非接触式车辆信息管理系统的设计与实现

摘 要：本文介绍了一种结合了无线数传、单片机控制以及手持数据终端应用等多项技术的非接触式车辆信息管理系统。并对该系统的应用背景，硬件电路构成以及相关软件的设计思想进行了详细分析。
关键词：自动车辆识别技术; 无线数传; 单片机; 手持数据终端; 无线通信协议

引言
近几年,随着无线数据传输以及微型计算机技术的发展, 自动车辆识别技术(简称AVI)得到飞速发展。本文所介绍的“非接触式无线车辆信息管理系统”实现了执法者与待检车辆之间的“零接触”，提高了执法安全性和效率。系统借鉴了了已有的各种AVI系统的优点，尤其在系统总造价、操作便利性等方面具有其自身的特点，对于实现在途车辆信息的“零接触、不停车”检查，有效提高车辆稽查速度与准确度等具有重要的意义。

系统结构简介
本系统主要由前端与后端两部分组成。其中前端系统由主站(手持数据采集终端)与从站(车载台)组成，结构框图如图1所示。完成对车辆数据的不停车采集，并将所采集到的数据进行初步的整理、暂存，然后性传输到后端做进一步处理。后端系统主要完成数据建库与管理机能，对由前端系统采集的数据进行整理、建档，并建立起相关数据库，以备使用。

系统设计难点解析
首先，为了完成“零接触”的数据采集方式，前端采用了无线链路作为数据传输通道，但这会带来电磁干扰的问题。本设计通过采用具有优良抗误码性能的RF传输模块作为无线数据传输平台，为数据信息的无误传输提供了坚实的硬件基础。同时通过编写基于“通信时长严格受限的半双工无线通信协议算法”的通信进程控制软件，并精心设计了数据流在无线信道中传输的帧格式，从而从软件方面也减少了干扰。此外，本设计还在码流中运用了多种冗余纠错措施，在接收端对接收数据进行纠错运算，使得系统抗干扰性能达到实际应用的要求。
其次，在测试信号有效覆盖范围内，很可能出现多台车辆争抢信道造成同频干扰的现象，严重时，将导致系统完全无法工作。目前，常见的同频干扰消除技术有：直接序列扩频、跳变频率、跳变时间、宽带线性调频等，且均有成品电路可供使用。但是，如果采用专用集成电路来实现消除同频干扰，将使系统成本剧增。本设计运用单片机灵活的位控能力，通过编写基于跳频技术的通信协议，并配合多工作频点RF模块的应用，实现了对区域内同时出现的多台车辆的实时数据采集。
再次，考虑到系统主要在户外环境下使用，在实际的设计当中，通过选用适当的子系统，并通过对系统功能的优化，将主站端的无线收发、单片机控制、信码编码与检错、纠错等几大功能集成到了一台掌上终端中，使得系统具有良好的便携性和操控性。
，整个系统借鉴了无线局域网技术中的主、从站数据传输模式，以主站(手持数据采集终端)为中心、随机加入的从站(车载台)围绕其形成星型拓扑结构。为了能够高速、低差错的实现车辆数据的无线传输，前端系统的无线收发模块具备较高的通信速率以及较大的通信传输距离，允许车辆以高速(≤60km/h)通过数据采集区域。如图2所示：设有效通信范围半径为r，车辆从进入到驶出有效通信范围的距离d，Θ为有效通信范围的车辆进入点与移出点对应半径的夹角，每辆车待传数据量为B字节，系统无线传输速率为b字节/秒，车辆保持匀速v通过，则上述各变量之间存在约束关系：
v×B/b=d=2×r×sin(Θ/2)
此外，系统手持部分采用3V工作电压，且具有较小的功耗，可以采用电池组电源连续工作6小时以上的时间，提高了系统野外使用的便利性。

系统硬件实现方案
为了提高系统应用的灵活性，使其在具有较强的数据流检、纠错计算能力的同时，具有较低的系统成本，本系统采用了单片微处理器W78LE52作为运算与控制。该单片机完全兼容MCS-51指令系统。除了通用的MCS-51片上资源以外，还内置看门狗、以及8KB基于闪存技术的片上程序存储空间。此外，还具有2.4~6V的宽工作电压范围，十分适于本系统的低压、低耗的应用要求。
在主站端，本系统采用了手持数据终端(又称为“抄表微机”)作为系统的数据采集处理中心，以增强系统便携性，适应数据采集地点频繁变更的需求。
手持数据终端通过串口控制由单片机与RF模块构成的无线通信模块，完成对车载台数据的采集，采集到的数据将被暂存到“抄表微机”的内存当中。同时，以数据表格项的形式在终端屏幕上实时显示出来，以便检查人员查看。当单台车辆数据不超过1K字节时，“抄表微机”内置的8M Flash存储空间可以存储超过7000辆车辆的数据，完全可以满足一个工作日数据采集工作量的存储要求。当天的数据采集工作结束后，操作员可以将储存于 “抄表微机”中的数据性上传到后端数据机中，同时清空 “抄表微机”内存空间，以备次日使用。

系统软件的设计
系统的控制软件包括前端与后端两大部分。
后端软件被安装于后台主控计算机内，它提供对车辆信息的数据共享功能，可以将各地区的车辆检查数据进行汇总处理，以实现全市、全省甚至更大范围内的车辆信息资源共享。
前端软件内嵌于前端硬件电路中，实现对数据采集电路动作的控制，并对采集到的数据进行初步处理。它由内置于单片机的通信控制模块以及位于“抄表微机”内的信息处理模块组成，可实现无线信道占用协议、数据传输前后的打包与解包运算、数据纠错处理等功能(即信源、信道编解码)。针对无线信道受环境影响巨大，系统内易产生同频干扰的特点，本系统参照无线局域网CSMA/CA(载波监听多点接入/冲突避免)技术的机理，设计了专用的无线通信协议，实现了系统的高效、可靠工作。
主、从端的程序流程图分别如图3、4所示。
为了使得系统具有更强的抗干扰能力，除了上面已经提到的各种纠、检错编码措施以外，本系统还针对车辆行进间，火花塞等部件工作时产生的电磁脉冲干扰容易造成突发性误码的现象，对传输的数据帧进行了交织编码、冗余容错等处理，使得系统的抗误码性能得到进一步改善，完全可以满足较为恶劣的外部工作环境。
结语
非接触式车辆信息管理系统线结合了无线数传、单片机控制以及手持数据采集终端应用等多项技术，具有便携、高效、高可靠、低能耗等特点。与国外同类型产品相比较，在系统造价等方面具有很大的优势。■

参考文献
1 曹志刚，钱亚生. 现代通信原理. [M]清华大学出版社. 2002
2 曾乃鸿. 抄表微机——手持数据终端. [M]中国电力出版社. 2002
3 李朝青. 单片机原理及接口技术. [M]北京航空航天大学出版社. 1999
4 马忠梅，籍顺心，张凯，马岩. 单片机的C语言应用程序设计. 北京航空航天大学出版社. 1999 
5  W78LE52 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/W78LE52_705457.html.
6  MCS-51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MCS-51_477840.html.