公交車的遠卡自動收費系統設計

高承，王正彥，解亞南

（青島大學，青島266071）

引 言

隨著社會的發展，城市公共交通已變成我們生活中不可或缺的一部分。目前，公交收費主要有人工售票和刷卡投幣收費兩種方式。人工售票雖然具有監督性強、能有效防止偷票漏票現象的優點，但是每月需要給售票員發放工資，進而使得成本提高。刷卡和投幣收費能解決成本問題，但是乘客上下車非常不便，特別是高峰期，大大減緩了上下車速度。當前國內外公交車收費采用的射頻卡與收費機操作距離不超過0.1 m（下面簡稱這種射頻卡為“近卡”），乘客繳費需要從衣袋，包內取卡，貼近收費機刷卡，再將卡放回衣袋、包內，這些動作減緩了乘客上車速度，特別對雙手攜帶東西的乘客，刷卡操作會很不方便。

本文研究的公交車自動收費系統使用有源標簽完成公交卡的設計，在保證較長使用壽命的基礎上，使感應距離增大到1 m左右。將車載系統放置在距離公交車上客門口約1 m左右的距離，乘客上車時經過車載系統就能夠成功刷卡，同時使用的防碰撞算法[2]保證了在乘客上車擁擠的情況下也能夠成功刷卡，成本低且效率高。近年來，地鐵交通的大力發展也為人們的出行帶來極大的方便，本系統經過修改后同樣可以用于地鐵的自動收費，應用空間比較廣闊。

1 系統的整體構成

公交車遠卡自動收費系統總體分為兩大部分：公交卡和車載系統。公交卡主要由nRF24LE1射頻模塊[4]和喚醒電路組成；車載系統主要由主處理器STM32[3]、GPS定位模塊、液晶顯示電路、存儲電路、語音報站電路、喚醒電路等構成。系統總體結構如圖1所示。

當乘客攜帶公交卡上車經過車載系統時，公交卡的ATA5283喚醒電路接收到車載系統讀卡器端ATA5276芯片發送的125 k Hz電磁波后，激活處在睡眠模式下的公交卡，公交卡進入發送模式，將自己的ID號、卡內金額發送給車載系統。車載系統給公交卡發送信息，蜂鳴器響一下表示刷卡成功，并在液晶屏顯示成功信息。同時，車載系統將此公交卡的ID號、金額、上車位置保存在AT24C512存儲器里，當乘客要下車將公交卡再次靠近讀卡器時，公交卡再次被喚醒并向車載系統發送數據。車載系統的處理器根據此公交卡的ID號找到上車時刷卡的信息來計算所需要扣費的金額，并向公交卡發送扣費數據；同時，會將本次乘車信息保存在數據庫中，以備查詢使用。公交車到達終點站后將會進行復位操作，如果有乘客下車時未能感應上，則按照到達終點站的路程進行扣費。

圖1 公交遠卡系統的系統組成圖

2 系統主要部分硬件實現

2.1 公交卡的硬件設計

采用n RF24LE1作為標簽芯片，ATA5283作為喚醒芯片[5]組成公交卡的硬件電路。nRF24LE1是一款帶有處理器的2.4 GHz收發芯片，在一個很小的芯片上集成了51內核和n RF24L01收發內核，與n RF24L01采用相同的內嵌協議和GFSK調制方式，具有串口、SPI、I2C、PWM發生器、隨機函數發生器等豐富的外設資源，該芯片功耗極低且具有非易失性數據存儲器。

ATA5283是一款檢測靈敏度高和功耗超低的125 k Hz無線喚醒芯片，具有1 m V的靈敏度，在待機偵聽125 k Hz數據狀態時，功耗僅為1～2μA，在接收125 k Hz數據的過程中，功耗為2～4μA。在接收125 k Hz數據時，至少檢測到125 k Hz載波持續時間為5.64 ms才進入正常工作模式。其中，前1.54 ms的載波周期的時間用于喚醒此芯片，后4.1 ms的載波周期用于進行自增益調整，把接收信號的放大增益調整到合適的值。兩者再加上紐扣電池等外圍電路構成了有源式公交卡，能實現遠距離的信號發射與接收。公交卡硬件電路如圖2所示。

在沒有檢測到125 k Hz信號時，ATA5283芯片以非常低的功耗處于待機模式。在此模式下，COIL引腳的天線端一直在檢測是否有載波信號到來，N＿DATA和N＿WAKEUP引腳為高電平，復位引腳RESET處在低電平狀態。當COIL引腳的天線端接收至少704個載波序列后，ATA5283芯片進入工作模式，N＿DATA開始接收載波數據，N＿WAKEUP變為低電平，喚醒nRF24LE1。由于只需要喚醒功能，無需有效的載波數據傳輸，因此，只需將N＿WAKEUP與nRF24LE1的P0.6引腳相連。最后，nRF24LE1的P0.0引腳給ATA5283的RESET引腳一個高電平，使ATA5283復位，讓芯片重新回到待機監聽模式。

圖2 公交卡硬件電路

2.2 車載系統射頻模塊電路設計

采用的nRF24L01射頻模塊與nRF24LE1的射頻部分是相互兼容的，也工作在2.4GHz頻率段，是通用ISM頻段的無線收發芯片。內置射頻發送接收器、數據緩沖器、GFSK調制/解調器、增強模式控制單元及與處理器連接的SPI接口。nRF24L01采用SPI總線方式與處理器通信，STM32處理器自帶SPI接口。

本設計將時鐘控制信號SCK、串行數據輸出MISO、串行數據輸入MOSI、芯片使能引腳CSN、中斷信號IRQ、射頻使能引腳CE分別與處理器的PA5、PA6、PA7、PC4、PB0、PC5引腳直接相連，具體電路如圖3所示。同時，該芯片的增強模式具有自動重發和自動應答功能，中斷信號IRQ用來告訴處理器其接收和發送數據的狀態，使處理器及時根據狀態來做出相應的處理，這些功能大大減少了MCU的工作量。

圖3 車載系統射頻模塊電路

2.3 車載系統低頻喚醒發射電路設計

采用不斷發射低頻125 k Hz電磁波的形式去激活有源標簽，發射芯片采用ATA5276，它能發射頻率為125 k Hz的信號，該芯片驅動天線線圈的峰值電流是可調的，輸出的最大峰值電流可以達到1.5 A，調制方式是ASK調制，波特率可達4 kps，芯片工作電壓范圍為8～24 V。處在待機模式時電流消耗小于50μA，傳輸的125 k Hz電磁波傳給相應的接收器，通過STM32的PD0引腳可以控制該芯片工作。

設置DIO腳與STM32的PD0引腳連接，如圖4所示，PD0引腳平時處于低電平狀態，當PD0發出高電平時，三極管導通，DIO引腳變為低電平，ATA 5276從待機模式轉為工作發射模式；此時，DIO為低電平，L1和C4組成的串聯諧振電路開始起振，125 k Hz能量通過電感以磁場的形式傳播出去，當DIO引腳檢測到低電平時停止諧振。

圖4 車載系統低頻喚醒發射電路

3 系統軟件實現

軟件設計主要包括車載系統程序設計和公交卡程序設計，車載系統程序包括AT24C512存儲器的I2C總線程序、GPS的串口通信程序、nRF24L01和ISD4004的SPI總線程序以及LCD12864的并口程序設計。公交卡程序主要包括nRF24LE1低功耗和防碰撞程序設計，采用的編程語言為C語言，靈活方便。軟件開發平臺是MDK，其集成度高，具有在線仿真和調試功能，非常適合嵌入式開發。

3.1 公交卡軟件設計

公交卡軟件設計要確保標簽信息準確及時地發送出去，并及時接收讀卡器處理完的數據。主要包括三部分：標簽的發射與接收、低功耗設計、防碰撞算法的設計。軟件流程如圖5所示。

圖5 公交卡軟件設計流程圖

3.2 車載系統射頻模塊軟件設計

車載系統射頻模塊nRF24L01的功能是：接收卡片的數據信息，交給處理器處理。與STM32通信采用SPI總線協議，STM32帶SPI口，并且使用STM32庫函數開發，大大簡化了程序設計，只要對接口函數做出相應配置，就可以操作SPI寄存器。nRF24L01 有多種工作模式，本設計主要使用基本的發送和接收模式，為了實現自動應答、自動處理字頭和CRC校驗碼，采用Enhanced ShockBurst TM增強型的模式，這樣簡化了程序設計，減小了處理器的負擔，而且使接收和發送數據更及時準確。軟件實現流程如圖6所示。

圖6 車載系統射頻模塊軟件設計流程圖

結 語

本設計的車載系統需要在前門和后門各設置一個感應裝置，要求乘客前門上車，后門下車。當前門的讀卡器檢測到乘客上車時，公交卡發送信息給車載系統，車載系統做出回應并記錄公交卡發送來的信息。車輛運行時，不發送125 k Hz的喚醒信號，因此公交卡不能被喚醒，只有在車門被打開、乘客靠近讀卡器時，才能被喚醒。當乘客下車、被后門感應器檢測到時，將接收到的公交卡信息與上次檢測到的信息比較，做出相應扣費處理。模擬程序設計是每隔1分鐘，站數加1，表示公交車走了1站，扣費標準為每10站扣1元。采用10張公交卡進行了測試。測試結果表明，該系統能及時完成對卡片的數據讀取和數據處理。

[1]劉啟和，劉輝.ETC電子不停車收費系統的設計與實現[J].電子科技大學，2011（9）.

[2]徐寶魁.有源RFID應用系統設計及防碰撞算法研究[D].成都：電子科技大學，2010.

[3]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]謝雪望.射頻識別閱讀系統的技術研究[D].廈門：廈門大學，2008.

[5]唐云建，梁山，馮會偉，等.低功耗射頻喚醒無線傳感器網絡設計[J].傳感技術學報，2007（10）.