CN2752862Y - 基于蓝牙技术的公路车辆无线收费装置 - Google Patents

Abstract

基于蓝牙技术的公路车辆无线收费装置。属于电通信技术领域，由车载蓝牙卡、车道固定端蓝牙检测器、车道管理微机及软件组成。使用本实用新型的积极效果是采用蓝牙无线收费，免现金、免找钱、免停车等待。能够提高交通部门的道路收费效率和路网通行能力，从根本上解决了传统停车收费效率较低和车辆排队拥挤的状况。

Description

基于蓝牙技术的公路车辆无线收费装置

技术领域

本实用新型属于电通信技术领域，具体涉及一种基于短距离无线数据通信的无线身份认证装置在公路收费管理系统中的应用。

背景技术

现有的收费公路的收费装置是电脑人工收费系统，车辆驶过收费站的收费过程是停车，交费，记录，给收据，抬杆放行。此种收费方式，速度较慢，极大地影响了出入口收费站的通行能力，使收费站成为收费公路的瓶颈，经常发生堵车，甚至交通事故。随着国内的公路收费系统已构成一个庞大的网络和通行车辆的迅速增加，收费方式和管理手段越来越显得滞后。电子不停车收费系统是一个很好的解决方案，但目前仅限于IC卡的使用，没有从根本上解决问题。

发明内容

本实用新型的目的是采用蓝牙技术提供一种公路车辆无线收费装置，实现不停车收费、计费，克服现有公路收费技术和方式的不足。

本实用新型由车载蓝牙卡、车道固定端蓝牙检测器、车道管理微机及软件组成。

车载蓝牙卡由ROK 101 007蓝牙模块和微处理器组成，两者之间通过RS232方式进行连接，微处理器采用的是AT89C51，通过电平转化芯片MAX232与蓝牙硬件连接。

车道固定端蓝牙检测器由ROK 101 007蓝牙模块、USB接口组成，USB接口和车道微机连接。

车道微机管理软件由蓝牙设备地址的识别模块、连接模块、计费模块组成。

本实用新型各部分的功能是：

1.车道固定端蓝牙检测器

负责与车载蓝牙卡进行车辆移动情况下的无线连接并进行数据传输，完成车辆身份识别认证等功能。其工作量较大，稳定性和传输速度要求较高，因此采用USB接口和车道微机系统连接。在本发明中，将固定端蓝牙检测器安装在收费站中央车道位置，通过USB方式和车道微机系统连接，完成：系统的初始化、点对点的连接及断开(车辆身份识别与计费等)、ACL数据的传输(向车辆返回计费信息与其他信息服务)等功能。

2.车载蓝牙卡：

在靠近收费站进入连接范围内，被车道微机系统控制的固定端蓝牙检测器发现，并唤醒进入工作状态，与固定端检测器进行连接；进行车辆不停车身份认证、付费、接收并显示收费情况等；由于是车载设备，为降低功耗，增强保密性，通常情况下可以使系统处于休眠状态，周期性的进行检测。

3.车道微机管理软件：

车道微机的信息管理系统可以使收费站工作人员通过微机显示器屏幕时时监测过路车辆的收费全过程，但所有工作几乎可以不需人工干预，软件自动完成收费、向车辆反馈收费信息、向远程计算机传输信息等。微机管理软件与USB数据传输系统紧密结合并协调其工作。

使用本实用新型的积极效果是运用先进的蓝牙技术，实现了免人工、免现金、免找钱、免停车等待的收费方式，提高公路收费公司的管理水平和路网通行能力，解决了因停车收费排队而造成的道路拥挤状况。较现有的其他收费系统而言，成本大大降低，在未来的和现有系统改造中将极具竞争力。

附图说明

图1：是基于蓝牙技术的公路车辆无线收费装置的整体原理方框图

图2：UART和PCM接口应用的系统框图

图3：RS232电平转换电路

图4：车载蓝牙卡的单片机控制原理框图

图5USB驱动蓝牙模块的系统框图

图6电平转换电路

图7车道固定端蓝牙检测器程序流程图

具体实施方式

车道固定端蓝牙检测器

车道固定端蓝牙检测器1负责与车载蓝牙卡进行车辆移动情况下的无线连接并进行数据传输，完成车辆身份识别认证等功能。其工作量较大，稳定性和传输速度要求较高，因此采用USB接口和车道微机系统连接。在本设计的实际应用中，将固定端蓝牙检测器安装在收费站中央车道位置，通过USB方式和车道微机系统连接，完成各项功能。

(1)车道固定端蓝牙检测器USB硬件电路设计

附图5为驱动蓝牙模块的系统框图，其中的host为PC机(即车道微机)。PC机通过USB驱动模块与蓝牙模块进行连接，控制蓝牙模块完成一系列功能，并进行数据传输。图中VCC、ON和VCC_IO是接到一起的，因此无须考虑上电次序。

Wake_Up、Detach是用一个跳线来手动选择高低电平的，两个均为高电平有效，所以在使用USB模式来驱动蓝牙模块时，应选择Wake_Up接高电平，Detach接低电平。

此外还需考虑电源问题，此应用方式采用USB本身来供电，USB为5V，而模块上的VCC和VCC_IO的建议使用电压为3.3V，所以要进行电平转换。电路参见附图6。DSS306为EMI滤波器，National LP2985为6V DC到3.3V DC转换芯片，L3起到滤波作用。

(2)软件设计

程序的设计是从模块的初始化开始，逐步展开。整个程序设计流程如附图7所示。以下为每个部分的设计说明。

●系统初始化

系统初始化包括模块的初始化和系统初始状态设定。系统物理连接完成后，驱动程序自动加载，并开始初始化工作。

系统首先将复位。驱动程序向模块发出HCI_Rest指令，对模块进行复位，模块接收到该指令后，完成复位操作并向主机返回一个命令完成事件(Command Complete Event)，通知主机复位完成。主机接收到复位完成事件后，要读取并保存模块信息，包括版本信息、蓝牙地址和缓冲区大小等。其中的蓝牙地址将用于连接操作，它在模块出厂时已经设定好；缓冲区大小参数将提交给主机，以便主机对要传输的数据进行分块。然后，主机将对模块进行初步设置，包括主机缓冲区设置和计时器设置。通过HCI_Host_Buffer_Size指令，将主机缓冲区大小参数传递给模块，主机在对数据传输进行控制时将用到该信息。对于计时器，包括查询时间值的大小、间隔等内容，模块默认了常用信息，实际应用中没有特别要求不用对其进行修改。但要应用相关指令将其读取出来并由主机保存，以便控制时使用。在HCI的主机控制器和基带指令中有HCI_Read_xxx_Timeout指令，将返回这些计时器设置。如扫描查询的默认间隙为：基带时隙0.625ms×(参数N)0×0800＝1.28s。每次扫描查询的默认时间为：0.625ms×(参数N)0×0012＝11.25ms。

●查询附近蓝牙模块

初始化完成后，开始进行查询(Inquiry)，查询其他蓝牙设备，即查询是否有安装车载蓝牙卡的需收费车辆进入收费站。在Inquiry没有响应的情况下，系统进入该状态等待其他设备的连接请求。初步设置完成后，系统将进行一次扫描，以便发现有效范围内的其他系统，从而决定本系统应处的状态。系统在开始的这次扫描后，将进行进一步的状态设置。HCI_Inquiry指令将使系统进入寻找临近设备的状态，它的主要参数包括Inquiry_Length和Num_Response，前者是查询时间长度，最大可达61.44秒，本系统中将查询时间设为2秒，后者是允许应答的设备数。这里将产生程序的分支：如果找到临近设备，则系统设置为主设备，并发送连接请求；如果没有找到临近设备，那么在超过Inquiry_Length时间之后，系统设置为从设备，并进入定期查询状态(HCI_Periodic_Inquiry_Mode)，等待其它设备作为主设备的连接请求。定期查询的参数则包括查询间隔、每次查询时间及允许应答的设备数等。

●系统的连接建立和中断

当系统A通过HCI_Inquiry找到临近设备时，作为从设备处于待机状态的设备B将对A的请求做出应答，同时设备A的主机将收到返回的Inquiry_Complete事件，该事件的参数中包含了应答设备(设备B)的蓝牙地址、设备类型、时钟偏移等重要信息，这些信息包括：数据包类型(DM1＝0×0008)，扫描模式(Page_Scan_Mode＝MANDATORY)，扫描重复模式(R0)和时钟偏移(初始值为0)等，这些信息将在连接过程中被应用。

得到应答的系统A又对本身进行进一步的设置，做请求连接的准备。这些准备包括设置事件过滤器、鉴权、加密、状态设定等。然后发出连接请求进入Page_Scan状态，等待对方的应答。该状态中，两个设备会进行一些基带信息的交换，诸如调频伪随机序列和ID值信息等。

设备A作为主设备向设备B发送了连接请求，B的蓝牙模块接到该请求后向主机B发送一个连接请求事件(Connection Request Event)，该事件中包含设备A的蓝牙地址、设备类型、链接模式等连接参数。设备B接收A的连接请求并发送指令HCI_Accept_Connection_Request，同时用Role参数指定自己的角色(从设备，0×01)。该指令发出后，设备A、B都将收到一个连接完成事件(Connection Complete Event)，该事件参数中包括了对方蓝牙地址、链接模式、加密方式以及链接句柄(Connection_Handle)，其中链接句柄是该连接的“名字”，对该连接的操作都将通过引用连接句柄进行。这样，两个设备间的连接就建立完成，可以进行数据传输了。如果要建立语音连接，还要在此基础上建立SCO连接，这个连接在建立的过程中就要用到ACL连接建立时返回的链接句柄。在本系统实验阶段，暂时没有语音传输的要求，所以SCO链接不需建立。中断链接相对较为简单。链接的任一方发出中断指令，就可以中断链接。指令HCI_Disconnect中带有参数Connection_Handle，以表示中断哪个链接。在当前数据传输操作完成后，A和B都将收到一个带有链接句柄的中断链接事件(Disconnection Complete Event)。

在本装置中，每个车载卡的蓝牙设备的蓝牙地址是唯一的，由厂家出产时候设定的，不能修改，因此将蓝牙卡的蓝牙地址作为车辆身份的唯一识别标志。在车辆通过公路收费站时，车道固定端蓝牙检测器与车载蓝牙卡进行链接，由车道固定端蓝牙检测器读出车载蓝牙卡的蓝牙地址并送入车道微机管理系统。微机系统中的数据库中已存入该地区范围内所有车辆信息，每一个蓝牙地址(相当于身份证号码)对应一辆车的相关信息，包括车牌号码、车型、预存金额、收费记录、所属单位等信息。在识别、计费过程中，微机系统从车辆信息数据库中检索出与送入车道微机系统的蓝牙卡蓝牙地址相匹配的唯一车辆记录，然后进行本次计费，并将本次计费信息通过车道固定端蓝牙检测器发送给车辆上的车载蓝牙卡并显示本次交费信息。

●数据传输

在本装置中，车道固定端向车辆返回计费信息、发送交通路况信息、天气信息等时就需要进行数据传输了。在系统链接建立后，数据传输就比较简单了。因为通信信道已经建立，只需要向USB总线上发送要发送的数据即可。数据传输的一个重要内容是对要传输的数据进行分组，以适应模块数据缓冲区的大小，这是以读取Buffer_Size的值为依据的。被拆分的数据还要根据蓝牙数据包格式的定义，加上数据包头，以便模块对其进行正确的识别和处理。在软件中，专门针对这一要求编制了一个数据包处理例程，它的主要功能是数据包分组的拆分和重组，所要发送的数据进行蓝牙格式处理后再组合成较大的数据块，该例程已经被写入一个动态链接库中(tran.dll)，由界面应用程序调用。

车道固定端蓝牙检测器使用USB接口，驱动程序又工作于USB总线驱动程序(USBD.SYS)之上，所以数据传输部分另一个重要内容就是针对USB总线的编程。USB驱动程序并不直接与硬件对话，而是通过创建USB请求块(URB)，并把它提交给总线驱动程序(USBD.SYS)来完成硬件操作。经过前面的数据打包例程处理过的数据又将进行URB的接受实体，当它接收到送来的URB时，就会把驱动程序对其的调用转化为带有主功能代码IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL的IRP，来完成指定的操作。由此，驱动程序首先要依照DDK中的规则创建URB。URB创建后，就可以使用它与USBD.SYS进行交互。先要利用URB对USB总线进行配置，如配置批量传输管道等，并在此基础上，编写读写数据的分发例程DISPATCHREAD()和DISPATCHWRITE()。

将电平转换电路和蓝牙模块连接后，就可以实现和PC机的连接了。另外还需要USB驱动程序。

车载蓝牙卡

车载蓝牙卡2是整个装置硬件的最关键部分。首先要求体积小，能够方便的安装在车辆的表盘附近；其次，必须能够稳定、安全、可靠的工作；再次，车载蓝牙卡的产品成本需要尽可能的低，以便于大规模的在车辆中推广和应用。

(1)硬件电路设计

车载蓝牙卡主要由ROK 101 007蓝牙模块和控制单元等实现，两者之间通过RS232方式进行连接。

蓝牙协议中规定HCI物理传输层可以是USB、RS232和UART中的任意一种。由于爱立信的ROK 101 007蓝牙模块没有提供RS232接口，所以必须进行RS232-USRT的电平转换。

通过UART传输层发送的HCI数据包共有四种：HCI指令包、HCI事件包、HCI ACL数据包和HCI SCO数据包。HCI指令包仅能发送到蓝牙主控制器上，HCI事件包仅能从蓝牙主控制器发出，HCI ACL/SCO数据包则既可以从蓝牙主控制器发出，也可以接收。

在蓝牙无线接口上，可以使用64kb/s的对数PCM(A律或μ律)，或者CVSD(连续变化斜率增量调制)。本发明采用的是OKI 7450L ADPCM编解码器。

爱立信蓝牙模块提供了UART和PCM接口，并且蓝牙规范允许声音和数据的同步传递，这样就可以利用爱立信的蓝牙模块，通过串口驱动来实现数据和语音的同步无线传输。附图2为UART和PCM接口应用的系统框图。

其中RS2323 transceiver是一个电平转换芯片，将UART的电平转换成RS232匹配的电平，本发明采用的是LTC1386芯片，具体电路见附图3。OKIMSM7450L为声音编解码芯片。

以上设计可以实现声音和文件的同步或数据异步无线传递。在软件的驱动下，可以实现预期的功能，在有效距离内数据和语音传输稳定。

车载蓝牙卡的控制功能用单片机实现。实现原理框图见附图4。微处理器采用的是AT89C51。通过电平转化芯片MAX232与蓝牙硬件连接。

(2)软件部分关键模块说明

void UART_Init(void)；

初始化单片机，本函数必须在程序开始时被调用。

BD_ADDR_T Bt_Initialize(void)；

初始化蓝牙模块，返回本地蓝牙设备的地址，全0则表示出错。本函数必须在建立连接前调用，完成蓝牙模块的软件的初始化。

bool Bt_RegisterService(void)；

注册服务，TRUE，成功；FALSE，失败。本函数必须在初始化之后调用，完成服务的注册，本函数会注册一个默认的SerialPort profile类型的服务(0×1101)。在关闭芯片之前，服务只需注册一次。

uint8 Bt_GetNeighbours(void)；

查询周围的蓝牙设备，返回查询得到的设备数，255表示出错，查询得到的蓝牙设备的具体的蓝牙地址存放在蓝牙模块内部的第二个到第十一个非易失性存储区内，用户可以根据需要调用下面的函数得到每一个蓝牙地址，第一个非易失性存储区内存放用户最常用、用来建立连接的远端蓝牙设备的地址，用户可以调用相应的函数进行修改。如果用户知道对方蓝牙设备的地址可以不运行本函数。

BD_ADDR_T  Bt_ReadRemDevBdaddr(uint8 uNumBd)；

读蓝牙设备的地址，根据指定的序号读取存储在蓝牙模块内部的第一个到第十一个非易失性存储区内的蓝牙地址，uNumBd范围为1-11，返回读到的蓝牙地址，全0则表示出错。

bool Bt_StoreBdaddr(BD_ADDR_T bd_add)；

写蓝牙地址，将用户最常用的蓝牙设备地址存放在蓝牙模块内第一个非易失性存储区内，返回成功与否。用户在下一次建立连接时，程序会自动从中读取该设备的地址，这样可以避免每次都运行查询程序来查询周围的设备。

bool Bt_CreateDataLink(cm_auth_config use，uint8 role)；

建立连接，返回成功与否，蓝牙模块将根据用户指定的role(决定自己是做主控还是被控)自动读取第一个非易失性存储区内存放的远端蓝牙设备的地址，并发出建立连接的请求。如果返回成功则表示物理链路、L2CAP链路、RFCOMM链路都建立起来。

Bool Bt_CloseDataLink(void)；

断开连接，蓝牙模块将自动读取存放在第一个非易失性存储区内的远端蓝牙设备的地址，并发出断开连接的请求。如果返回成功则表示物理链路、L2CAP链路、RFCOMM链路都已断开，用户可以调用建立连接函数重新建立连接。

bool Bt_WriteData(uint8*pBuffer)；

发送数据包，建立链接之后向远端的蓝牙设备发送数据包。返回成功与否。PBuffer为指向要发送的数据包的指针。

Record Bt_ReadData(void)；

接收数据，建立链接之后接收从远端的蓝牙设备发送来的数据包。返回一个Record型结构，包括了一个指向存放数据包的存储区的指针和接收到的数据包中有效负荷(不包含数据包头)的个数。

车道微机的信息管理系统

车道微机的信息管理系统3可以使收费站工作人员通过微机显示器屏幕时时监测过路车辆的收费全过程，但所有工作几乎可以不需人工干预，系统自动完成收费、向车辆反馈收费信息、向远程计算机传输信息等。信息管理系统与USB数据传输系统紧密结合并协调其工作。

●用户界面与软件关键功能说明

包括6个功能块：1.硬件设置；2.车辆摄像监视；3.过车即时监控；4.打印过车清单；5.车辆信息管理；6.信息广播。

各功能模块的说明如下：

(1)硬件设置

由于USB数据传输系统基本是在后台操作，没有用户界面，因此其中的硬件设置功能在这里体现。它主要完成的工作是：对车道固定端蓝牙检测器进行初始化操作，返回蓝牙硬件信息以便查看其工作状态是否正常。

(2)车辆摄像监视

由于系统在工作时可能会有极为偶然的硬件或者软件故障，比如车载蓝牙卡与固定端蓝牙检测器连接失败或者身份识别失败等，无法自动完成收费任务，因此必须以摄像机视频信号作为辅助信号。在车辆靠近收费站时，可通过地感线圈启动安装在车道上的车辆摄像机，对车辆进行拍摄，并将得到的视频文件保存在车道微机系统中。

如果过车时收费成功，则随后删除该视频记录，因为即使是压缩过的视频文件其文件占有空间还是比较大的，这样做是为了节省微机的硬盘空间。

当遇到不可预测的硬件故障或者软件故障，过车时自动收费失败，则该视频文件将由人工处理计费。

(3)过车即时监控

在车辆通过收费站成功完成自动收费的整个过程中，车辆的的信息将在这里显示，并从微机的数据库中搜索到该车辆记录完成计费。数据库的主表的结构如表1：

                    表1信息系统数据库主表

字段名称	数据类型	说明
			BTADD	文本	蓝牙地址(每辆车的蓝牙地址唯一)
ID	文本	车牌号码(如吉ABXXXX)
			INF	文本	该车所属公司、地址
TEL	文本	该车车主或单位的联系电话
			SCR	文本	该车车型(如大客车，小型车)
PAY	数字	每次应收过路费金额
			TOT	数字	该车账户余额
BAK	备注	该车其他信息或者说明

在这个表中完整定义了每辆车的必要信息，每辆车的车载蓝牙卡的蓝牙地址是唯一的，因此将它作为主键，是无重复的索引。在自动收费过程中，本部分软件的功能是将车道固定端蓝牙检测器返回的车辆车载蓝牙卡的蓝牙地址作为搜索条件在数据库的主表中搜索唯一对应的蓝牙地址值。搜索到该值后，在该记录项中的“TOT”(即帐户余额)字段中改变数值，即把原来的数值减去本次应收过路费金额(“PAY”字段对应的数值)。如果出现负值(欠费)，即帐户余额已不足本次交费，系统将该车辆ID号送入欠费车辆表(黑名单)中，并由人工通知车主交费。

同时，每辆车的还对应一个子表(过车明细表)，其中详细记录每次交费记录，包括交费时间(通过时间)、交费金额、余额等，以便向车辆反馈和日后向车主打印交费详单。过车收费时，系统处理主表后即处理子表，添加一条新的完整的交费信息。子表的数据结构见表2。

表2信息系统数据库子表(过车明细表)

字段名称	数据类型	说明
			TIME	时间/日期	交费时间(通过时间)
PAY	数字	交费金额
			TOT	数字	本次所剩余额
STA	数字	收费站代号
			DAO	数字	车道号
AREA	数字	地区代号

4.打印过车清单

收费站在一个特定的工作时段内将打印这一时间内过车清单，以便统计和财务管理需要。

5.车辆信息管理

这部分功能主要实现录入新入网车辆的基本信息、预存金额、向车主打印收费凭证，修改车辆信息等。

6.信息广播

在蓝牙技术的支持下，收费站同时也是个信息平台。过车时，通过无线数据传输，可以向车辆发送路况信息、天气信息等。

Claims (1)

1.基于蓝牙技术的公路车辆无线收费装置，其特征是由车载蓝牙卡、车道固定端蓝牙检测器、车道管理微机组成，车载蓝牙卡包括ROK 101 007蓝牙模块和微处理器，两者之间通过RS232方式进行连接，微处理器采用的是AT89C51，通过电平转化芯片MAX232与蓝牙硬件连接，车道固定端蓝牙检测器由ROK 101 007蓝牙模块、USB接口组成，USB接口和车道微机连接。

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