栈的代码都是由国际标准组织、ZigBee联盟等机构协助完成的，然后以软件库、源代码的方式提供给产品设计人员调用，减少了系统设计的工作量，缩短上市时间。它具有以下特点：成本低，ZigBee协议免收专利使用费；功耗低，车载单元的休眠时间占总运行时间的大部分，因此能达到很好的节能效果；可靠性高，采用碰撞避免机制，完整的应答通信协议，保证了传输数据的可靠性；保密性好，ZigBee协议栈提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES -128算法对传输数据进行加密；网络容量大，可支持多达65 000个设备节点；组网方式灵活，有星形网络、树形网络和网状网络可供选择 [1] 。该技术解决了ETC系统中车辆自动识别技术开发成本高、组网困难、缺乏统一的标准、“脏”车牌识别困难等问题 [8] 。ZigBee技术的特点决定了它非常适合ETC系统。
2 系统设计
ETC系统包括ETC收费车道子系统、ETC 管理中心和车载单元（OBU）。ETC收费车道子系统包括车辆自动识别系统、车型自动分类系统和视频监控系统。车辆自动识别系统是指系统通过车载存储单元获取车辆信息；车型自动分类系统通过非接触的方式测量出车辆的物理特征，以验证车辆信息的正确性；视频监控系统采用高速CCD摄像机，利用先进的视频图像捕捉技术对闯卡车辆或未能通过验证的车辆进行拍照取证，并记录视频图像提供给管理部门。ETC管理中心就是中央数据处理中心，它负责管理ETC收费车道子系统采集的车辆出入口信息，完成出站车辆的收费，并汇总未交费车辆的信息供有关部门进行处理。ETC收费车道子系统和管理中心目前已经发展的比较成熟，本文重点设计了车载系统。
2.1 车载单元的硬件设计
该系统的硬件部分包括：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信电路、显示模块、语音模块、键盘模块、储存电路、串口模块、由STC89C54芯片及外围电路组成的主控制电路。系统的硬件结构图如图1所示。
掉电检测模块采用了EMMicroelectronic-Marin 公司生产的EM6353，可以在应用终端配置中实现最大的灵活性。它能在（1.5~5.5）V正常工作，可以监视电子系统的供电电压，从而保证系统具有良好的功能。在本系统中用来监视主通讯系统的供电电压，保证与车道子系统之间的通信的正常进行。
RFID读写模块采用了NXP（恩智浦半导体）公司生产的MFRC522。该芯片是一个高度集成及非接触读/写的芯片，工作在13.56 MHz，利用了先进的调制和解调概念，支持CRYPTO1加密算法。工作电压为3.3 V，通过SPI接口由CC2430的8051微控制器控制对IC卡进行读写操作，完成相应的扣费工作。
主通信电路由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。并且内置了ZigBee协议栈，能以很低的费用构成ZigBee节点，实现自组网功能。它还有多种运行模式，不同运行模式间的转换时间非常快，这保证了它始终以最低的功率工作，适合需要超低功耗的系统。该系统通过ZigBee协议栈完成车载终端与车道路由器组网的工作，传输车辆的信息，实现车辆的自动识别，完成相应的收费任务。
电源模块采用了车载电源供电和车载系统自带电池供电两种模式。通过单刀双掷开关控制供电单元，充分保障系统正常工作。车载电源一般为24 V或12 V直流电，降压芯片采用的是LM7805，通过前级330 nF和后级100 nF的电解电容滤波得到5 V的直流电，供控制电路使用。再经过AMS1117-3.3 V降压芯片产生3.3 V的直流电，供通信电路使用。
显示模块采用了LCD12864，是一种具有4位/8位并行、3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；内置 8 192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文的人机交互图形界面。使用户能随时查看车辆的消费记录，方便了用户的同时，也降低了ETC管理中心的营运成本。
语音模块采用了华邦（Winbond）电子生产的ISD1700语音芯片，该芯片包括一个片上振荡器（由外部电阻控制），麦克风前置放大器，自动增益控制（AGC）,辅助模拟输入，抗混叠滤波器，多级存储阵列（MLS）,音量控制等。支持SPI接口控制模式和按钮操作环境，本设计采用SPI接口控制模式。在该模式下，用户具有完全控制的权限，在指定操作的起始地址和结束地址后，通过串行接口可以随机存取存储器阵列内的任何位置，还可以访问模拟通道配置寄存器（APC），它可以配置音频的通道，输入，输出和混合。利用ISD1700芯片可以实现对用户扣费等的语音提示，使系统更具人性化。
键盘模块为了减少占用MCU的I/O口资源，采用了扫描键盘结构。键盘为用户提供了查询消费历史的功能。也使用户能在车辆内与ETC管理中心交流成为可能。
储存电路采用了爱特梅尔（ATMEL）公司生产的AT24C64，它能够提供64 kB串行电可擦除和可编程的存储空间，供通信电路和控制电路存取一些重要的数据。
串口模块采用了美信（Maxim）公司生产的MAX232芯片，该芯片是专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片。这部分主要为系统提供与上位机通信的接口。
主控制电路由STC89C54芯片及外围电路组成，STC89C54是深圳宏晶科技推出的一种低成本，高性能的8051系列单片机。该MCU用来支持LCD的显示，键盘的扫描，与CC2430的通讯，向AT24C64存取车辆的进出站以及消费情况等。
车载单元的原理简图如图2所示。
2.2 车载单元的程序设计
在软件的设计当中，车载单元和ETC收费车道子系统的通信是整个系统的核心，系统采用TI公司提供的Z-Stack1.4.3开发包作为ZigBee协议栈开发的基础。一个ETC收费车道子系统一般包括一个协调器、若干路由器和在其识别范围内的车载单元。无论是协调器还是路由器或是终端设备，其启动过程至网络形成，其初始步骤均是一样的，只是不同设备的配置文件（协调器：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信电路程序流程图。
主通信电路的程序是在Z-Stack协议栈的基础上建立的，整个协议栈已经由TI公司的开发人员按功能分为若干单元，其中 ZDO、MAC、MT、ZMAC、NWK和Security文件夹中的程序一般不做改动，开发过程中调用这些单元中的API就可以直接使用。Z-Stack协议栈运行在操作系统抽象层（OSAL）上，OSAL是一个简易操作系统的函数封装，每个应用程序都以操作系统（OS）的一个任务形式执行，由系统调度这些任务的执行最终实现程序的上层协议。然后按系统 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，同时还要根据系统需要自己定义一些任务事件ID，供OSAL轮询调度。
主控制电路的程序主要包括5个程序模块：按键扫描，串口中断，I 2 C总线，液晶显示和SPI总线。按键扫描函数获得键码，控制液晶的显示和语音提示内容；串口中断函数负责与CC2430的通信，既向主通信电路发送指令，也接收系统收费及出入口等信息；I 2 C总线用于控制E2PROM的读写，用89C54的I/O口模拟I 2 C接口充当主机，AT24C64作为从机，以存取获得的ETC的收费及出入口信息；液晶显示模块用于信息查询和直观地显示串口获得的信息，采用8位并行驱动方式；SPI总线用于控制语音提示段的播放，ISD1700在SPI总线的控制下有单段和多段播放两种模式，其中无卡和入口提示采用单段播放模式，金额不足和缴费金额采用多段播放模式。
系统的实物图如图4所示。
4 结论
本文设计的车载单元与车道的ZigBee通信模块通过实验证明在75 m以内通信状况良好，车辆在不高于45 km/h的速度下通过ZigBee通信模块能够完成车辆的自动识别和收费功能，基本满足ETC系统的应用要求；车载单元提供了友好的信息查询和语音提示功能，使用户在车内就能详细了解本车的缴费的详细信息，获得更加便捷的收费服务，同时，也降低了高速公路管理公司的运营成本。随着ZigBee技术的快速发展和成本的下降，本系统将具有很好的应用前景。
参考文献
[1] 陈俊杰，山宝银. 5.8GHz电子不停车收费技术综述[J].同济大学学报（自然科学版），2010(11): 1675-1681.
[2] 丁俊东. 基于ZigBee技术的不停车收费车载设备的设计[D]. 南京：南京理工大学，2009.
[3] 高岩. 基于ZigBee技术的高速公路智能收费管理系统硬件技术方案设计[D]. 北京：北京邮电大学，2009.
[4] 伏德雨，吴平，毛万华. ZigBee在高速公路不停车收费系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2008(3)：50-52
[5] 王瑛，张辉宜，金仁才. 高速公路不停车收费系统及其研究进展[J]. 计算机与信息技术，2009: 27-29.
[6] 杨克勤. 不停车收费系统中的车道控制器设计与实现[D]. 南京：南京理工大学，2009.
[7] 李文忠，段朝玉. ZigBee无线网络技术入门与实战[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 无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，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，欢迎您写论文时引用，并注明出处。
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