基于CORTEX_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200910154415.3

申请日:

2009.10.23

公开号:

CN101697237A

公开日:

2010.04.21

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G07B 15/00公开日:20100421|||实质审查的生效IPC(主分类):G07B 15/00申请日:20091023|||公开

IPC分类号:

G07B15/00; G06K17/00

主分类号:

G07B15/00

申请人:

浙江工业大学

发明人:

应时彦; 马跃坤; 杨文君; 朱小挺

地址:

310014 浙江省杭州市下城区朝晖六区

优先权:

专利代理机构:

杭州天正专利事务所有限公司 33201

代理人:

王兵;王利强

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内容摘要

一种基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备,包括外壳、计算机接口槽、电源输入接口和电路主板,计算机接口槽和电源输入接口设在外壳表面,电路主板位于外壳内,还包括用于高速公路车辆与控制中心无线通信的GPRS模块和用于获取高速公路车辆的信息的射频RFID模块,GPRS模块连接GPRS天线,电路主板包括用于负责接收读写设备读取的卡片信息,将卡片信息存储并通过GPRS传递给控制中心,并将对应的站点信息和即时信息传递给读写设备以便读写设备将其写入卡片的微处理器。本发明能有效

权利要求书

1: 一种基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备,包括外壳、计算机接口槽、电源输入接口和电路主板,所述计算机接口槽和电源输入接口设在外壳表面,所述电路主板位于所述外壳内,所述计算机接口槽与电路主板的微机接口电路连接,电源输入接口与电路主板的电源端电气连接,其特征在于:所述RFID读写设备还包括用于高速公路车辆与控制中心无线通信的GPRS模块和用于获取高速公路车辆的信息的射频RFID模块,所述GPRS模块与所述电路主板的GPRS接口电路连接,所述GPRS模块连接GPRS天线,所述射频RFID模块连接所述电路主板的射频RFID接口电路,所述电路主板包括用于负责接收读写设备读取的卡片信息,将所述卡片信息存储并通过GPRS传递给控制中心,并将对应的站点信息和即时信息传递给读写设备以便读写设备将其写入卡片的微处理器。
2: 如权利要求1所述的基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备,其特征在于:所述微处理器为基于ARMv7_M架构的Cortex_M3的处理器。
3: 如权利要求1或2所述的基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备,其特征在于:所述射频RFID模块的工作频段为2.45GHz。
4: 如权利要求3所述的基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备,其特征在于:所述外壳上安装状态指示灯孔,用于显示电源、通信以及射频收发的状态指示灯安装在所述状态指示灯孔内,所述状态指示灯与所述电路主板连接。
5: 如权利要求4所述的基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备,其特征在于:所述状态指示灯孔位于所述外壳的正面面板上,所述计算机接口槽位于外壳的正侧面,所述电源输入接口位于计算机接口槽的右方,所述GPRS天线位于外壳的顶部。

说明书


基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备

    【技术领域】

    本发明涉及一种基于Cortex_M3微处理器,融合GPRS联网技术和RFID技术于一体的高速、远距离读写设备,适用于高速公路不停车收费系统中的线路识别设备。

    背景技术

    当前,国内高速公路建设发展很快,尤其在沿海发展地区,高速公路网已经四通八达,从起始地到目的地,不仅跨越不同的行政管理区域,而且往往可以选择多条不同的路线行驶,大大方便了群众,目前高速公路的收费,是根据行车的起点和到终点由电脑按照最近的路线计算费用,同时路权单位由于无法确认车辆行进的线路,无法进行正确的利益分配,即是一个困扰高速公路营运管理多年的全国性难题——二义性路径收费与拆分问题。

    比如沪杭高速在嘉兴与上海交界处设置了收费站、苏嘉高速也在嘉兴浙苏交界处设置了收费站,这是因为如果没有这两个收费站,则到达杭州出口的车辆,计算机无法判断其是从上海方向过来的,还是从苏州方向过来的,因为同样是昆山上高速的车辆既可以走上海路线,也可以走苏嘉高速,所以需要设置上述两处四个收费站定,不但浪费了人力物力,而且降低了行车效率。

    国内高速公路的收费模式,不管是现金交费还是信用卡扣款,目前都采用的是停车收费方式,从而导致了收费路口出现长距离排队的现象,弱化了高速公路所带来的快捷、方便的效果,违背了高速公路畅通无阻的建设宗旨。

    【发明内容】

    为了克服已有的高速公路不停车收费系统的读写设备的不能有效识别汽车线路、增加了中间段的各种收费站、浪费大量人力资源和管理成本、行车效率低的不足,本发明提供一种能够有效识别汽车路线、可以撤销高速公路中间段的各种收费站、节约大量人力资源和管理成本、并提高行车效率的基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备。

    本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

    一种基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备,包括外壳、计算机接口槽、电源输入接口和电路主板,所述计算机接口槽和电源输入接口设在外壳表面,所述电路主板位于所述外壳内,所述计算机接口槽与电路主板的微机接口电路连接,电源输入接口与电路主板的电源端电气连接,所述RFID读写设备还包括用于高速公路车辆与控制中心无线通信的GPRS模块和用于获取高速公路车辆的信息的射频RFID模块,所述GPRS模块与所述电路主板的GPRS接口电路连接,所述GPRS模块连接GPRS天线,所述射频RFID模块连接所述电路主板的射频RFID接口电路,所述电路主板包括用于负责接收读写设备读取的卡片信息,将所述卡片信息存储并通过GPRS传递给控制中心,并将对应的站点信息和即时信息传递给读写设备以便读写设备将其写入卡片的微处理器。

    进一步:所述微处理器为基于ARMv7_M架构的Cortex_M3的处理器。

    再进一步,所述射频RFID模块的工作频段为2.45GHz。

    所述外壳上安装状态指示灯孔,用于显示电源、通信以及射频收发的状态指示灯安装在所述状态指示灯孔内,所述状态指示灯与所述电路主板连接。

    所述状态指示灯孔位于所述外壳的正面面板上,所述计算机接口槽位于外壳的正侧面,所述电源输入接口位于计算机接口槽的右方,所述GPRS天线位于外壳的顶部。

    本发明的技术构思为:基于无线射频技术RFID技术,利用电子标签作为信息的载体,设计开发高速、远距离、高可靠的RFID读写设备,一方面作为车辆行驶的路径识别设备,完成对高速运行车辆信息的识别和记录,从而实现车辆行进线路的自动识别,解决二义性路径拆分,实现利益的合理分配。另一方面利用远距离RFID读写器,还可以实现车辆的不停车收费,解决高速公路出口车辆拥堵问题,因此,作为智能交通地关键设备,研究高速公路专用的高速、远距离、高可靠的RFID读写设备,具有十分重要的现实意义。

    本发明的有益效果主要表现在:1、本发明主控部分采用基于ARMv7_M架构的Cortex_M3为处理器,中心Cortex-M3内核使用3级流水线哈佛架构,运用分支预测、单周期乘法和硬件除法功能实现了出色的效率1.25DMIPS/MHz。Thumb-2指令集结合非对齐数据存储和原子位处理等特性,轻易以8位、16位器件所需的存储空间就实现了32位性能。2、Cortex-M3处理器是专门为那些对成本和功耗非常敏感但同时对性能要求又相当高的应用而设计的,缔造了$1的价格神话,提供了无与伦比的竞争力。以此为基础开发的读写器不但性能大大提高,成本也有效降低。3、系统射频RFID部分工作在2.45GHz微波段,利用其电波能量高,损耗小,电波更集中,方向性更强,通讯速率高(1Mbps)的特点,可以实现更远的传输距离50m,达到高速的传输速度。4、GPRS功能的设计不仅为无线数据传输提供了方便,也为系统扩展替代网络布线等节约了成本。5、当投入实际应用后,撤销高速公路线路中间段的各种收费站,其结果是不但大大提高了行车效率,而且将收费分配以实际行车路线实行全国一盘棋划帐,从而节约大量人力资源和管理成本。6、增加RFID车辆票卡的收费方式,使这部分车辆可以实现在收费出入口不停车,减少拥堵现象和出口收费站有人通道。

    【附图说明】

    图1是本发明的RFID读写设备的外形结构示意图。

    图2是本发明的RFID读写设备的电路方框图。

    图3是本发明的RFID读写设备电路原理图中存储、时间等功能模块图。

    图4是本发明的RFID读写设备电路原理图中RFID功能模块图。

    图5是本发明的RFID读写设备电路原理图中GSM功能模块图。

    图6是本发明的RFID读写设备电路原理图中指示灯模块图。

    图7是本发明的RFID读写设备电路原理图中电源功能模块图。

    图8是本发明的RFID读写设备工作流程程序方框图。

    图9是射频部分读写电子标签流程程序方框图。

    图10是适用于本发明的有源RFID卡的程序流程方框图。

    【具体实施方式】

    下面结合附图对本发明作进一步描述。

    参照图1~图10,一种基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备,包括外壳1、计算机接口槽3、电源输入接口4和电路主板8,所述计算机接口槽3和电源输入接口4设在外壳1表面,所述电路主板8位于所述外壳1内,所述计算机接口槽3与电路主板8的微机接口电路连接,电源输入接口4与电路主板8的电源端电气连接,所述RFID读写设备还包括用于高速公路车辆与控制中心无线通信的GPRS模块6和用于获取高速公路车辆的信息的射频RFID模块7,所述GPRS模块6与所述电路主板的GPRS接口电路连接,所述GPRS模块6连接GPRS天线,所述射频RFID模块7连接所述电路主板8的射频RFID接口电路,所述电路主板8包括用于负责接收读写设备读取的卡片信息,将所述卡片信息存储并通过GPRS传递给控制中心,并将对应的站点信息和即时信息传递给读写设备以便读写设备将其写入卡片的微处理器。

    本实施例的RFID读写设备的外形结构示意图如图1左所示,主板电路实物图如图1右所示,其电路方框图如图2所示,其实施例之一的电路原理图如图3~图7所示,其工作流程图如图8所示,其射频部分读写电子标签流程程序方框如图9所示,其适用于本发明的有源RFID卡的程序流程方框图如图10所示。本发明的读写器由外壳1、状态指示灯孔2、计算机接口槽3、电源输入接口4、GPRS天线孔5、GPRS模块6、射频RFID模块7、电路主板8共同安装连接构成,其相互位置及连接关系为:状态指示灯孔2位于外壳1的正面面板上,对应与电路主板的电源、485通信、射频收发指示灯;计算机接口槽3位于外壳1的正侧面,计算机接口槽3安装有针式并行接插件并分别通过各自信号线与电路主板上相应点相电气连接,电源输入接口4位于外壳的正侧面计算机接口槽3的右方,并和电路板上的电源端点相电气连接;GPRS天线孔位于外壳1的顶部,连接在GPRS模块6上的天线可以通过天线孔延伸到外壳外面;GPRS模块6通过排针安插于电路主板8上;射频RFID模块7通过排针安插于电路主板8上;其电路主板8由微处理器电路、微机接口电路、存储器电路、实时时钟电路、GPRS接口电路、射频RFID接口电路共同电气连接构成,其相互连接关系为:微处理器电路分别通过微机接口信号线、存储器信号线、实时时钟信号线、GPRS信号线、射频RFID接口信号线相电气连接;其中:微处理器电路由ARMv7_M架构的Cortex_M3微处理器组成的最小系统单元构成;微机接口电路由485通信芯片MAX3082A构成;存储器电路由快闪存储器W25X16A及微处理器内快闪存储器共同电气连接构成;实时时钟电路由实时时钟芯片PDF8563构成;GPRS接口电路由GPRS模块的连接排线TC35B、SIM卡插槽芯片SIM1共同连接构成;射频RFID接口电路由射频RFID模块插槽和微控制器电气连接构成。

    本实施例的读写器工作过程可以分为三部分:微处理器LM3S6911负责的工作过程,射频RFID模块负责的读写卡过程,有源RFID卡的工作过程。现结合其各自对应的程序流程图说明如下:

    如图8所示为微处理器LM3S6911的工作程序流程图。微处理器主要负责接收读写设备读取的卡片信息,将这些信息存储、通过GPRS传递给控制中心,并将对应的站点信息和即时信息传递给读写设备以便读写设备将其写入卡片。详细的工作过程为:系统初始化完成之后,进入等待接收的卡片数据,如果等待接收超时,则返回继续等待接收;如果接收到上传的卡片数据,则将接收到的数据存入快闪存储器,并通过GPRS送至控制中心,同时,LM3S6911把对应的站点信息和此刻的时间信息下传下去以便将其写入卡片,对应的LED闪烁。

    如图9所示为射频RFID部分的读写工作程序流程图。系统间歇性的发送约定好的广播信号,当有某张卡片应答时,读写器就锁定卡片、建立信道与之进行数据交互。详细的过程为:系统初始化完成之后,进入发送广播包状态,发出约定好的广播包;然后转入接收状态,等待接收与之对应的卡片信息;如果接收等待超时,则返回重发广播包;如果接收到卡片的数据信息,则接收对应的LED闪烁,同时,将接收到的数据信息送至上位机LM3S6911,并把由LM3S6911传来的站点信息和时间信息发送出去以便将其存储于卡内,对应的发送LED闪烁。

    如图10所示为适用于本系统的有源RFID卡的程序流程图。卡片平时处于待机或休眠模式,当进入对应的读写区域,如果收到约定好的广播信号,则唤醒开始工作,与读写器进行数据交互。详细的工作过程为:系统初始化完成之后,进入待机模式,等待接收约定好的广播信号,如果接收超时,则返回继续接收;如果接收到约定好的广播信号,卡片唤醒工作,把卡片内的数据本系统主要是ID号发送出去;然后转为等待接收状态,开始接收读写设备发送过来的站点信息和即时信息。如果接收等待超时,则返回重发卡片内的数据;否则若收到对应的站点信息和即时信息,则将这些站点信息和即时信息存入卡内,系统转为待机或休眠模式。

    按图1左所示,可选择铝合金材料或者塑料材料,并采用冲压等机加工方法加工制造本读写器的外壳,在机壳1的正面板上设置并冲压与电路板上LED对应大小圆孔2,在机壳1的正侧面留设并冲压安装计算机接口件的接口槽3和电源输入接口孔4。其中,计算机接口件可选针式并行接口件,电源输入接口件可选择普通插拔式直流输入接口件。

    按图2、图3~图7所示绘制电路板,然后筛选元器件进行安装连接,例如:处理器选择TI公司ARMv7_M架构的Cortex_M3_LM3S6911微处理器芯片,中心Cortex-M3内核使用3级流水线哈佛架构,运用分支预测、单周期乘法和硬件除法功能实现了出色的效率1.25DMIPS/MHz。Thumb-2指令集结合非对齐数据存储和原子位处理等特性,轻易以8位、16位器件所需的存储空间就实现了32位性能。片内集成256K字节的快闪存储器,程序可反复多次地直接写到芯片上。微机接口电路中的485通信芯片选择MAX3082A芯片。存储器电路中的存储器芯片选择快闪存储器W25X16A,它是16M字的大容量、低功耗的高效快闪存储器,用于存储专门为本系统所定制的控制程序以及存储大量的数据信息;快闪存储器上的软件由LM3S6911控制器执行。实时时钟芯片选择PCF8563,PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟日历芯片,它提供一个可编程时钟输出,一个中断输出和掉电检测器,所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbits/s,每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。GPRS模块选择西门子TC35i模块,TC35i新版西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块,工作在EGSM900和GSM1800双频段,电源范围为直流3.3~4.8V,电流消耗——休眠状态为3.5mA,空闲状态为25mA,发射状态为300mA(平均),2.5A峰值;可传输语音和数据信号,功耗在EGSM900(4类)和GSM1800(1类)分别为2W和1W,通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V/1.8V,TC35i的数据接口(CMOS电平)通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s~115kb/s,自动波特率为1.2kb/s~115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service,短消息),可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。TC35i由供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口等6部分组成。作为TC35i的核心基带处理器主要处理GSM终端内的语音和数据信号,并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。射频RFID模块核心芯片选择北欧集成电路公司Nordic的nRF24LE1,nRF24LE1是集成有2.4GHz无线收发器、增强型8051、ADC和其它外设的一款高集成度无线收发芯片,适用于各种无线设备的远距离互连应用场合,工作于ISM工业、科学和医学频段。该器件有125个频点,能够实现点对点、点对多点的无线通信,同时可采用改频和跳频来避免干扰。它体积小,功耗低、设计所需外围元件少,有很大的价格优势。

    通过以上关键器件以及其它电子元器件的筛选安装,最终制成的主板电路实物效果图如图1右所示。

    按图8~图10所示编写各部分软件程序,并把编好的软件程序烧写到各部分对应的芯片中;系统上电后,电源指示灯LED亮,首先自动进行硬件的复位,然后,软件对相关的存储器进行初始化,再进入主程序的执行。读写器发送数据信号时候即:发送广播信号或者写卡,对应的发送指示灯LED闪烁,代表射频RFID发送数据正常;读写器接收数据信息时候(即:读卡),对应的接收指示灯LED闪烁,代表射频RFID接收数据正常;读写器通过GPRS将数据传送给后台控制系统的时候,对应的GPRS指示灯LED闪烁,代表GPRS传输数据正常;如果通过计算机接口软件和读写器交互数据,则对应的计算机接口指示灯即485通信指示灯LED闪烁,代表通信、数据交互正常。整个系统具有智能化识别、简单易用的特点,使用者只需将其放置于适当的读写点,给予上电,系统便可自动运行工作。

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一种基于Cortex_M3和GPRS的高速公路不停车收费系统的线路识别RFID读写设备,包括外壳、计算机接口槽、电源输入接口和电路主板,计算机接口槽和电源输入接口设在外壳表面,电路主板位于外壳内,还包括用于高速公路车辆与控制中心无线通信的GPRS模块和用于获取高速公路车辆的信息的射频RFID模块,GPRS模块连接GPRS天线,电路主板包括用于负责接收读写设备读取的卡片信息,将卡片信息存储并通过GP。

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