基于蓝牙技术的公路车辆无线收费系统的研究

基于蓝牙技术的公路车辆无线收费系统的研究
杨帆
【摘要】：蓝牙是一个开放的无线局域网协议。

它为在有限距离内的信息设备的语音和数据传输提供了射频连接的可能性。

这项技术取代了设备对电缆的依赖，并且可以使连接设备组成网络模式工作。

蓝牙之所以受到关注，最重要的是因为它是无线连接的全球标准。

它的制定是以取代电缆，并且以低成本、易操作、稳定性为基本出发点而考虑的。

这些对蓝牙技术的要求不仅提出了许多挑战，同时也给了它很多机遇。

蓝牙技术采用跳频扩展频谱（FHSS）技术，它的设计要求是极低的功耗、相当低的成本和抗干扰性能强。

蓝牙系统包括射频单元、基带连接控制单元和连接管理软件，还包括一些上层的相应功能软件。

根据交通部统计：截至1998年底，全国共有公路收费站点3112个，收费公路里程达9520 9千米，收费桥梁（隧道）433778个，收费人员15.5万人。

预计到了2005年，这一数据将上升2倍。

车辆驶过收费站需减速，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。

国内的公路收费系统已构成一个庞大的网络，收费方式和管理手段显得越来越重要。

由于电脑人工收费系统（MTC）速度较慢，极大地影响了出入口收费站的通行能力，因此电子无线收费系统（ETC）是一个很好的解决方案。

基于蓝牙技术的公路车辆无线收费系统是一种先进的路费收费系统，系统运用先进的蓝牙技术，能够极大地提高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。

优点是免人工收费、免现金、免找钱、免停车等待、大大方便了道路使用者；易于各单位财务管理等，从根本上杜绝作弊现象；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。

该系统的特点是：(1)系统先进。

蓝牙射频信号全向无线识别高速运行车辆；可获知ID号、车种、车类和车辆参数等文字甚至图片信息；具有双向通信和信息WP=121 交互功能，将每次收费的情况通知司机；缩短车辆进出高速公路时的停车时间，通行速度比人工收费车道提高4-6倍；(2)工作安全。

蓝牙的加密和鉴权措施，实现数据的安全管理，系统可靠性高。

(3)操作简易。

整个收费系统均采用友好的窗口菜单界面，无需专业人员就可以很容易学会对各个系统的操作。

(4)实现了市政设施的科学管理。

电子货币取代现金及预警及分配车道功能，大大方便了道路使用者与交通管理系统、ETC、结算系统紧密融合,为管理部门自动提供车辆超速记录，年检情况、缴费情况以及司机的违章积分情况等。

为完成本课题，我们广泛研究了1999年蓝牙SIG公布的1.0b版本协议规范以及2003年最新的1.2版本协议规范，并对蓝牙组网模式、蓝牙基带部分规范、蓝牙的信息安全机制与关键算法等都有了深刻理解。

参照蓝牙规范，利用爱立信生产的蓝牙模块设计了由蓝牙技术构建的公路无线收费系统，并且开发了相应的串行口和USB驱动程序及管理软件。

实验阶段已经可以实现车辆在不停车的情况下与收费站进行无线互联并交费的功能。

此外，为了进一步的研究需要，我们还对蓝牙的局域网接入剖面技术作了一定的理论研究，以便将来将本系统升级为一个车辆和公路收费站的信息平台。

作为蓝牙的一个新的应用，这项技术不仅能够彻底改变现行公路收费系统的低效和不足，而且为将来数字信息公路的建设创建了一个崭新的样本，有着较大的研究与经济价值。

本课题的研究内容“蓝牙公路无线收费系统”已经申请国家实用新型专利与发明专利。

全文共分六章。

第1章为引言，概述了蓝牙技术的特点、现状与未来并介绍了本文的工作。

第2章重点分析了蓝牙技术的理论，包括蓝牙无线部分规范、蓝牙基带部分规范、信道控制和网络控制、链路管理器协议、逻辑链路控制和适配协议规范，蓝牙的信息安全机制以及关键算法改进。

第3章重点分析了由蓝牙技术构建的公路车辆无线收费系统的硬件设计与实现。

依据本课题实现系统预期性能指标选择了ROK 101 007 WP=122 系列蓝牙芯片作为核心芯片。

整个硬件系统由两个重要部分组成：车道固定端蓝牙检测器、车载蓝牙卡。

车道固定端蓝牙检测器的设计重点与难点是蓝牙模块如何通过USB接口与微机进行通信。

通过对USB HCI通信模式进行分析，设计了满足系统要求的外围电路。

车载蓝牙卡也是设计的重点之一，文中详细叙述了串口驱动蓝牙模块的硬件电路实现、HCI UAR T传输模式以及PCM接口规范、数据与语音同步无线传输的实现、车载蓝牙卡的单片机控制的实现等。

对于硬件设计中的其他问题，比如电源干扰、信号线滤波、电路板布局、节能设计等也做了一定探讨。

该章的结尾对蓝牙天线的设计与选择也进行了分析。

第4章是介绍本系统的软件实现。

分别叙述了USB数据传输系统的程序设计、车道微机的信息管理系统以及车载蓝牙卡的软件设计。

USB数据传输系统完成车道固定端蓝牙检测器与微机系统之间的数据通信与协同工作。

车道微机的信息管理系统主要功能是完成对车辆蓝牙地址的识别、车辆计费、与车辆之间的信息传输等。

车载蓝牙卡的应用软件主要是实现单片机与蓝牙模块之间的数据通信、单片机对蓝牙模块的控制功能等。

第5章对蓝牙局域网接入剖面技术做了初步研究。

主要包括：剖面概述、应用层、PPP、RFC OMM、业务发现
【关键词】：蓝牙公路车辆无线收费
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TN99
【DO I】：CNKI:CDMD:2.2004.100594
【目录】：
∙第1章引言7-16
∙ 1.1 蓝牙概述7-9
∙ 1.2 蓝牙的现状与未来9-11
∙ 1.3 本文的工作11-16
∙第2章蓝牙协议规范的研究16-48
∙ 2.1 蓝牙协议规范概述16-18
∙ 2.2 蓝牙无线部分规范18-20
∙ 2.2.1 发射器特性18-19
∙ 2.2.2 接收器特性19-20
∙ 2.3 蓝牙基带规范20-24
∙ 2.3.1 物理信道21
∙ 2.3.2 物理链路和分组21-22
∙ 2.3.3 发送和接收例程和发送接收定时22-24 ∙ 2.4 信道控制和网络控制24-25
∙ 2.4.1 蓝牙时钟24
∙ 2.4.2 接入过程24-25
∙ 2.4.3 查询过程和连接状态25
∙ 2.5 链路管理器协议25-28
∙ 2.5.1 LMP概述25-26
∙ 2.5.2 过程规则和PDU26-27
∙ 2.5.3 建立连接27-28
∙ 2.6 逻辑链路控制和适配协议规范28-33
∙ 2.6.1 常规操作29-30
∙ 2.6.2 状态机30-32
∙ 2.6.3 服务发现协议32
∙ 2.6.4 适配协议32-33
∙ 2.7 主机控制器接口功能规范33-37
∙ 2.7.1 HC I概述33-35
∙ 2.7.2 HC I命令和事件35-36
∙ 2.7.3 HC I RS-232传输层36-37
∙ 2.8 蓝牙的信息安全机制与关键算法37-48
∙ 2.8.1 蓝牙的安全机制37-41
∙ 2.8.2 加密规程41-48
∙第3章系统的硬件设计与实现48-68
∙ 3.1 核心蓝牙模块48-52
∙ 3.2 车道固定端USB蓝牙检测器的设计52-56 ∙ 3.2.1 USB HCI 通信模式52-54
∙ 3.2.2 固定端检测器的USB硬件电路设计54-56 ∙ 3.3 车载蓝牙卡的硬件电路设计56-62
∙ 3.3.1 串口驱动蓝牙模块的实现57
∙ 3.3.2 HC I UAR T传输模式57-58
∙ 3.3.3 PC M接口规范58-59
∙ 3.3.4 数据和语音同步无线传输的实现59-62
∙ 3.3.5 车载蓝牙卡的单片机控制62
∙ 3.4 蓝牙硬件设计中的其他问题62-64
∙ 3.4.1 电源干扰63
∙ 3.4.2 信号线滤波63-64
∙ 3.4.3 电路板布局64
∙ 3.4.4 节能设计64
∙ 3.5 蓝牙天线的设计和选择64-68
∙ 3.5.1 天线的重要参数65
∙ 3.5.2 蓝牙天线应用要求及分类65-68
∙第4章系统的软件设计实现68-99
∙ 4.1 USB数据传输系统的程序设计68-86
∙ 4.1.1 WDM简介69-73
∙ 4.1.2 车道固定端蓝牙检测器硬件部分的程序设计73-86 ∙ 4.2 车道微机的信息管理系统86-94
∙ 4.2.1 用户界面与软件关键功能说明86-90
∙ 4.2.2 自动收费计算机网络系统90-94
∙ 4.3 车载蓝牙卡的软件设计94-99
∙第5章蓝牙局域网接入剖面技术的研究99-111
∙ 5.1 蓝牙局域网接入剖面简介99-100
∙ 5.2 剖面概述100-103
∙ 5.3 用户接口方面103-104
∙ 5.4 应用层104-105
∙ 5.5 PPP105-106
∙ 5.6 RFCOMM106-107
∙ 5.7 业务发现107
∙ 5.8 L2CAP107
∙ 5.9 链路管理107-108
∙ 5.10 链路控制108-109
∙ 5.11 管理实体程序109-111
∙第6章总结111-113
∙参考文献113-119
∙致谢119-120
∙摘要120-123
∙ABSTRAC T123-126。