短距離通信技術在出租車計價管理系統中的研究與應用

居海清

(淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 223003)

出租車計價管理系統是一個監控和管理出租車違法計價的控制系統，便于相關管理部門及時管理與決策，維持出租車行業正常的營運秩序。出租車計價器主要靠傳感器發出的脈沖來計數[1]，本系統中的車載采集系統能對計價傳感器信號進行分析，記錄異常的計價信息數據，并將此數據傳輸給綜合管理系統進行監控與分析。整個系統設計的關鍵問題是如何保證數據的有效傳輸。因為出租車行駛是動態的，所以車載采集系統與綜合管理系統的數據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GPRS模塊數量很大時，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的短距離無線通信，為固定設備與移動設備之間的通信環境建立了一個特別連接的信息溝通渠道[2]，在不同的環境中具有終端移動性，容易調度無線網絡資源等優點[3]，已成為無線通信技術領域的一個重要分支，在諸多無線數據傳輸中的應用已經越來越廣泛[4]。本文針對系統要求提出短距離通信與GPRS通信兩級數據傳輸方案，搭建了以短距離無線通信技術為核心的固定查詢系統，使整個系統具有低成本、高可靠性和智能化的優點。

1 系統總體方案介紹

出租車計價管理系統數據傳輸總體方案如圖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與固定查詢系統之間的雙向通信，完成對異常計價信息數據的存儲，再利用GPRS通信方式進行固定查詢系統與綜合管理系統的雙向通信，實現對數據的管理和監控。這種兩級數據傳輸方案解決了數據傳輸和指令發送的技術問題，便于實現單點對多點的數據傳輸，綜合管理系統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進行數據傳輸，這樣不僅有效提高了綜合管理系統的工作效率，同時也減輕了它實時響應的負擔。因為GPRS通信技術及其產品開發相對成熟，本文只對其中的短距離通信部分進行了數據傳輸方案的研究與設計。

圖1 系統數據傳輸總方案

2 短距離通信方案設計

本系統中的短距離通信負責完成車載信息采集系統與固定查詢系統之間數據和指令的傳輸與處理。其中，固定查詢系統通過短距離無線數據發送模塊發送查詢和數據刪除等指令，車載數據采集系統通過短距離數據接收模塊接收到固定查詢系統發出的指令后完成相應的數據處理，通過短距離數據發送模塊將相關數據信息發給固定查詢系統，固定查詢系統通過短距離數據接收模塊接收到數據后進行數據的存儲或處理。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)數據傳輸的編碼方式；(4)抗干擾的處理。

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

2.1 硬件電路設計

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

FO5P無線發射模塊的第2腳為發送信號輸入端，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構成輸出3.2 V穩壓電路，為J04V提供工作電源。JO4V的第2腳為接收信號輸出端，經R2、C2構成的低通濾波器，防止脈寬 TON≤50 μs的高頻信號干擾。U1B、U1A構成遲滯比較器，實現了電平轉換功能，保證接收輸出的信號不失真，其原理如下。

表1 FO5P無線發射模塊和JO4V無線接收模塊的主要技術指標

在 R8、R9構成的 U1A的基準電壓為 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 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TON>50 μs時，U1B+>2.06 V，使U1B輸出高電平，經 U1B反相后輸出為低電平0V，使接收信號能傳輸到單片機的接收端口，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 收發模塊硬件電路圖

圖3 電壓波形分析圖

2.2 軟件設計

2.2.1 數據傳輸格式設計

一條完整的數據格式是由同步頭、地址碼、功能碼和數據信息組成，如圖4所示。

圖4 完整信息的數據組成

(1)同步頭由一個 250 μs的高電平和 5 ms的低電平構成，用以喚醒省電方式工作下的接收電路，通過延時5 ms來確保系統能進入穩定狀態，準備接收數據；

(2)地址碼由5 bit 16進制數組成，每輛出租車的車載數據采集系統都有一個編號；

(3)功能碼由2 bit 16進制數組成，用來明確需要執行的指令功能。

2.2.2 編碼方式設計

數據傳輸中1 bit十六進制數用4 bit二進制數來表示。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，要考慮到傳輸的速率和可靠性，因此，設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(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 程序設計

(1)數據發送子程序設計

由于本系統的短距離收發模塊工作在同一頻率下，防止發送數據時產生的接收中斷會影響發送數據的有效性，因此，在數據發送時，必須先關閉所有中斷，等發送數據執行完后才能響應其他中斷，數據根據圖5的編碼方式進行數據發送，為了確保數據能可靠接收，每組數據必須發3次[5]，具體流程圖如圖7所示。

(2)數據接收子程序設計

在數據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，如果一致，才能進行數據的接收與存儲，程序流程圖如圖8所示。數據按照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次相同數據的發送進行處理，因為當接收完一組完整數據中的一次后退出子程序，將執行其他程序(串口中斷、發送子程序)，這個執行過程將自動丟棄剩余的一兩次發送數據。

圖7 發送數據子程序流程圖

圖8 接收數據子程序流程圖

圖9 8bit二進制數接收子程序流程圖

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/發模塊工作電壓

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

表2 收發模塊最佳工作電壓試驗記錄表

根據系統要求，J04V和F05P構成的短距離無線數據傳輸距離應大于50 m，通過實驗可得，發射模塊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

通過改變一位數據的編碼周期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數據可得，當編碼周期T=750 μs時，同步頭的脈沖寬度為250 μs，傳輸有效距離最遠。

3.2 防干擾試驗

本系統需要對脈沖寬度TON≤50 μs的干擾信號具有抑制功能，在發送端 P2.0發送 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 FO5P無線發射模塊發送編碼周期為 750 μs、脈沖寬度為250 μs的系統正常數據信號時，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，發現與圖3一致，其脈沖寬度為 250 μs，說明系統能夠完成數據的可靠傳輸。

本文設計了基于短距離通信的無線收發裝置，實現了出租車的車載信息采集系統與固定查詢系統之間的雙向通信，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的處理方法，解決了高頻信號干擾和信號失真問題。結合單片機控制技術，實現了單點對多點的數據傳輸，有效傳輸距離可達60 m，滿足了計價管理系統需要。該裝置結構簡單、體積小、安裝方便，現場不需要專業人員安裝，固定查詢系統可直接安裝在出租車管理部門的執法車上，對經過的所有出租車可進行違法計價信息的查詢、保存和傳送，整個系統性能穩定，為管理部門整頓違法計價現象提供了可行性。

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