居海清

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

出租車計價管理系統(tǒng)是一個監(jiān)控和管理出租車違法計價的控制系統(tǒng)，便于相關(guān)管理部門及時管理與決策，維持出租車行業(yè)正常的營運秩序。出租車計價器主要靠傳感器發(fā)出的脈沖來計數(shù)[1]，本系統(tǒng)中的車載采集系統(tǒng)能對計價傳感器信號進行分析，記錄異常的計價信息數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)傳輸給綜合管理系統(tǒng)進行監(jiān)控與分析。整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題是如何保證數(shù)據(jù)的有效傳輸。因為出租車行駛是動態(tài)的，所以車載采集系統(tǒng)與綜合管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸必須采用無線通信方式。若直接采用GPRS無線通信方式，意味著每輛出租車都使用一個GPRS模塊，并要為每個GPRS模塊都配備一個SIM卡，城市出租車本身量會很大，當(dāng)GPRS模塊數(shù)量很大時，總體通信費用將會非常大。而以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)的短距離無線通信，為固定設(shè)備與移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立了一個特別連接的信息溝通渠道[2]，在不同的環(huán)境中具有終端移動性，容易調(diào)度無線網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)點[3]，已成為無線通信技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支，在諸多無線數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛[4]。本文針對系統(tǒng)要求提出短距離通信與GPRS通信兩級數(shù)據(jù)傳輸方案，搭建了以短距離無線通信技術(shù)為核心的固定查詢系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)具有低成本、高可靠性和智能化的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體方案介紹

出租車計價管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸總體方案如圖1所示，采用短距離無線通信方式先進行不同車載采集系統(tǒng)與固定查詢系統(tǒng)之間的雙向通信，完成對異常計價信息數(shù)據(jù)的存儲，再利用GPRS通信方式進行固定查詢系統(tǒng)與綜合管理系統(tǒng)的雙向通信，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理和監(jiān)控。這種兩級數(shù)據(jù)傳輸方案解決了數(shù)據(jù)傳輸和指令發(fā)送的技術(shù)問題，便于實現(xiàn)單點對多點的數(shù)據(jù)傳輸，綜合管理系統(tǒng)在進行出租車異常計價信號的查詢和管理時，只需與固定查詢系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣不僅有效提高了綜合管理系統(tǒng)的工作效率，同時也減輕了它實時響應(yīng)的負(fù)擔(dān)。因為GPRS通信技術(shù)及其產(chǎn)品開發(fā)相對成熟，本文只對其中的短距離通信部分進行了數(shù)據(jù)傳輸方案的研究與設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸總方案

2 短距離通信方案設(shè)計

本系統(tǒng)中的短距離通信負(fù)責(zé)完成車載信息采集系統(tǒng)與固定查詢系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和指令的傳輸與處理。其中，固定查詢系統(tǒng)通過短距離無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送查詢和數(shù)據(jù)刪除等指令，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過短距離數(shù)據(jù)接收模塊接收到固定查詢系統(tǒng)發(fā)出的指令后完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，通過短距離數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)給固定查詢系統(tǒng)，固定查詢系統(tǒng)通過短距離數(shù)據(jù)接收模塊接收到數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)的存儲或處理。這個過程中的主要問題有：(1)短距離通信模塊工作頻率的選擇；(2)通信距離的確定；(3)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式；(4)抗干擾的處理。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，選擇了工作頻率為315 MHz的FO5P無線發(fā)射模塊和JO4V無線接收模塊。其主要的工作技術(shù)指標(biāo)如表1所示。F05P采用SMT工藝，體積小、功耗低，適合單片機無線數(shù)據(jù)傳輸，具有較寬的工作電壓范圍，F(xiàn)05P在無數(shù)據(jù)輸入時，單片機為低電平狀態(tài)，數(shù)據(jù)信號停止，發(fā)射電流為零。J04V是一款低功耗、小體積、超再生接收模塊，性能穩(wěn)定，具有較好的靈敏度及性價比，是電池供電產(chǎn)品的理想選擇，可以廣泛應(yīng)用于需要長期處于接收狀態(tài)的單片機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。因為兩個模塊相配套，所以無需任何調(diào)整就能穩(wěn)定地收發(fā)，其工作電壓的大小將直接影響其傳輸距離。

2.1 硬件電路設(shè)計

本文采用AT89C52單片機實現(xiàn)對短距離無線收發(fā)工作的控制，總體的硬件電路圖如圖2所示。

FO5P無線發(fā)射模塊的第2腳為發(fā)送信號輸入端，通過R18電阻接AT89C52的第21腳。

JO4V無線接收電路如圖 2所示，R1、DW1、C1構(gòu)成輸出3.2 V穩(wěn)壓電路，為J04V提供工作電源。JO4V的第2腳為接收信號輸出端，經(jīng)R2、C2構(gòu)成的低通濾波器，防止脈寬 TON≤50 μs的高頻信號干擾。U1B、U1A構(gòu)成遲滯比較器，實現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換功能，保證接收輸出的信號不失真，其原理如下。

表1 FO5P無線發(fā)射模塊和JO4V無線接收模塊的主要技術(shù)指標(biāo)

在 R8、R9構(gòu)成的 U1A的基準(zhǔn)電壓為 U1A-=5R9/(R8+R9)=2.5 V，U1B在 U1A輸出為高電平 (JO4V接收到高電平，C2充電)時，基準(zhǔn)電壓為 U1B-=5R4/(R3//R5+R4)≈2.06 V，其 U1B+=3.2(1-e-(TON/R2×C2))≈3.2(1-e-(17730TON)，當(dāng) JO4V 接收信號的脈寬TON≤50 μs時，通過計算U1B+的最大值小于2.06 V，則U1B輸出為低電平，再經(jīng)U1A的反相使輸出為高電平5 V，抑制了50 μs以下的高頻信號的干擾。當(dāng)TON>50 μs時，U1B+>2.06 V，使U1B輸出高電平，經(jīng) U1B反相后輸出為低電平0V，使接收信號能傳輸?shù)絾纹瑱C的接收端口，同時保證電平之間的匹配；在U1B反相輸出低電平時，U1B的基準(zhǔn)電壓為 U+=5×(R4//R5)/(R4//R5+R3)≈1.0V，使 U1A低電平保持時間延長△t2，補償了因R2、C2充電造成延滯時間△t1，使U1A輸出低電平與JO4V接收的脈寬保持一致，防止接收信號失真，實現(xiàn)了短距離無線信號反相接收的目的。輸出電壓波形分析圖如圖3所示，其中圖中U2為JO4V的第 2腳的輸出電壓，U1B+為 C2的電壓，U1AO為 U1A的輸出電壓。

圖2 收發(fā)模塊硬件電路圖

圖3 電壓波形分析圖

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 數(shù)據(jù)傳輸格式設(shè)計

一條完整的數(shù)據(jù)格式是由同步頭、地址碼、功能碼和數(shù)據(jù)信息組成，如圖4所示。

圖4 完整信息的數(shù)據(jù)組成

(1)同步頭由一個 250 μs的高電平和 5 ms的低電平構(gòu)成，用以喚醒省電方式工作下的接收電路，通過延時5 ms來確保系統(tǒng)能進入穩(wěn)定狀態(tài)，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；

(2)地址碼由5 bit 16進制數(shù)組成，每輛出租車的車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都有一個編號；

(3)功能碼由2 bit 16進制數(shù)組成，用來明確需要執(zhí)行的指令功能。

2.2.2 編碼方式設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸中1 bit十六進制數(shù)用4 bit二進制數(shù)來表示。為了能可靠判別0和1，在保證讓0和1的波形脈寬差越大越好的同時，要考慮到傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃?，因此，設(shè)計了高低電平脈寬時間之比為1：2的編碼格式，如圖5所示。圖6是Proteus仿真軟件中虛擬示波器顯示的AT89C52單片機P3.3接收到的12C2H字節(jié)(16 bit二進制)的脈寬編碼波形圖。

圖5 0和1的編碼格式

圖6 脈寬編碼波形圖

2.2.3 程序設(shè)計

(1)數(shù)據(jù)發(fā)送子程序設(shè)計

由于本系統(tǒng)的短距離收發(fā)模塊工作在同一頻率下，防止發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的接收中斷會影響發(fā)送數(shù)據(jù)的有效性，因此，在數(shù)據(jù)發(fā)送時，必須先關(guān)閉所有中斷，等發(fā)送數(shù)據(jù)執(zhí)行完后才能響應(yīng)其他中斷，數(shù)據(jù)根據(jù)圖5的編碼方式進行數(shù)據(jù)發(fā)送，為了確保數(shù)據(jù)能可靠接收，每組數(shù)據(jù)必須發(fā)3次[5]，具體流程圖如圖7所示。

(2)數(shù)據(jù)接收子程序設(shè)計

在數(shù)據(jù)接收中首先要進行同步頭的比對，然后再進行地址碼的確認(rèn)，如果一致，才能進行數(shù)據(jù)的接收與存儲，程序流程圖如圖8所示。數(shù)據(jù)按照8 bit接收的方式進行，如圖9所示。檢測接收的信號低電平的時間是否大于 300 μs來確定 0或 1，在每次等待低電平信號之前，均開啟了15 ms的定時，若定時時間已到，P3.3還沒有接收到低電平，則視為干擾信號，退出子程序，防止死機。接收程序中無需對3次相同數(shù)據(jù)的發(fā)送進行處理，因為當(dāng)接收完一組完整數(shù)據(jù)中的一次后退出子程序，將執(zhí)行其他程序(串口中斷、發(fā)送子程序)，這個執(zhí)行過程將自動丟棄剩余的一兩次發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖7 發(fā)送數(shù)據(jù)子程序流程圖

圖8 接收數(shù)據(jù)子程序流程圖

圖9 8bit二進制數(shù)接收子程序流程圖

3 試驗與分析

3.1 影響傳輸距離因素的試驗

3.1.1 改變收/發(fā)模塊工作電壓

通過改變J04V和F05P收/發(fā)模塊的工作電壓，觀察其對傳輸距離的影響，具體實驗記錄如表2所示。

表2 收發(fā)模塊最佳工作電壓試驗記錄表

根據(jù)系統(tǒng)要求，J04V和F05P構(gòu)成的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸距離應(yīng)大于50 m，通過實驗可得，發(fā)射模塊F05P最佳工作電壓為12 V，接收模塊J04V為3.2 V。

3.1.2改變編碼周期

通過改變一位數(shù)據(jù)的編碼周期T，觀察其對傳輸距離的影響，具體實驗記錄如表3所示。

表3 改變編碼周期試驗記錄表

由表 3數(shù)據(jù)可得，當(dāng)編碼周期T=750 μs時，同步頭的脈沖寬度為250 μs，傳輸有效距離最遠(yuǎn)。

3.2 防干擾試驗

本系統(tǒng)需要對脈沖寬度TON≤50 μs的干擾信號具有抑制功能，在發(fā)送端 P2.0發(fā)送 TON=50 μs的干擾信號時，接收端P3.3的輸出電壓波形圖如圖10所示，U1A的輸出電壓一直為高電平，說明系統(tǒng)對干擾信號具有很強的抑制功能。

圖10 在TON=50 μs的輸出波形圖

3.3 防失真試驗

當(dāng) FO5P無線發(fā)射模塊發(fā)送編碼周期為 750 μs、脈沖寬度為250 μs的系統(tǒng)正常數(shù)據(jù)信號時，通過示波器觀察JO4V無線接收模塊電路中的U1A的輸出電壓波形，發(fā)現(xiàn)與圖3一致，其脈沖寬度為 250 μs，說明系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

本文設(shè)計了基于短距離通信的無線收發(fā)裝置，實現(xiàn)了出租車的車載信息采集系統(tǒng)與固定查詢系統(tǒng)之間的雙向通信，大大降低了電子電路成本，在接收電路中采用低通濾波與遲滯補償?shù)奶幚矸椒?，解決了高頻信號干擾和信號失真問題。結(jié)合單片機控制技術(shù)，實現(xiàn)了單點對多點的數(shù)據(jù)傳輸，有效傳輸距離可達(dá)60 m，滿足了計價管理系統(tǒng)需要。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、安裝方便，現(xiàn)場不需要專業(yè)人員安裝，固定查詢系統(tǒng)可直接安裝在出租車管理部門的執(zhí)法車上，對經(jīng)過的所有出租車可進行違法計價信息的查詢、保存和傳送，整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定，為管理部門整頓違法計價現(xiàn)象提供了可行性。

[1]馬景鋒.出租車計價器防作弊技術(shù)分析[J].中國質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督，2010(11)：66.

[2]馮莉，董桂梅，林玉池.短距離無線通信技術(shù)及其在儀器通信中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007(2)：31-32.

[3]談?wù)褫x.短距離低功率無線通信接入系統(tǒng)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2010，34(2)：1-4.

[4]呂鑫，王忠.ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報，2010，33(4)：332-335.

[5]陳定三，周達(dá)左，楊慧中.一種基于單片機的短距離無線通信抗干擾方法[J].測控技術(shù)，2009，28(7)：95-98.

[6]The LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society. IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems-Localand metropolitan area networks specific requirements—Part15.4：Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low—Rate Wireless Personal Area Networks(LR—WPANs)[M].Smart RF CC2430 Preliminary(rev.1.01)，2005.

[7]王艷，盧博友，劉敏.基于無線傳輸?shù)墓麍@防盜報警系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(28)：13981-13982，13984.

[8]黃智偉.單片無線收發(fā)集成電路原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.