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摘要
提出一种新型公交车载收费系统，介绍其体系构成、运作原理、实现收费、定位、数据传输的关键技术。系统主要由中心控制平台与车载终端构成。车载终端由IC读写器、GPRS收发模块、GPS收发模块构成，通过读写乘客所持IC卡，修改其电子钱包的内容，通过GPS收发模块确定乘客上下车站点，从而计算乘客应付费用，通过GPRS收发模块将相应营业信息、车况、路况等数据发送给车辆监控中心。中心控制平台连接在INTERNET网络上具有固定IP，负责接收、处理、显示所辖车辆上传的各种信息，为调度人员提供详细、准确的参考数据。该系统综合利用电子货币、计算机结算、卫星定位、无线数据传输等先进技术，提供一个全面、智能的数据化信息平台。
关键词 射频读写器 GPRS PPP协议 数据存储
1 引言
公交系统作为城市交通不可缺少的重要组成部分，是一种短距离、大客流量、分布范围广大、灵活性较差的交通形式，提高现有系统性能效率的突破点在于实现各种操作的电子化、地理位置信息化、运营状况透明化。
目前公交系统使用的收费体制绝大部分依赖人工操作，工作人员负担繁重、成本高、非客观因素影响大。并且，所属公交车在运行的绝大部分时间内与中心脱离联系，基本失去控制，中心无法及时准确地获得车况路况信息，很难做到宏观把握与灵活调度。现有的一些电子收费系统由于缺乏定位信息，只能使用单一票价的简单收费方法。穿梭于城市与郊区的长途公交车，其行驶距离长、按里程收费，故无法使用上述系统。针对现有状况，本文提出一种新型系统，它使用电子货币、计算机结算、卫星定位、无线数据传输等先进技术，基本解决公交系统的上述问题。
本系统分为中心控制平台与车载终端两大部分。中心通过INTERNET或GPRS网络与移动车载终端交互各种信息，利用mapinfo控件可实时的在电子地图上显示所辖车辆的准确位置和客流信息。车载终端使用单片机完成对系统控制，各功能模块分别为IC卡读写器，GPRS模块、GPS模块，其中射频IC卡读写器模块提供友好的用户界面，完成对乘客所持IC卡真伪性鉴别与快速收费；利用GPS接收机提供信息实现按里程记价与车辆定位；GPRS收发模块完成数据上传与接收监控中心下发的信息。系统的设计思想为充分使用现有的电信无线网络、GPS卫星体系，同时完成收费、定位、通信、监管各项功能。
由于公交车运行在比较恶劣的环境中，供电不稳定、温差起伏大、电磁干扰强、颠簸振动频繁发生，设计硬件时综合考虑各种因素并采取相应抗干扰的措施，以提高设备的可靠性与稳定性。
2 车载收费系统总体设计
系统可划分成中心部分和车载部分，中心可利用连接在网络上的微机完成数据接收、分析、存储、显示，主要侧重于软件设计以保障数据的安全、信息流量的控制、网络通信的畅通，软件框图如图1。
车载部分是一个独立的移动终端，系统硬件框图如图2。其中，射频读写器是我们具有自主知识产权的研究成果，5V电源供电，能兼容TYPE A、B、MIFARE等类型IC卡，读写距离6厘米，一次读写时间600ms。用户界面提供人机交流的接口，包括液晶显示屏、16位键盘、指示灯，可以交互一定信息。GPRS与GPS模块使用市场上提供的相应产品。微处理器采用高速Cygnal C8051F200型号。
3 系统关键技术及解决方案
3.1 射频读写器的设计
根据卡片类型是type A或type B，完成对发送信号的Miller、NZR编码 ，接收信号的Manchester、NRZ解码，对type A的射频信号进行100%的ASK调制，对type B的射频信号进行10%的ASK调制，对接收到的射频信号进行ASK或BPSK解调。放大电路采用差模放大的方式，能有效抑制零点漂移与噪声干扰。
在对一张卡片的认证、处理完成之后，主控单片机将获取的数据进行提取并按表1的格式保存在存储介质中，为以后的数据传输做好准备。
由于射频读写器是通过辐射产生电磁场来完成通信，消耗较大电流，并对电源供电的稳定性有较高要求，受周围电磁环境影响严重，所以在电源的设计上，注重稳压和纹波抑制，电源输出之后进行专门的掉电保护，以确保稳定性。对射频场通过程序做到使用时才打开，读卡结束后尽快关闭，以控制电流消耗与芯片过热。
3.2 GPRS部分的功能介绍与实现
GPRS（无线分组传输业务）是基于GSM（全球通）数字移动通信网的数据包传输业务，允许在移动中瞬间达到171.2Kb/s的分组传送数率，实现永远在线但按流量计费的功能，利用移动IP和CDPD(Cell Digital Packet Data)技术。GPRS网络在提供服务时，为移动终端分配一个C类动态IP地址，其数据传输流程如图3，下行是上行的逆过程 。
系统的协议层主要集中于因特网体系结构中的网络协议层、应用协议层。
网络协议层由PPP（点到点协议）和LCP（链路控制协议）协同工作 。PPP是一种面向字符的协议，其帧格式如表2，地址和控制字段通常包括缺省值，协议字段用于解多路复用，识别高层协议，帧的有效载荷可以协商。LCP用于协商PPP中某些字段，LCP发送封装在PPP帧中的控制消息，然后根据返回来的控制消息中的信息改变PPP的帧格式。
本系统采用简化的网络协议层的状态转换，具体流程如图4。完成图示交互后，正式进入网络协议层，执行IP协议。应用协议层由底向上分为IP层、UDP层、高级应用。GPRS使用IP协议，每一个移动终端在与外部数据网连接时需要相应的IP地址作为临时标识，由于该地址是动态的，在消息体中应该含有移动终端的唯一标识号码。
IP协议在源地址与目的地址间传送数据包，只使用报头的校验码，不提供可靠的传输服务，和确认、纠错、重发、流量等控制。UDP提供了向另外用户程序发送信息的最简便机制。面向连接的TCP协议虽然可以保证可靠性，但是一台网络服务器只能建立有限条连接，由于实际中移动终端的数目巨大，为节约系统资源，我们采用面向操作的UDP协议，在高层的应用协议中采取措施来保证传输的可靠性。
每一个UDP包的数据部分按表3的格式填写，保存在存储器中，发送时直接复制到UDP包的数据段。
消息类别指出数据段数据的性质，比如销售、位置、控制；帧号用于发送和接收时的排序；公交车号是唯一识别该移动终端的标志；数据长度指出该数据包的实际容量；确认标志在该数据包被发送时写成0XFF，只有在接收到中心应答的数据包中的帧号、公交车号与之相符时被修改为0X00，当存储器写满时该段数据允许被清除。数据段可以包含若干条卡信息，因为UDP加IP的报头共有30个字节，为提高一次传输的效率数据段的长度应尽量加长。在本系统中考虑各种因素一个UDP包的数据部分长度定为64字节。
所有发送的数据都需要确认，发送方在收到接收方的确认信息后，该数据的发送才完毕。否则，将在规定时间、规定次数内重发。接收方对接收的数据进行校验，认为正确后执行相应功能，并返回确认命令信息，否则返回接收数据错误的命令信息。
3.3 GPS部分的功能介绍与实现
GPS很早就被引入到交通领域，但由于没有很好的办法解决多台移动终端接收到的GPS信息交互通报，制约了该系统的应用。本方案使用按流量计费的GPRS系统，基于覆盖面积广泛的GSM网络，克服了原有的问题。具体方案中，根据GPS提供的数据一方面进行车辆定位，一方面实现按里程收费。
本系统中采用GSU-15接收模块，根据星基系统传送的数据解算出接收机载体的导航和时间信息。接收模块与单片机采用异步串行通信方式，通信速率 9600baud。作为系统控制的单片机通过对串口中断的打开与关闭，掌握GPS接收机对系统的影响，通过中断程序提取、更新经纬度、高度、速度、小时、分、秒等信息从而掌握车辆的位置信息，提供给中心使用。同时，行驶路线上各站的地理位置按顺序列成表格存储在车载系统中，乘客上车读卡时，将此时的地理位置查表获取站点编号1存储在卡内，同理获得下车时站点编号2，根据两个站点编号的差值进行扣费。GPS的定位误差在15米以内，能够满足按里程付费所要求精度。
3.4 数据存储方案
由于公交车运行中要记录大量的销售、位置数据，同时，作为独立运转的POS机，其存储空间是有限的，容量与记录时间相互矛盾，所以要采用一定的存储方案。
为保证到系统遇到掉电、重启等异常状况时数据的不丢失，故选用FLASH作为存储介质。要保证向FLASH写入新数据时不覆盖尚未发送的数据，将存储空间划分为可编号的单元，每个单元设定一个标志位，用于指示该单元内容是否上发、是否收到确认应答，据此可判断该单元可否被重写。写入信息时，依序填写各单元，当FLASH写满时，根据各单元标志位，选择擦除全部数据（不包括固有的系统信息），还是发送尚未确认的数据。由于存储的是销售信息，安全可靠性必须保证，只有进过严格判断才可擦除。
我们不采用发送即擦除的方法是为了避免制造存储区碎片，因为受速度与容量所限，单片机内不宜写入太复杂程序，无法对存储区碎片登记与有效管理，所以使用较简单的顺序写入、顺序发送、整体擦除的策略，对FLASH进行循环利用。
虽然制订了一定方案，存储器的容量还是很关键的一个参数，大容量意味着较低的擦除频率和较高的灵活性。实验中采用64K的芯片，能存储近1000条卡片信息，能满足实际情况。
4 结束语
这套车载收费是电子技术、移动通信、互联网络飞速发展的结果，实现了一种全新的管理运营观念，集收费、定位、监控、通信各种功能于一体，提供了一个内容丰富的广阔平台，高层软件可利用底层车载机提供的大量数据进行更复杂的分析处理，开发新的应用。作为一套新型系统，还有待于在实践中进一步发展完善。
参考文献
1 王爱英 智能卡技术 清华大学出版社 2000年
2 顾肇基译 GSM网络与GPRS 电子工业出版社 2002年
3 叶新铭译 计算机网络 机械工业出版社 2000年
Research of a New Bus Charging System
Fan Wen ChangQing Zhang Qishan
Abstract
Present a new type bus charging system , introduce its architecture , running theory and key technology of charging ,localizing and data transfer . This system consists of control center and bus terminals . Bus terminal integrates RF IC card reader, GPRS transceiver and GPS transceiver .IC card reader read the card used by passenger , modify the stuff of its e_purse . Localize two points based on GPS transceiver which the passenger get in and get out of the bus ,then calculate how much money this passenger should pay . GPRS transceiver is responsible for transmission of the terminal bus business data ,bus status ,etc and reception of center orders .Control center , where is in the INTERNET using a fix IP address , receives , deals with and displays all information ,supplied by supervised buses ,to provide exact latest information in detail for controller. This system utilizes some advanced technology such as RF IC card ,computer, satellite and wireless data transfer to offer a full scale and intelligent data platform .
Subject terms RF reader GPRS PPP protocol data memory
