基于RFID采集的无人值守收费站嵌入式系统的设计与实现

　　随着公路的不断增加，路网管理的重要性日益突出。以人工管理为主的传统模式暴露出以下缺陷：(1)人工收费模式效率低下;(2)不良人为因素对收费系统的负面影响;(3)人力资源消耗巨大，劳动强度大，工作环境恶劣;(4)系统各自为政，无法统一管理。由于计算机技术、通信技术以及网络技术的飞速发展，一种全新的、基于网络化的收费系统必将取代传统的收费系统。新系统应该具备下列特性：(1)高效率：车辆无需减速停车;(2)可管理性：收费站可控制、可实时监控、全程记录;(3)增加透明度：为用户提供数据查询;(4)减少人为因素：无人值守，嵌入式系统管理收费站。

　　在欧美许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网，并逐步形成规模效益，而中国的公路网络也正在不断发展中。实行无人值守的公路收费系统后，将使得运营管理依托于信息化平台，并升华为公路运营的战略决策。本文研究的无人值守收费站系统是当前和未来一段时期公路管理发展的趋势。

　　1 无人值守收费站系统概述

　　嵌入式无人值守收费站系统以Intel公司ECX构架的Celeron-M平台——GENE-8310为核心，针对收费站端嵌入式系统的功能要求，充分发挥GENE-8310强大性能，对GENE-8310进行必要的硬件扩展。该系统属于不停车收费系统(又称电子收费系统，Electronic Toll Collection System)。此类系统利用车辆自动识别(Automatic Vehicle Identification)技术完成对车辆ID的采集，然后采用非现金方式支付通行费。

　　目前，不停车收费系统主要有射频IC卡采集方式和图像识别采集方式两种。这两种方式的缺点十分明显。第一种方式通讯距离比较短，车辆需要减速行驶;第二种方式受交通环境影响和车牌清晰程度影响大，准确度难以保证。为了消除上述两种方式的缺陷，本系统对ID采集进行了独特的设计。在无人值守收费站系统中，车辆和收费站都安装了经扩展设计的2.4G频段无线通讯装置。收费站的无线覆盖范围更大，车辆与收费站之间可以进行高速无线数据通讯，车辆在不需要减速和停车的情况下完成对车辆ID的采集。采集的ID通过收费站的嵌入式系统发送到远程数据库中存储，并进行相关处理。

　　2 无人值守收费站嵌入式系统组成框架设计

　　收费站嵌入式系统通过2.4G频段无线通讯方式与车载射频卡实现通讯，通过10/100M以太网实现与Internet互联。前者负责车辆ID采集，后者负责车辆ID传输以及实时监控多媒体数据的传输。图1描述了收费站嵌入式系统与其他子系统的外界交互应用框图。

　　3 射频ID采集基本原理

　　射频服务卡与收费站嵌入式主机相连，该卡以一定的周期(如300ms)循环地向四周发出探测信号，检测是否有车辆到来，信号的覆盖范围是以射频服务卡为中心，半径为5m～20m的圆形区域[1]。当装有车载射频卡的车辆进入射频服务卡的信号区域后，就会收到探测信号，确认无误后，车载射频卡将自身所对应车辆的ID信息发送给射频服务卡。射频服务卡收到ID并确认无误后，将ID通过串口发送到收费站嵌入式主机，交给上层处理，同时再给对应的射频卡发送确认信息。如果射频卡没有收到确认信息，则会重复地发送ID，直到超过一定的次数(本系统设定5次)而报错。

　　车载射频卡收到确认信息之后继续接收来自射频服务卡的探测信号，但不再重复发送ID。若持续超过一定的时间(如10s)后，一直没有再收到探测信号，则认为射频卡已离开射频服务卡的信号区域，即表示车辆已离开收费站。图2为射频ID采集模块的工作示意图。

　　4 射频ID采集硬件设计

　　射频ID采集模块(以下简称采集模块)是无人值守收费站嵌入式系统的重要组成部分，也是实现系统智能化的重要指标，因此该采集模块的稳定性、准确率对整个系统的成败有着重大的影响。根据系统的要求，射频ID采集系统应该由射频服务卡和车载射频卡两部分组成。为节约资源，加快开发时间成本，利用硬件可重用性，两块卡使用完全相同的硬件设计，运行不同的Firmware。综合两块卡的功能需求，通用硬件应该具备以下基本功能：(1)射频通信;(2)与PC机的串口通信;(3)按键输入;(4)信号指示;(5)电源管理。根据系统的功能需求分析，硬件系统分成以下几个子模块，模块的原理如图3所示。

　　4.1 射频模块

　　综合价格、稳定性和可定制程度，本文选用射频模块PTR5000，其结构如图4所示。射频模块PTR5000是一个具备基本射频通信的小电路板，其核心芯片是射频芯片nRF24E1。nRF24E1就是基本的射频发射与接收单元，且里面集成了一个51兼容的单片机[2]，方便射频单元与单片机之间的高速通信。外围电路为振荡电路、存储电路、天线等。

　　4.2 射频芯片nRF24E1

　　nRF24E1是一个集成了兼容8051内核和一个射频收发器nRF2401的射频芯片， nRF24E1内嵌的51单片机是系统的控制部分，工作电压1.9V～3.6V，9通道10bit的ADC，可编程的PWM，3个通用定时器/计数器，支持11种中断源，一个标准串行接口，4KB的程序存储器，512字节的ROM，256字节内部RAM，128字节的特殊功能寄存器，10个I/O口。512字节的ROM包含一个引导程序。上电复位之后，程序被引导程序从外部串行E2PROM加载到4KB的RAM中。如果没有使用掩模的ROM，程序会在外部的存储器中运行。引导程序默认是一个通用的25320 E2PROM(SPI接口)。nRF24E1内嵌的51单片机还具有一些针对RF收发器的特殊功能寄存器(如RADIO),几个专门的中断(如射频数据接收发送中断)。允许的晶振频率范围是4M～20MHz，其推荐值是16MHz。由于内嵌单片机的存储空间有限，为此扩展了一个4KB的E2PROM(25AA320)。在ShockBurstTM模式操作nRF2401子系统时，可以获得1Mbps的访问速率。把所有与RF协议相关的高速信号处理功能集成在芯片中，有3个优点：(1)极大地减少能耗;(2)降低系统成本;(3)减少出错机率。

　　4.3 串口通信模块

　　射频服务卡必须将采集到的车辆ID信息传送到收费站嵌入式主机，而通过串口与主机通信是一种很好的选择，避免了驱动程序的开发。所以需要选择一个串口电平转换芯片实现数字电平与PC机的RS-232电平之间的转换。在此选择美信公司的Max3232[3]。

　　4.4 电源管理模块

　　采用700mAh、3.7V的锂电池充电，可使射频卡放在运动的遥控车里进行逼真的现场模拟，同时还应设计一个普通的5V直流输入。为了达到系统的电压范围1.9V～3.6V，须选择一款稳压芯片，在此选择美信公司的Max1793，其输入范围是2.5～5.5V，而其输出又根据具体的型号依次有固定的2V、2.5V、3.3V以及可调的1.5V～5V，这样电池和外部5V直流都可以通过Max1793[4]稳压到需要的值。在此，通过调节电阻，将电压调节到3.125V。

　　由于美信公司的Max1508[5]是一款专门的智能充电芯片，所以选用其进行充放电电路设计。充电分为常流、常压两个过程，并且有过热、过流保护。为了实现外部5V直流与电池的切换，选择电源自动切换芯片SP6231[6]。当5V直流断开后，电池作为后备电源会自动加载。

　　5 射频卡Firmware软件开发

　　Firmware的开发包括两个部分：射频服务卡Firmware、车载射频卡Firmware。由于硬件设计完全相同，两个Firmware的底层模块都相同，不同的是两块卡的控制逻辑不同，车载射频卡不需要串行通讯支持。如此设计可以很好地实现软件的重用。图5为Firmware的通用结构框图[7]。

　　5.1 基本射频通信的配置

　　车载射频卡与收费站的射频服务卡必须设定相同的频道、数据格式、校验方式及传输速率，才能进行相互通信。一个射频模块要成功发送数据到另外一个射频模块，还必须知道对方的地址，这主要涉及到射频收发器的配置字。基本的配置字有15字节，主要规定了数据包的大小、地址、接收地址的宽度，CRC检错、频率、频道、接收发送选择等。每发送一次数据包之前都必须先写一次发送配置字，且配置字中的地址必须与预定的目标地址一致才可能发送到目的地。只有写入了接收配置字才能接收到数据包。硬件已集成CRC检错，只需通过配置字选择是否需要CRC检错即可，可以选择8bit或16bit CRC检错。

　　5.2 射频数据传输协议

　　源射频卡要将其信息传送到目标射频卡，就必须知道对方的地址，每个射频卡都可以由软件设置一个地址。此射频卡地址的最大长度为5字节(40bit)，但目前地址长度只要取4字节即可，其地址范围为0～4294 967 295，可以给约43亿车辆的射频卡都分配一个惟一的地址。起初射频服务卡不断向四周发送如表1帧格式的数据包。

　　3字节的随机密码是定期改变的。车载射频卡在广播接收模式接到探测信息后，先比较前面的5个字节是否是命令字(如Detect)，如果是，则存储后面3字节的随机密码，并向射频服务卡返回如表2帧格式的数据包。

　　射频服务卡收到数据包后，先检测前3字节的随机密码和后3字节的固定密码，如果都正确，则认为是合法的信息帧。存储对应的ID，并发送到收费站嵌入式主机，同时向地址为“2146”的车载射频卡发送如表3的回复帧。

　　如果车载射频卡没有收到回复帧，则重复发送ID信息帧;如果超过一定的次数还没有收到回复帧，则停止发送，并报错。收到回复帧后，车载射频卡还原到广播接收模式，并启动一个定时器。每收到一个探测信号就将定时器清零，当连续一定的时间(如10秒)一直没有收到探测信号，则认为车离开收费站。

　　5.3 串行通信协议

　　射频服务卡通过串口将采集到的车辆ID信息传送到收费站嵌入式主机。为了进行正常的通信，射频服务卡与主机必须设置相同的波特率、校验位、数据位等。在此统一波特率为19 200bps，8个数据位，1个停止位。要将射频服务卡采集的车辆信息可靠地传送到收费站嵌入式主机，两者之间必须有握手信号。否则，当两者之间的连线出现故障，而服务卡没有检查到时，仍将继续不停地发送ID，从而造成很大的错误。因此，每当射频服务卡向主机发送一个ID后，都必须要求主机给服务卡一个回复信息。如果没有收到回复信息，则服务卡重复发送ID;当重发若干次后，还没有收到回复信息，则认为硬件出了问题，并报错。图6为射频服务卡工作流程图。图7为车载射频卡工作流程图。

　　无人值守的高速路收费站系统具有高度智能性，主要表现在自动检测和车牌识别的无人值守识别方案。新兴的射频识别技术克服了传统车牌图像识别技术的不足，其具有诸多优点。如可靠的无线通信方式，适合于恶劣天气;检测距离远[8](5m～20m)，数据传输速率高，可达1Mbps，实时性好;可实现多目标识别，可提供大量交通管理信息;可直接实现车辆识别，且识别率高，可达99%以上，识别一次的时间大约是300ms～1000ms，对车速不超过60km/h的车辆都能进行非停车可靠识别[9]。综上所述，射频识别方式是一种最佳的选择，基于射频ID采集无人值守收费站嵌入式系统的设计与开发具有一定的现实意义。