摘要：介紹了SIEMENS公司的GSM網(wǎng)絡(luò)專用模塊TC35I和藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)通信芯片nRF401的特點，并在GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行二次開發(fā)，初步實現(xiàn)了高速公路免停車智能收費系統(tǒng)。
國內(nèi)高速公路發(fā)展迅速，公路等級在提高，通車?yán)锍淘谘由欤歉咚俟返氖召M系統(tǒng)卻成為高速公路發(fā)展的一個瓶頸。目前高速公路收費系統(tǒng)大部分還是停留在根據(jù)鈔票面額大小進(jìn)行找“零”的停車收費模式。對管理者而言，浪費了人力、物力，增加經(jīng)營成本；對消費者而言，浪費了寶貴的時間，阻礙了高速公路的高效率通告。GSM通信網(wǎng)絡(luò)已非常普及，在國內(nèi)基本達(dá)到了無縫覆蓋。GSM無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行可靠，其加密技術(shù)已非常成熟。利用GSM網(wǎng)絡(luò)專用模塊TC35I、藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)通信芯片NRF401及微處理器進(jìn)行綜合開發(fā)，完成了高速公路沒有收費站、免停車驗證的智能收費系統(tǒng)的初步設(shè)計和實驗。
1 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成：一是車載系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示；二是高速公路入口處的固定基站和出口基站系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
1.1 車載系統(tǒng)
車載系統(tǒng)由一個具有收發(fā)短信功能的GSM網(wǎng)絡(luò)專用模塊MC35I、一個單片機控制系統(tǒng)和一個基于藍(lán)牙技術(shù)的無線數(shù)據(jù)通信電路組成。微處理器通過電路以19.2kb/s的速率與GSM模塊TC35I相聯(lián)接，調(diào)用手機的國際移動識別碼和手機號碼，并自動填入身份識別信息中。無線數(shù)據(jù)通信信電路通信距離大于100米，在車輛以40km/h的速度通過公路出入口時，保障在1～3秒內(nèi)完身份驗證和收費通信。
單片機控制系統(tǒng)在上電并完成初始化后始進(jìn)入待命狀態(tài)，無線數(shù)據(jù)通信則處于接收狀態(tài)。當(dāng)收到基站的指令后，便對收到的信息進(jìn)行分析。若是高速公路入口，則將入口信息及收費編號存儲于內(nèi)部的EEPROM內(nèi)，并發(fā)出加密的身份識別信息；若為出口，則將入口相關(guān)信息及身份識別信息一起發(fā)送給出口基站，出口基站對收到的信息一一驗證，并返回驗證結(jié)果及收費信息。最后通過GSM網(wǎng)絡(luò)收到由高速公路管理系統(tǒng)委托發(fā)送的收費中心的收費短信。系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交換后，無線數(shù)據(jù)通信電路則進(jìn)入短暫的休眠狀態(tài)，并保持五分鐘，避免重復(fù)接收入口信息或影響后續(xù)車輛的無線通信。
1.2 高速公路出入口固定系統(tǒng)
固定系統(tǒng)分為出口基站和入口基站，物理結(jié)構(gòu)基本一樣，功能上有所區(qū)別。在入口部分，首先通過CCD對即將進(jìn)入高速公路的車輛的車型進(jìn)行驗證，確定收費價位；然后通過無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)出指令，驗證車輛是否具備自動交費系統(tǒng)。在接收到機動車內(nèi)系統(tǒng)的應(yīng)答并確定該車具備自動交費功能之后，將車輛特征信息、“身份”驗證信息及該車的自動收費編號通過調(diào)制解調(diào)器及固定電路網(wǎng)通知各個出站口的收費系統(tǒng)；同時通過無線數(shù)據(jù)通信傳送到車載系統(tǒng)，以供出站時驗證。在車輛放行后，通過電話網(wǎng)驗證該車是否具備交費能力。如果某個車具備自動交費能力或欠費，各個路口的無線系統(tǒng)都將跟蹤這個車的行蹤，并及時將信息反饋到呼個執(zhí)勤站點，通過執(zhí)勤人員強制收費。
各出口固定基站系統(tǒng)首先通過CCD探知有車到來，在達(dá)到無線通信有效范圍之內(nèi)時，啟動無線通信系統(tǒng)，接收到該車的入口信息、收費編號、車型及身份識別信息后，與由入口系統(tǒng)通過有線網(wǎng)絡(luò)傳送來的信息進(jìn)行比較，如果一切正常，則開啟門檻，放行通過，通知收費中心收費并發(fā)送收費短信。收費短信內(nèi)容包括日期、車型、人口及時間、出口及時間、距離總長等信息。反之，則必須通過執(zhí)勤人員收費，通過人工操作放行。
2 主要元件選擇及接口電路設(shè)計
2.1 無線數(shù)據(jù)通信電路
無線數(shù)據(jù)通信電路主要擔(dān)負(fù)機動車輛與固定基站系統(tǒng)進(jìn)行近距離的無線數(shù)據(jù)交換任務(wù)。由核心芯片nRF401及其附屬元件組成。NRF401是雙信道、高性能、低功耗的專用無線通信芯片，工作頻率為433.93/434.33MHz，工作電壓為3.3V，最高通信速率為20kbps，可以直接與單片機串口相接，進(jìn)行異步通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。數(shù)據(jù)輸入端DIN與單片機的TXD端相接，數(shù)據(jù)輸出DOUT端與單片機的RXD端相接。在本電路中，通信速率設(shè)計為19.2kbps。電路原理如圖3所示。
2.2 GSM通信模塊
GSM通信模塊采用SIENENS的TC35I。TC35I是SIEMENS公司專為GSM通信設(shè)計的專用模塊，具有語音、數(shù)據(jù)、傳真和點對點短信功能，工作于EGSM 900和GSM 1800頻段，重僅10g，在3.5～4.8V范圍內(nèi)均能正常工作，對AT Commands Interface Version 8.5所定義的主要指令都能很好地執(zhí)行，另有擴展指令20多條。
TC35I接口由40芯電費組成，其中1～5腳接電池的“+”端，6～10腳接電池的“-”端，11～12腳為直流電源輸入端，可輸入8～20V/500mA的直流電，內(nèi)部有自動充電控制電路。15腳IGT為模塊開機控制，31腳EMERGOFF為關(guān)機控制，都是低電平有效，也可以通過命令實現(xiàn)開關(guān)機。17腳為振鈴輸出，18腳RX為串行數(shù)據(jù)輸出，19腳TX為串行數(shù)據(jù)輸入，32腳為工作狀態(tài)指示燈輸出，24～29腳接SIM卡。與微處理器的接口電路如圖4所示。通信速率為19.2kbps。
TC35I的全部指令可以從SIEMENS的網(wǎng)站上下載。
2.3 CPU控制電路
車載用戶移動交費系統(tǒng)由低成本的AT89C4051單片機組成，工作電源3.3V，基站由高速、高性能的77E58-40單片機完成無線數(shù)據(jù)通信與身份驗證功能，CCD車型識別由另外的獨立處理單元完成。
3 軟件實現(xiàn)
微處理器部分軟件采用C51編寫，全部模塊化結(jié)構(gòu)。車載部分主要完成身份識別和交費功能，并與基站進(jìn)行信息交換，主程序框圖如圖5所示；入口基站主程序框圖如圖6所示；出口基站與入口相似，不再列出。
應(yīng)用GSM的高速公路自動收費系統(tǒng)運行成本低、信息加密系統(tǒng)可靠、方便快捷，有著廣泛的應(yīng)用前景和市場。但是構(gòu)成一個完整的收費系統(tǒng)，目前還有許多需要完善的地方。
