（检测技术与自动化装置专业论文）基于无线网络的电子不停车计费技术的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 电子不停车计费系统已成为智能交通运输系统的一个重要组成部分，各国都 把不停车计费系统作为智能交通运输领域最先投入应用的系统来开发。国内近年 来也十分关注电子不停车计费系统的开发，急需开发一种适应国内交通收费管理 方式的不停车计费技术。本论文在对国内外相关技术的深入研究后，结合新兴的 z i g b e e 短距离低速无线个域网络技术，提出了基于无线网络的电子不停车计费技 术的研究。 本文首先从电子不停车计费系统的实现方式入手，设计了系统的总体方案和 运行流程。再根据系统方案的功能要求开发了基于e t c 无线模块和射频i c 读卡器 组成的车载设备( o b u ) ，以及具有g p r s 功能模块的路侧设备( r s u ) 的硬件系 统。为提高无线通信的稳定性，深入的研究了z i g , b e e 无线网络的路由技术，提出 将z i g b e e 路由算法应用到e t c 系统无线网络中，实现了网络覆盖面的扩展和网络 通信的可靠性。针对车辆距离测量问题，设计了基于r s s i 的距离推算方法，并对 测量结果进行数学模型的校正，试验数据证明了该方法的可行性。然后根据各设 备节点在无线网络中承担的任务，设计开发了基于z i g b e e 2 0 0 6 协议栈 ( z s t a c k c c 2 4 3 0 ) 的软件系统，实现了短距离无线组网、无线数据收发、射频 l c 卡读写等功能。 最后，对所设计的各部分功能模块进行试验与测试，测试结果检验了系统设 计的可行性。 关键词：电子不停车计费系统：z i g , b e e ；路由；车载设备；路侧设备；r s s i ；z s t a c k 分类号：t p 2 7 4 + 2 e l e c t r o n i ct 0 l lc o l l e c t i o n ( e t c ) t e c h n o l o g yw a sas i g n i f i c a n tp a r to fi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) t h ee t cs y s t e mw a sd e v e l o p e da st h ef i r s ta p p l i c a t i o n s y s t e mo fi t si nm a n yc o u n t r i e s i nc h i n a , i t sd e v e l o p m e n tw a se s p e c i a l l yc o n c e r n e d h o w e v e r , t h e r ea r el o t so fp r o b l e m sa n dd e f i c i e n c i e sa b o u tu s i n gt h ee t co ff o r c i 踮 t e c h n o l o g y t h e r e f o r e , an e we t ct e c h n o l o g yi su r g e n t l yn e e d e df o rt h em a n a g e m e n t m o d eo fd o m e s t i ct r a f f i ct o l l t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lt e c h n o l o g yo fe t cs y s t e m i t c o m b i n e sw i t ht h ew i r e l e s sp e r s o n a ln e t w o r kt e c h n o l o g yo fz i g b e ew h i c hi ss h o r tr a n g e a n dl o wr a t e i nt h i sp a p e r , o v e r a l ls c h e m ea n df l o wo fs y s t e mw a sd e s i g n e dw h i c hb a s e do nt h e t e c h n i c a lr e a l i z a t i o nm o d eo fe t cs y s t e m a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fe t cs y s t e m f u n c t i o n ，t h eh a r d w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e d i tw a sc o m p o s e do ft w op a r t s ：o nb o a r d u n i t ( o b u ) w h i c hc o n s i s t e do fe t c w i r e l e s sm o d u l ea n di cc a r dr e a d - w r i t e ro fr a d i o f r e q u e n c y , a n dr o a ds i d eu n i t ( r s u ) w h i c hp o s s e s s e dg p r sm o d u l e i no r d e rt o i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h r o u g ht h ed e e p l yr e s e a r c ho f z i g b e ew i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h em e t h o dt h a tw a sz i g b e er o u t i n ga l g o r i t h mw a s a p p l i e dt ow i r e l e s sn e t w o r ko fe t cs y s t e m 。n en e t w o r ka r e aw a se n l a r g e d a i m i n ga t d i s t a n c em e a s u r e m e n tf u n c t i o n ，t h ed i s t a n c em e a s u r e m e n tb a s e do nr s s iw a sd e s i g n e d i tw a sp r o v e dt h a tt h i sm e t h o dw a sf e a s i b l eb yt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h e n ，a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o n so fe v e r yn o d ei nw i r e l e s sn e t w o r k ，t h es o f t w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e d b a s e do n z i g b e e 2 0 0 6p r o t o c 0 1 a n dt h ef u n c t i o n ss u c ka sw i r e l e s sn e t w o r k i n gi ns h o r t d i s t a n c e , w i r e l e s sd a t ar e c e i v i n ga n di cc a r dr e a d w r i t eo fr a d i of r e q u e n c yw e r e a c h i e v e d f i n a l l y , e v e r yf u n c t i o nm o d u l e so fe c ts y s t e mw e r et e s t e d 。a n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g n e de t c s y s t e mw a sv e r i f l e db yt h et e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o nt e c h n o l o g y ( e t c ) ；z i g b e e ；r o u t i n g ；o b u ；r s u ； r s s i ；z - s t a c k c l a s s n 0 ：t p 2 7 4 + 2 图表清单 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图表清单 现有收费方式结构图9 e t c 与m t c 分道方式示意图1o e t c 系统组成的示意图1 l 系统工作流程1 2 车辆监控流程图。14 系统硬件组成示意图l7 主电路板实物图。l8 g p r s 模块电源18 m c u 模块电路原理图19 u a r t 接口电路19 s p i 接口电路2 0 m fr c 5 0 0 功能框图2 0 读卡器射频模块电路2 l 读卡器主控m c u 电路2 2 读卡器天线原理图一2 2 e t c 无线模块的电路原理图2 4 e t c 无线模块p c b 图2 5 微带巴伦尺寸图2 6 e t c 无线模块实物图2 7 z i g b e e 协议栈框图2 9 应用支持子层参考模型3 0 网络层参考模型3 2 z i g b e e 星型网络拓扑3 3 z i g b e e 树形网络拓扑3 3 z i g b e e 网状网络拓扑3 4 e t c 系统网络拓扑示意图3 4 软件组织结构图3 6 o s a l 任务调度流程3 8 z m a i n 主函数流程图4 0 节点通信的流程图4 l 车载节点应用软件流程图4 2 北京交通人学硕十学何论文 图5 1 z i g b e e 树形结构图4 8 图5 2基本路由算法5 2 图5 3路由修复示意图5 3 图6 1r s s i 值与距离d 关系曲线5 7 图6 2 实测r s s i 与距离的关系曲线一5 7 图6 3基于固定节点闯距离的校正模型5 8 图6 4 校j 下模型误差绝对值比较6 0 图6 5路由转发测距示意图6 2 图6 6不同网络深度的测距示意图6 2 图6 7距离推算子程序流程图6 3 图7 1主电路板测试6 5 图7 2网络拓扑测试6 6 图7 3无线多跳测试6 7 图7 4数据包监听6 7 图7 5数据丢包错误6 8 表3 1巴伦尺寸2 6 表4 1车载节点网络参数3 7 表4 2 报文格式4 3 表4 3命令i d 定义4 3 表4 4 g e t n o d e d e s c r s p 4 4 表4 5数据通信命令4 4 表4 6车载节点参数格式4 4 表5 1 l q i 值与链路成本的关系5 0 表5 2路由表5 0 表5 3路由发现表5 1 表6 1最大距离偏差6 1 表7 1 j t a g 接口一6 6 程序清单 程序清单4 1 程序清单4 2 程序清单4 3 程序清单4 4 9 9 2 4 3 3 4 4 体 组 一 一构 数数 结数函断据函化判数理使能费处仞功计件件点辆事事节车 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：春沮历火 签字日期： 。口口7 年月1 7 日 7 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 奠尸 学位论文作者签名：謦。献 签字日期：o 。7 年月7e l 导师签名： 签字日期：口。7 年，月1 7 日 致谢 本论文是在我的导师陈科山教授的悉心指导下完成的。从论文题目的确定，项 目实施到内容章节甚至行文句式的安排，每个过程都渗透着导师的辛劳和汗水。 每次论文遇到困难，导师总是与我反复的讨论，热心的指导，帮我渡过难关。导 师严谨的治学态度、渊博的知识、精益求精的科研作风、忘我工作的奉献精神使 我终身难忘，导师高尚的人格更是为我今后的工作和生活中树立了楷模。在此对 恩师所给予生活上无微不至的关怀和学业上孜孜不倦的教诲表示衷心的感谢! 感谢北京交通大学机械试验馆3 0 1 实验室邓湘副教授，我的同学闰波、韦正、 燕增伟等在我的毕业设计阶段的悉心帮助，使我的视野和思维更加开阔，在此表 示衷心的感谢! 另外，感谢丁猛、刘斌、龚霖阳等所有机械实验馆3 0 1 实验室学习的同学，一 年多与他们相处的美好时光，使我终身难忘。 最后也感谢我的父母家人，他们的理解和支持才使我能够在学校专心完成我 的学生匕。 绪论 1 1 研究背景及意义 1 绪论 电子不停车计费系统【i 】( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，以下简称e t c ) 已经成为 智能交通运输系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 的一个重要组成部分。 由于它涉及交通基础设施投资的回收，又是缓解收费站交通堵塞“瓶颈”的有效手 段，减少了环境污染，所以各国都把不停车计费系统作为1 t s 领域最先投入应用 的系统来开发。我国高速公路从上世纪9 0 年代开始进入快速发展时期。至2 0 0 8 年底，我国高速公路已达到6 0 3 万公里。高速公路的快速发展，仍不能解决一些“瓶 颈”问题，反而使这些问题更加突出，例如高速公路的通行能力、环境污染、以及 现金交易带来的一些弊病等一系列问题。据资料统计，我国某些高速公路枢纽地 区，由于人工收费而造成的停车等待交费损失的时间数就达数百万小时，由此导 致的汽油浪费达数亿元之多，同时由于停车而带来的燃油污染也极为严重。 为解决上述问题，利用先进技术实现高速公路不停车计费方式是最终的发展 趋势。该技术使得车道的处理速度是人工计费速度的1 0 1 5 倍，可以极大地改善交 通条件，提高道路的通行能力和服务水平，可大幅度的降低费用，改善环境。我 国交通部门已经把不停车收费系统的开发和应用列为我国i t s 领域首先启动的项 目，并将该项目列入交通科技的技术创新重点之一。 与传统的收费系统相比，e t c 系统具有更高的通行能力，更少的基建投入， 更低的日常运营费用，更好的服务水平，更好的发展趋势。e t c 系统是将来公路 收费的大势所趋。它高速便捷的特点，在给广大车主带来更多方便的同时，还给 道路管理单位带来更多的资金收益，是利国、利民，适合社会发展，适应未来科 技发展的新时代产品。它的最大特点是不停车收费，即车辆可以以一定的速度通 过收费口，无须在收费站前停车交费。它通过路侧设备与车载设备【2 】之问的专用无 线通讯，在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下，自动完成收 费处理的全过程。 1 2国内外研究现状 目前，国际上许多国家都在大力研发e t c 系统，美国很早就致力于e t c 系统 研究开发，从1 9 8 8 年美国l i n c o n 隧道首丌e t c 系统以来，已有十几个管理机构 北京交通大学硕十学位论文 在进行这方面的研究和应用工作，大量的不停车收费车道己在美国的收费公路上 开通，e t c 系统已经成为美国回收公路投资的有效手段。 日本也十分重视e t c 技术的开发，在9 0 年代初期就有许多大公司开始研究。 1 9 9 5 年建设省正式立项，1 9 9 5 1 9 9 6 年度政府拨款7 0 亿日元支持e t c 技术的开发， 并制订了“同本电子收费系统共同研究开发计划”，建立全国统一的技术标准规范， 不久将进入实用阶段。根据1 9 9 7 年1 月举行的第1 1 次中日公路会议上日本建设 省的介绍，预计整个i t s 将在日本形成5 0 力亿日元的市场。 欧洲在e t c 方面起步更早，自1 9 8 6 年，挪威的b e r g e n 首次进行e t c 应用以 来，意大利、西班牙、德国、英国、法国等国先后在开始了e t c 应用，c e n 仅仅 经过约一年时间的协调工作就统一了欧洲对e t c 的呼声，使得欧洲的e t c 标准草 案顺利通过，欧洲目前正在计划开发多国间统一的e t c 系统，取代现有的各国自 成体系的e t c ，以期给欧洲的公路运输带来巨大的经济效益和综合社会效益。 除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也丌始i t s 的全面开发 和研究，如韩国由建设交通部牵头制定了全面的i t s 框架结构和发展计划，新加 坡已经在全国开始推行不停车电子收费。马来西亚、香港等地都己有电子收费系 统投入实际使用，取得了良好的效果。我国的台湾省也于9 8 年起在中山高速公路 上推行高速公路电子收费e t c 系统的试用计划。目前我国交通部门已经把e t c 的 开发和应用列为我国i t s 领域首先启动的项目。针对公路管理部门对e t c 系统的 需求，交通部科技司从大局出发，于1 9 9 8 年1 月下达了“网络环境下e t c 收费系 统研究与推广应用【3 】，的联合攻关项目。旨在全面系统地研究e t c 系统的技术构成、 接口规范、电磁兼容性、网络结算等技术细节。以保障全国各大区域内的系统相 互兼容，从而确保公路管理公司以及最终用户的利益，促进e t c 技术市场健康、 快速地发展。 尽管国外e t c 系统运行很成功，具有定特色，但有些技术特点和运营方法 并不适合我国道路管理和运营方式，因此，在e t c 系统的研究与开发上需结合我 国实际情况进行。我国目的高速公路大部分以人工收费方式为主，结合了计算机 网络以及i c 卡方式完成收费，但随着e t c 技术的发展，我国从9 6 年至今，全国 范围内已有十几个省市相继开通了两百多条e t c 车道。在实际运行中，e t c 系统 是安全、稳定、可靠的，取得了一定的社会效益和经济效益。然而，不得不面对 的事实是如广东、北京、江苏等地的高速公路管理公司各自引进了互不兼容的e t c 系统。e t c 系统的根本优势在于其区域内的兼容性互通性，而我国比较普遍的现 象是“一路一公司”的管理体制【4 1 ，各高速公路管理公司具有较大的独立经营权，如 果最终用户所购买的e t c 服务仅能在一条路上使用时，其社会效益、经济效益就 会大打折扣，不利于e t c 系统的推广应用。 2 绪论 1 3 f t c 技术标准现状 国际上为适用于i t s 领域中道路与车辆之间的通信专门开发了专用短程通信 ( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，简称d s r c ) 技术。d s r c 是一种实现短 距离无线传输的新兴技术，支持点对点、点对多点的通信。国际上在此领域内曾 经研究和使用过的频率主要有三种：9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z t 3 1 。 从已建成的应用系统来看，9 1 5 m h z 系统目前只有北美地区还有在应用。 5 8 g h z 专用短程通信系统是现阶段欧洲、亚洲及大洋洲等地区应用的主要方式。 2 4 g h z 系统目前应用较少，但是从技术上看，基于该频段的系统仍有开发的潜力。 l欧洲d s r c 标准化进展 1 9 9 4 年，c 酚胛c 2 7 8 第9 工作组开始了d s r c 标准的起草工作，于9 5 年2 月完成e n v l 2 2 5 3 “5 8 g h zd s r c 物理层”和e n v l 2 7 9 5 “d s r c 数据链路层”草案 的编制工作、该草案于1 9 9 7 年7 月最终获各成员国通过。e n n l 2 8 3 4 “d s r c 应用 层”标准也于1 9 9 7 年9 月获投票通过。c e n t c 2 7 8d s r c 标准的主要特点是：5 8 g h z 被动式微波通信，中等通信速率( 5 0 0 k b p s 上行，2 5 0k b p s 下行) ，调制方式 为a s k 和b p s k 。 2 美国d s r c 标准化进展 1 9 9 2 年，a s t m 对北美地区的不同e t c 技术进行评价，休斯公司提出的d s r c 标准被a s t m 以a s t mv 6 草案提交各部门讨论，其主要内容是：9 1 5 m h z ，t d m a 通信协议和主动应答器。然而不幸的是该方案遭到了a m t e c h ，t i ，m f s 等公司的 反对，他们建议采用c e n 标准作为允许使用9 1 5m h z 系统的补充。关于频率资源 问题，i t sa m e r i c a 向联邦通信委员会( f c c ) 提出将5 8 5 0 - - 5 9 2 5 g h z 频带分配 给智能交通运输服务领域并保留9 15 m h z 。 3日本d s r c 标准化进展 日本制定d s r c 标准，是从其本国实际情况出发，由t c 2 0 4 委员会完成了d s r c 标准制定工作。 4 中国e t c 系统d s r c 技术标准化动态 在国家技术监督局和交通部主管部门的指导支持下，国家计委决定立项开展 “公路交通工程设施综合标准化研究”。内容是完成公路交通工程设施综合标准化研 究报告和标准化体系表，并在相应的试验基础上编制国家首批急需的2 0 - - 一2 5 项标 准，e t c 系统d s r c 就是其中一项。 1 4zig b e e 技术发展现状 北京交通火学硕十学位论文 z i g b e e 技术是一种新兴的短距离低功耗的无线通讯技术【5 】，它是在2 0 0 2 年由 英国i n v e n s y s 、日本三菱电气、美国m o t o r o l a 、荷兰p h i l i p s 等几家公司宣布成立 z i g b e e 联盟，合力推动z i g , b e e 技术的【3 0 】。目前，该技术联盟已经发展到1 5 0 多家 公司和标准化组织，涵盖了芯片制造商、软件开发商、系统集成商等，2 0 0 6 年l o 月，国内的华为公司也申请成为了其中的一员。2 0 0 3 年1 1 月，i e e e 正式发布了 z i g b e e 技术的物理层和m a c 层所采用的标准协议，即i e e e8 0 2 1 5 4 协议标准。 近几年来，z i g b e e 联盟不断的完善着技术标准，进而推进和加速了z i g b e e 技术的 实际应用，目前许多公司和生产厂商陆续推出了自己的z i g b e e 芯片产品和丌发系 统，比较典型的有c h i p c o n ( 2 0 0 5 年已被t i 收购) 公司的c c 系列芯片，飞思卡 尔的m c l 3 系列芯片，a t m e l 公司的a t 8 6 r f 2 1 0 ，还有e m b e r 、r a d i o p u l s e 、o k i 、 h e l i c o m m 、j e n n i e 等多家公司。其中c h i p c o n 和a t m e l 都已开发出z i g , b e e 单芯片， 通用2 4 g h z 频道，芯片外部无需搭建其他功能芯片，只需简单的外围电路配置即 可完成无线通信。低功耗、低成本、开发简单以及可靠的数据传输等特点无疑成 为z i g , b e e 技术的一大优势。因此，从z i g b e e 的发展趋势来看，无论是国外还是国 内，该项技术都将成为未来短距离无线通信技术的热门。 该技术特点详述如下： 1 可靠性 无线通信在数据传输过程中容易受到外界噪声的干扰而发生衰变，为了尽可 能减小或消除这些干扰，保障数据传输的可靠性，z i g b e e 协议在各个层面上分别 采用了不同的安全保障机制。在物理层上，i e e e8 0 2 1 5 4 协议采用了直接序列扩 频( d i r e c ts e q u e n c i n gs p r e a ds p e c t r u m ，简称d s s s ) 技术来抑制噪声的干扰，即 用高频伪随机噪声( p n ) 脉冲序列去调制低频的原始信号，使实际发送信号的带 宽远大于原始信号所需的最小带宽。根据信息论中的香农( s h a n n o n ) 定理： c = w l 0 9 2 ( “s ) 式中，c 为信道容量( b p s ) ，w 为信道带宽( h z ) ，n 为噪声功率，s 为信号 平均功率。在信道容量c 不变的前提下，增加信号带宽可以减少系统对与信噪比 s n 的要求【引。 在媒体访问层上，i e e e8 0 2 1 5 4 采用载波侦听多点接入冲突检测【7 】 ( c s m a c a ) 的策略，并且为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，有效地 减少了数据的传输碰撞和重试发送。同时，i e e e8 0 2 1 5 4 采用循环冗余( c r c ) 校验和a e s 1 2 8 加密算法来确保数据帧和m a c 命令帧的有效性。 在网络层上，z i g b e e 除了支持点对点和星形网络结构以外，还支持冗余的网 格形( m e s h ) 网络结构和动态路由的功能。所发送的数据可通过多个路径发送到 目标节点，当某个子节点产生故障无法传输数据时路由表将重新分配，以确保数 4 绪论 据传输不被中断。 实验证明，i e e e8 0 2 15 4 z i g b 的误码率，在信噪比为4 d b 的情况下可达到 1 0 - 9 ；而达到同样误码率，i e e e8 0 2 1 5 1 的信噪比必须达到1 5 d b ，i e e e8 0 2 1 l b 的信噪比必须达到1 0 d b 引。 2 实时性和同步性 实时性是另一项重要指标。z i g b e e 无线通信网络新增节点的典型网络参与时 间为3 0m s ，节点从休眠状态激活进入工作状态的典型时延为1 5 m s ，处于工作状 态的节点的典型存取时间为1 5 m s ，对于最长等待时间在l o r e s 量级以上的控制环 境，z i g b e e 技术完全可以满足实时性的要求1 9 。 由于工业控制系统对于时间精度的高要求，控制网络中的大多数节点都必须 在时间上达到同步。z i g b e e 无线通信网络使用信标帧( b e a c o nf r a m e ) 来确保数 据连接的时间同步性。z i g b e e 协议定义了2 种无线网络的工作方式：信标使能 ( b e a c o ne n a b l e ) 方式和非信标使能( n o n b l e a c o ne n a b l e ) 方式。在信标使能方式 中，协调器定期广播一个标识为信标帧的超级帧( s u p e rf r a m e ) ，超级帧中为每个 子节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许特定子节点发送或接收数据。超 级帧还可以含有一个公共时隙，在此时隙内所有子节点可以通过竞争接入信道。 在非信标使能方式中，协调器不定期广播信标，而是在子节点请求发送或接收数 据时向它单独发送信标帧。 3 灵活性 z i g b e e 技术的灵活性主要体现在自身组网的可扩展性以及与其他通信设备之 间的共存性。作为无线通信设备，基于z i g b e e 技术的通信模块几乎无须布线，可 随意摆放。无线通信网络建立之后，在信号覆盖区域内任何一个位置都可以无缝 接入网络，并且可以“漫游 。因此，z i g b e e 无线通信网络具有很强的可扩展性。 在共存性方面，z i g b e e 通信模块具有透明传输的功能，在信号覆盖范围以内可以 和有线通信设备协调工作。至于z i g b e e 协议与其他无线通信协议的共存性问题则 是目前业界研讨的热门问题之一。在信道不重叠的前提下，理论上基于z i g b e e 协 议的无线通信设备可以和基于其他无线通信协议的设备同时运行而互不干扰。在 信道重叠的情况下，由于z i g b e e 技术的通信设备的数据传输速率和发射功率都很 低，而且一般处于休眠状态，通信往往是猝发性的，因此对于其他无线通信设备 造成干扰的概率也很小。 4 经济性 同其他无线协议如b l u e t o o t h ( i e e e8 0 2 。1 5 1 ) 和w i f i ( i e e e 8 0 2 1 1 ) 相比， z i g b e e 协议比较简单，其设备的安装和调试无需精通无线通信的专业人员参与， 而且无论是生产线初期的设计还是后期的改造中都可以引入。由于i e e e8 0 2 1 5 4 北京交通人学硕十学位论文 z i g , b e e 协议本身的低成本定位，引入z i g , b e e 无线通信网络的成本是比较低的。同 时，基于z i g b e e 技术的设备能耗低、电池寿命长的特点，通信设备的维护成本也 比较低。 由此可见，z i g b e e 技术能够被应用的范围十分广泛，从z i g b e e 联盟和一些主 流厂商的推介来看，更看好在无线传感器网络、家庭自动化、遥测遥控、汽车自 动化、农业自动化和医疗护理等方面的应用。 1 5 本论文研究内容及关键技术 本论文根据国内外不停车计费技术的现状，分析了我国现有高速公路收费系 统特点与不足，并在研究了z i g , b e e 短距离无线射频网络技术发展现状和特点的基 础上，结合我国高速公路收费系统现状，提出了基于无线网络的电子不停车计费 技术，设计了e t c 系统的总体运行方案，并根据方案研制了系统样机的硬件和软 件部分。论文所研究的主要技术内容将作为以后全国e t c 系统联网计费的技术支 撑。 主要研究的具体内容包括有： 1 e t c 系统总体方案的分析与设计； 2 系统样机中路侧设备、车载设备、以及e t c 无线模块的开发； 3z s t a c k 协议栈的开发，及e t c 系统的无线网络结构和接入方式的研究； 4 z i g b e e 路由算法和基于r s s i 的测距推算方法的研究； 论文的章节主要安排如下： 第一章，绪论部分阐述了论文研究的背景及意义，分析了国内外e t c 技术及 标准的现状，并对z i g b e e 技术的发展现状和主要特点状进行了探讨，引出本论文 的研究内容。 第二章，提出基于无线网络的e t c 技术的系统总体方案，设计了系统的组成 及运行流程。 第三章，针对第二章提出的系统总体方案及功能组成，选择了适合e t c 系统 的元器件，并设计了系统样机的各硬件功能模块。 第四章，分析并阐述了z i g b e e 协议标准，确定了用于e t c 系统的无线网络拓 扑结构和z s t a c k 协议栈，并在此基础上，设计了基于z i g b e e 2 0 0 6 协议栈的上 层用户软件。 第五章，根据e t c 系统的无线网络拓扑结构，分析和研究了z i g b e e 技术的路 由算法。 第六章，主要研究了基于r s s i 的距离推算方法，利用实测数据与标准模型的 6 绪论 对比进行数据分析和处理，完成了利用r s s i 实现距离推算的方法和软件实现的设 计。 第七章，总结了系统开发过程中对各个部分的试验与分析，通过测试结果验 证了系统方案的可行性。 第八章，总结论文研究工作，并对未来研究进行综述和展望。 7 系统总体方案分析与设计 2 系统总体方案分析与设计 开发不停车计费系统，首先要根据我国现有收费方式的组成及特性来确定系 统的总体设计方案，从系统要实现的功能入手，然后将z i g b e e 无线网络、射频i c 卡技术以及g s m g p r s 技术引入设计方案当中，组成全国通用的基于无线网络的 不停车计费系统。 2 1 总体设计方案 如图2 1 所示为现有收费方式结构【l o j ，其各层之间的联系是由有线互联网络或 局域网络组成，收费站终端采用现金或手持式i c 卡进行收费，车辆在进入收费岛 时必须停车支付或刷卡缴费，造成了交通高峰期时的交通堵塞。由此可见，要提 高高速公路收费工作的效率，首先要解决的问题是提高收费站处车辆记录和费用 支付的效率。因此，本文提出了基于无线网络的电子不停车计费技术。 ( ： 。c ： 。c ：j 图2 1 现有收费方式结构图 f i g 2 1e x i s t i n gt o l lm o d es t r u c t u r e 9 3 警 殳= 一 段 一 一 厂 !收费站 1 一做债巴 一 l二，彬费兰收费站一做鹰l 北京交通大学硕十学位论文 本论文所设计的系统是基于我国现有高速公路收费方式基础之上，将低功耗 短距离无线网络- z i g b e e 技术引入该系统当中，针对e t c 系统收费站终端的车 辆识别和计费方式进行开发。 实施e t c 系统之前，用户首先需要到交通管理部门办理i c 卡，该卡中存储了 用户驾驶执照编号、车辆牌号、车型以及充值费用等信息。其次，由专业人员安 装车载设备后才可上路使用e t c 专用车道。装有无线设备的车辆靠近收费站时， 该车便实时的处于z i g b e e 无线网络包围环境当中，从车辆进入网络到离开网络之 前完成路侧设备对车辆的识别、用户i d 确认、判断车行方向、进出网络地点记录、 计费金额计算等。需扣除的费用经z i g b e e 无线数据包的传输，实时的发送给车载 设备上的i c 卡读写设备，完成整个扣除费用的过程，同时，驾驶员用户可以通过 l c d 屏幕观察到所扣除的费用、i c 卡余额和对应的行驶距离等信息。 手 图2 2e t c 与m t c 分道方式示意图 f i g 2 2m o d e o f d i f f e r e n t i a t e dl a n ew i t he t ca n dm t c e t c 系统的车道组合方式采取人工收费车道( m a n u a lt o l lc o l l e c t i o n ，m t c ) 与e t c 车道并存的方式，如图2 2 所示，装有e t c 车载设备的车辆可从e t c 专用 1 0 系统总体方案分析与设计 车道进出高速公路，其他车辆则须从人工收费车道进出高速公路。当某一e t c 车 辆欲进入收费站时，驾驶员可看到明显的e t c 车道提示牌，提醒驾驶员前方将进 入e t c 专用收费车道以及适当限制车速。进入无线网络范围内时，车辆上的无线 设备加入由路侧的协调器和路由器等设备组成的短距离无线个域网，然后车载无 线设备将车辆用户信息发给路侧设备的协调器，完成车辆的识别。接收到车辆信 息后，路侧设备将车辆信息数据发送至收费站计算机，通过路段计费管理网络将 数据发送到交管计费中心进行记录处理。 当车辆欲离开高速路段时，出站口收费站的路侧设备再次读取车辆用户信息 数据，并通过路段计费管理网络及上层数据库查询该车的进站地点和应缴费的相 关数据最后将计费数据发送给该车的e t c 车载设备，扣赊i c 卡中相应的费用， 至此完成实时计费过程，车辆离开高速公路 图2 , 3 所示为e t c 系统组成的示意图，其中包括了路侧设备、车载设备、收 费站监控装置、g p r s 装置、收费站计算机以及后台交管计费中心。论文主要研究 路侧设备和车载设备的设计与丌发。 日 搓i2 3e t c 系统组成的示意牲i f i g23 l l u s ”a t i o n o f e t cs y s t e m g p r s 装置的功能是系统将预先设置的收费站信息以及接收到的车辆信息通 过g s m g p r s 网络发送至交通管理部门的计费中心系统进行记录，当车辆离丌高 速公路时再次通过路侧设备进行上述数据采集及发送，最后由计费系统数据管 理中心通过对峻车进、出高速公路所| 己录的收费站点信息进行计算，完成计费过 程，从而实现全困路桥收费网络统一管理。但是，由于目前国内路桥收费方式管 理存在着严重的地区差异，暂时无法实现各个地区运营商的收费标准的统一。因 此住课题研究的初期费用计算方式还是以收费站计算机和有线互联网络为基 础，由地区的运营商提供计费中心数据库。本论文中设计g p r s 装置的目的是为 簿_圆瓢 ，嚣鎏州 奢竺 图 一 徽轻且 懒 一 一 孑。一一 孑d 一 北京交通大学硕十学位论文 了今后对e t c 系统进行继续开发而做的准备工作。希望通过z i g b e e 和g p r s 的充 分结合，最终实现后台式收费的全自动不停车计费系统。 2 。2系统工作流程 图2 4 所示为整个系统工作的流程。它包括了网络接入过程、车辆信息登记过 程、计费过程以及对违规车辆的监控处理四部分。 图2 4 系统下作流程 f i g 2 4s y s t e mw o r kf l o w l 网络接入过程 e t c 计费无线网络环境是由路侧设备中的z i g b e e 协调器建立的，网络的拓扑 是由安装在距离收费站一定距离的路由器实现。车辆进入该网络时，车载无线设 备则自动成为了该网络的终端设备，发出接入网络请求，等待协调器或路由器的 应答返回。如果车载无线设备加入了该网络，则可以进行数据交换。否则终端设 备继续向协调器或路由器提出网络接入请求。 网络接入过程是基于无线网络的e t c 系统运行的基础，无论车辆是进入高速 公路还是离开高速公路都需要先完成网络的接入过程。因此，网络接入过程的实 现也是本论文研究和丌发的一个重点，对该过程的研究将在第四章中详细介绍。 2 车辆信息登记过程 图2 5 所示为车辆信息登记过程的流程图，该过程主要完成的任务如下： ( 1 ) 接收e t c 车辆信息，丌始记录； ( 2 ) 将车辆信息及进入高速路段的收费站地点信息发送到交管计费中心； 1 2 系统总体方案分析与设计 ( 3 ) 车辆驶入高速公路； 图2 5车辆登记过程流程图 f i g 2 5f l o wc h a r to fv e h i c l er e g i s t e r sp r o c e s s 3 计费过程 计费过程主要是车辆欲离开高速公路前完成的费用扣除过程，其主要任务是： ( 1 ) 无线网络接收用户车辆信息数据； ( 2 ) 路段管理及计费中心处理车辆行驶路