基于TC35I的高速公路智能收费系统的设计

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基于TC35I的高速公路智能收费系统的设计

摘要：介绍了SIEMENS公司的GSM网络专用模块TC35I和蓝牙无线数据通信芯片nRF401的特点，并在GSM无线通信网络环境下进行二次开发，初步实现了高速公路免停车智能收费系统。    关键词：GSM网络 智能收费系统 蓝牙无线数据通信
国内高速公路发展迅速，公路等级在提高，通车里程在延伸，但是高速公路的收费系统却成为高速公路发展的一个瓶颈。目前高速公路收费系统大部分还是停留在根据钞票面额大小进行找“零”的停车收费模式。对管理者而言，浪费了人力、物力，增加经营成本；对消费者而言，浪费了宝贵的时间，阻碍了高速公路的高效率通告。GSM通信网络已非常普及，在国内基本达到了无缝覆盖。GSM无线网络系统运行可靠，其加密技术已非常成熟。利用GSM网络专用模块TC35I、蓝牙无线数据通信芯片nRF401及微处理器进行综合开发，完成了高速公路没有收费站、免停车验证的智能收费系统的初步设计和实验。

1 系统工作原理
系统主要由两大部分构成：一是车载系统，其结构框图如图1所示；二是高速公路入口处的固定基站和出口基站系统，其结构框图如图2所示。
1．1 车载系统
车载系统由一个具有收发短信功能的GSM网络专用模块MC35I、一个单片机控制系统和一个基于蓝牙技术的无线数据通信电路组成。微处理器通过电路以19.2kb/s的速率与GSM模块TC35I相联接，调用手机的国际移动识别码和手机号码，并自动填入身份识别信息中。无线数据通信信电路通信距离大于100米，在车辆以40km/h的速度通过公路出入口时，保障在1～3秒内完身份验证和收费通信。


图3

    单片机控制系统在上电并完成初始化后始进入待命状态，无线数据通信则处于接收状态。当收到基站的指令后，便对收到的信息进行分析。若是高速公路入口，则将入口信息及收费编号存储于内部的EEPROM内，并发出加密的身份识别信息；若为出口，则将入口相关信息及身份识别信息一起发送给出口基站，出口基站对收到的信息一一验证，并返回验证结果及收费信息。最后通过GSM网络收到由高速公路管理系统委托发送的收费中心的收费短信。系统完成数据交换后，无线数据通信电路则进入短暂的休眠状态，并保持五分钟，避免重复接收入口信息或影响后续车辆的无线通信。
1．2 高速公路出入口固定系统
固定系统分为出口基站和入口基站，物理结构基本一样，功能上有所区别。在入口部分，首先通过CCD对即将进入高速公路的车辆的车型进行验证，确定收费价位；然后通过无线数据通信系统发出指令，验证车辆是否具备自动交费系统。在接收到机动车内系统的应答并确定该车具备自动交费功能之后，将车辆特征信息、“身份”验证信息及该车的自动收费编号通过调制解调器及固定电路网通知各个出站口的收费系统；同时通过无线数据通信传送到车载系统，以供出站时验证。在车辆放行后，通过电话网验证该车是否具备交费能力。如果某个车具备自动交费能力或欠费，各个路口的无线系统都将跟踪这个车的行踪，并及时将信息反馈到呼个执勤站点，通过执勤人员强制收费。


图4

    各出口固定基站系统首先通过CCD探知有车到来，在达到无线通信有效范围之内时，启动无线通信系统，接收到该车的入口信息、收费编号、车型及身份识别信息后，与由入口系统通过有线网络传送来的信息进行比较，如果一切正常，则开启门槛，放行通过，通知收费中心收费并发送收费短信。收费短信内容包括日期、车型、人口及时间、出口及时间、距离总长等信息。反之，则必须通过执勤人员收费，通过人工操作放行。
2 主要元件选择及接口电路设计
2．1 无线数据通信电路
无线数据通信电路主要担负机动车辆与固定基站系统进行近距离的无线数据交换任务。由核心芯片nRF401及其附属元件组成。NRF401是双信道、高性能、低功耗的专用无线通信芯片，工作频率为433.93/434.33MHz，工作电压为3.3V，最高通信速率为20kbps，可以直接与单片机串口相接，进行异步通信，实现数据发送和接收，无需对数据进行编码。数据输入端DIN与单片机的TXD端相接，数据输出DOUT端与单片机的RXD端相接。在本电路中，通信速率设计为19.2kbps。电路原理如图3所示。

    2．2 GSM通信模块
GSM通信模块采用SIENENS的TC35I。TC35I是SIEMENS公司专为GSM通信设计的专用模块，具有语音、数据、传真和点对点短信功能，工作于EGSM 900和GSM 1800频段，重仅10g,在3.5～4.8V范围内均能正常工作，对AT Commands Interface Version 8.5所定义的主要指令都能很好地执行，另有扩展指令20多条。
TC35I接口由40芯电费组成，其中1～5脚接电池的“+”端，6～10脚接电池的“-”端，11～12脚为直流电源输入端，可输入8～20V/500mA的直流电，内部有自动充电控制电路。15脚IGT为模块开机控制，31脚EMERGOFF为关机控制，都是低电平有效，也可以通过命令实现开关机。17脚为振铃输出，18脚RX为串行数据输出，19脚TX为串行数据输入，32脚为工作状态指示灯输出，24～29脚接SIM卡。与微处理器的接口电路如图4所示。通信速率为19.2kbps。

    TC35I的全部指令可以从SIEMENS的网站上下载。
2．3 CPU控制电路
车载用户移动交费系统由低成本的AT89C4051单片机组成，工作电源3.3V，基站由高速、高性能的77E58-40单片机完成无线数据通信与身份验证功能，CCD车型识别由另外的独立处理单元完成。
3 软件实现
微处理器部分软件采用C51编写，全部模块化结构。车载部分主要完成身份识别和交费功能，并与基站进行信息交换，主程序框图如图5所示；入口基站主程序框图如图6所示；出口基站与入口相似，不再列出。

    应用GSM的高速公路自动收费系统运行成本低、信息加密系统可靠、方便快捷，有着广泛的应用前景和市场但是构成一个完整的收费系统，目前还有许多需要完善的地方。