基于GPRS的高速公路智能收费系统设计

[摘 要]：以AT89S8252为核心，结合nRF2401和GR47设计一套高速公路智能收费系统。采用无线通信方式，实现车辆与收费站之间收费的无人化操作；收费信息借助GPRS网络传输到网络银行，再进行相应的代收费。GPRS模块和GPRS网络的应用，增强系统的可靠性、收费的便捷性，降低成本。系统给智能收费系统的实现提供新方案，具有良好的市场前景。 0 引 言 目前，我国的高速公路建设发展迅速，建设里程逐年增加；高速公路编号命名也在像世界上发达国家学习，更多地采用英文字母、数字或图形符号等对高速公路进行编号管理。尽管加快了高速公路的建设，但是公路的大部分收费系统还是一成不变的停留在人工停车收费的状态。车辆流量的加大与收费效率低下形成了鲜明的矛盾。本文采用无线通信和GPRS网络传输，设计一套高速公路智能收费系统，省掉停车收费时间，提高工作效率、车辆的通过率，降低了经营成本。 1 系统框图和原理 收费系统主要包括两部分：车载系统和出入口值守系统。框图如图1和图2所示。 系统要求车辆进入高速公路入口限速区时，司机根据入口现场的情况通过键盘输入入口站编号以及通道编号。输入完毕就启动车载系统的发射电路向入口值守系统发送本车的基本信息和司机输入的编号信息，同时车载系统将这些信息存储在内存中作为出高速时发送信息的一部分。通过入口后关闭车载系统。 入口值守系统收到信息后，将对信息进行核查，确定键盘输入是否正确和车辆是否具有自动交费功能，核查无误将存储接收的信息并抬起栏杆放行，否 则拒绝通行。当车辆进入高速公路出口限速区时，司机通过键盘输入出口站编号以及通道编号，同时启动发射电路将存储在车载系统内存的信息发送给出口值守系统。通过出口后关闭车载系统。 出口系统确认收到信息后也和入口值守系统一样做核查，区别是在出口还将核查收到的信息是否具有入口站编号信息。核查无误抬起栏杆放行，否则拒绝通行。出口值守系统将提取车辆入口、出口、车牌号码、车辆类型和时间等信息，决定收费标准以及收费金额。最后将车辆的收费请求通过无线通信传送到银行收费系统，由银行进行费用扣除以及反馈消息给车主。车载系统与高速公路出入口值守系统之间的通信为短距离无线通信，出口值守系统与银行收费系统间的通信借助GPRS网络。 选用的短距离无线通信模块有效距离不小于100米，所以从车载发送信息到出入口值守系统确认信息并抬起栏杆所耗的时间控制在2—5秒内完成（以30km／h速度通过）。 2 系统硬件 2．1微处理器模块 采用的ATMEL89系列单片机中的 AT89S8252型号。它采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的80C51的指令系统及引脚兼容。它还有8K的FLASH、2K 的EEPROM；9个中断响应、SPI接口、WATCHDOG定时器和双数据指针。89S8252也是目前以51为核心的单片机中功能较强，性价比较高的一款。在车载系统中，89S8252完成键盘输入识别、送LCD显示并与nRF2401间进行数据通信。在出入口值守系统中，89S8252完成与nRF2401、GR47之间通信和相应的数据处理。 2．2 无线模块 采用nRF2401无线收发一体芯片。有效距离不小于100米，工作在2.4GHz自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻；支持多点间通信，最高传输速率超过1Mbit／S，比蓝牙技术具有更高的传输速；采用SOC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路；与蓝牙不同的是，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜，应用时需要的外围元件更少。 nRF2401通过SPI接口与89S8252进行通讯。在收发模式下nRF2401有ShockBurst和Direct Mode两种工作方式。本系统采用了前一种方式，一路信号收发。与89S8252相连的引脚包括PWR_UP、CE和CS，用来负责工作模式的选择；DR1、CLK1和DATA，为数据通道1端口，DATA也是发送数和配置数据的输入端口。电路如图3所示： 置SPCR中的SPE位后，使能SPI接口。在车载系统中SPI工作在主机工作模式，P1.4引脚必须设置成高电平；在出入口值守系统SPI设置成从机模式，P1.4必须设置为低电平。 当89S8252请求发送数据时，置CE为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为nRF2401的内部时钟，可用请求协议或89S8252将速率调至1Mbit／s；置CE为低电平启动ShockBurst发射。接收时，在正确设置射频包输入载荷的地址和大小后，置CE为高电平，激活RX。此后nRF2401监测信息输入，若收到有效数据包，DR1为高电平，同时中断89S8252，系统收到全部数据后，nRF2401再置DR1为低，此时如果CE保持高电平，则等待新的数据包。若CE置低电平，则开始接收新的序列。 2．3 液晶显示模块 选用图形点阵液晶显示模块LCM12832ZK，来形成生动的图形化界面以及实时显示键盘的输入。它是具有串／并行接口、内部含有中文字库的128X32点阵液晶显示屏。内置的控制／驱动器采用台湾矽创电子公司生产的ST7920。LCM12832ZK模块采用LED背光，具有2.7—5.5V的宽工作电压范围，还具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。在设计中，让PSB脚接高电平，模块进入并行传输模式。在并行传输模式下，可由指令位（DLFLAG）选择8位接口方式，DSP将配合“RS（CS）”、“RW（SID）”、“E（SCLK）”、“D0～D7”来完成指令／数据的传送。 电路如图4所示。 2．4 GPRS模块 选用索尼爱立信的GR47。它支持900 MHz／1800 MHz，可通过GPRS、HSCSD、CSD和SMS收发数据，并且包括一个内建的TCP／IP协议栈。GR47与89S8252之间的通讯协议是AT指令集，命令符合协议“AT Command set for GPRS”。在出口值守系统，GR47模块将费用信息数据打成一个个IP包，经GPRS空中接口接入无线网络，并由移动服务商转接到Internet，并通过各种网关和路由到达网络银行服务器。电路如图5所示。 3 系统软件 系统软件主要由3部分组成，即车载系统、入口值守系统和出口值守系统。如图6、7、8所示。在车载系统中车辆的基本信息存放在D1区，键入的入口编号信息存放在D2区，键入的出口编号信息存放在D3区。 在车载系统与入口值守系统进行的通信的过程中，可能会出现前后两辆车同时向基站发送信息的情况。在值守系统软件设计中做这样的处理：当基站接收到了一帧的信息后，自动将接收中断关掉，这样避免同时接收到两个信息。如果第一辆车的信息先收到，则可以正常处理。如果后一辆车的信息先收到，而前一辆车的信息还没收到就放行，若第一辆车故意不发送信息，则快到出口时因为没有初始信息发送而被拦住无法通行，由值勤人员强行收费。如果第一辆车的确认信息后于第二辆车收到，则仍然可以将第二辆车放行，只不过收到信息的顺序和车辆通过的顺序不同罢了。基站对收到的信息先与前一个比较，如果发现两条信息相同，则丢弃。 4 结束语 目前，GPRS网络覆盖面积广、稳定性高，同时网络银行功能在技术上已经没什么难度，并且在许多行业已经率先使用了。该系统智能化、信息化程度高，并具有成本低廉、安全可靠和缴费便捷的特点。