基于CC2430的城市車輛限行系統(tǒng) - 全文

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　　車輛限行作為一種卓有成效的解決城市交通擁堵措施，經(jīng)過了實踐的證實，其效果也得到了社會的肯定。大多數(shù)城市進行車輛限行采用的是根據(jù)車牌尾號限行的方案，如單雙號限行措施。根據(jù)車牌號進行限行有一系列缺點：限行號碼、時間和路段過于混亂，難于記憶掌握;另一方面，限制了一些確實需要出行的車輛，對一些市民日常生活秩序造成一定程度的影響;甚至有一些家庭通過購買第二輛車來逃避車輛限行，使得與限行的初衷南轅北轍。

　　針對以上情況，本文將單片機技術(shù)和射頻識別技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計了一套統(tǒng)計車輛出行天數(shù)的裝置。車輛加裝電子標簽與道路上采集單元實現(xiàn)信息交互，道路采集單元識別并記錄車輛信息。將車牌信息發(fā)送至交控中心服務(wù)器，由出行天數(shù)計算系統(tǒng)，計算出車輛的出行天數(shù)，作為收取擁堵費依據(jù)，從而實現(xiàn)車輛限行目的。

　　1 城市車輛限行方法

　　目前城市車輛限行主要是根據(jù)車輛車牌尾號進行限行。如北京，根據(jù)車牌尾號將車輛分為不同的幾組，一周內(nèi)每天分別指定一組或幾組尾號的車輛限行。此方法采用行政手段，強制性限制車輛出行，不夠人性化。

　　本文提出，根據(jù)車輛出行天數(shù)收取擁堵費，實現(xiàn)車輛限行的目的。系統(tǒng)模擬圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由車輛電子標簽、采集單元和交控中心擁堵費計算系統(tǒng)組成。當車輛經(jīng)過橫跨車道上空的龍門架時，龍門架上安裝識別單元，激活電子標簽工作電路，車輛電子標簽和識別單元進行信息交互，將車牌信息發(fā)送至識別單元。采集單元接收車牌信息，存儲于內(nèi)部芯片，并定時發(fā)送所存儲數(shù)據(jù)至交控中心服務(wù)器。車輛電子標簽由射頻芯片和微處理器組成。道路上方采集單元包括射頻信號接收模塊，控制模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。其中射頻信號接收模塊由接收天線和閱讀器組成。控制模塊控制數(shù)據(jù)的接收、存儲和發(fā)送。

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　　交控中心擁堵費計算系統(tǒng)主要功能是車輛出行天數(shù)統(tǒng)計和擁堵費計算。本文主要研究車輛出行天數(shù)的獲得，對于擁堵費計算部分，各城市可根據(jù)自身實際情況，依據(jù)車輛的出行天數(shù)，制定擁堵費收取方案。

　　系統(tǒng)功能框圖見圖2，主要工作分為三個階段。

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　　1.1 無線射頻信號收發(fā)階段

　　當車輛通過安裝了采集單元的龍門架前方附近時，處于采集單元內(nèi)部閱讀器天線的輻射區(qū)，電子標簽開始發(fā)送加密載波信號至閱讀器。二者之間屬于微波通信，通信工作頻率達2.4 GHz。對已接收車輛電子標簽采用休眠-喚醒-休眠方式控制數(shù)據(jù)發(fā)送，避免車輛信息重復發(fā)送，降低功耗。

　　采用ALHOLA時分算法進行多個車輛的識別，防止多個標簽信息發(fā)送發(fā)生碰撞。電子標簽和閱讀器之間的數(shù)據(jù)傳送采用驗證和加密方式保證數(shù)據(jù)傳送安全。

　　閱讀器解調(diào)接收信息后，將數(shù)據(jù)送至控制模塊。

　　1.2 控制模塊信息處理及數(shù)據(jù)發(fā)送

　　控制模塊首先根據(jù)車牌前兩位判斷是否為本市車輛(只記錄本地車輛出行數(shù)據(jù))。若為本市車輛，則存入，否則繼續(xù)判讀下一條信息。將車牌信息結(jié)合當天日期進行編碼，存入存儲器。

　　控制模塊選用微處理器作為控制芯片，外接存儲芯片保存數(shù)據(jù)。選用以太網(wǎng)控制器芯片通過RJ45接口，連接外部以太網(wǎng)絡(luò)。傳輸協(xié)議遵守標準TCP/IP協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送至交控中心服務(wù)器。

　　1.3 擁堵費計算系統(tǒng)

　　采集單元將當天車輛出行信息發(fā)送至交控中心服務(wù)器。對各個單元內(nèi)車輛出行信息進行篩選，去除重復數(shù)據(jù)，得出車輛當天的出行信息。

　　月底或年終，對車輛出行信息進行統(tǒng)計，得出車輛每月或每年總的出行天數(shù)，然后可根據(jù)車輛出行天數(shù)進行擁堵費收取。

　　交控中心應(yīng)對安裝采集單元的路段以及擁堵費收取費率作必要公示。每月以短信方式通告車主當月出行天數(shù)以及應(yīng)繳擁堵費數(shù)額。年底，交控中心匯總計算車輛當年應(yīng)繳擁堵費，并通知車主擁堵費繳納時間。對于逾期不交、拖欠等行為，交管中心可對車輛進行適當罰款，以作必要警示。對于故意人為破壞電子標簽等逃避車輛識別行為，采取教育、罰款等方式，確保車輛識別率，提高城市車輛限行效果。

　　2 硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中主要包括射頻收發(fā)芯片CC2430、以太網(wǎng)控制器RTL8019AS、存儲芯片、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。CC2430芯片在發(fā)送端自動完成對數(shù)據(jù)信號的打包、編碼、調(diào)制，轉(zhuǎn)換為RP、信號后通過后端輸入/輸出匹配電路送入天線，完成信號發(fā)送。接收端將從天線接收到的有用信號通過CC2430解調(diào)、拆包，并進行CRC校驗，最終存儲數(shù)據(jù)。CC2430芯片內(nèi)部的8051單片機，控制以太網(wǎng)控制器RTL8019AS進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，用到的主要芯片有RTL8019AS，CSl93C46(64×16 b的E2PROM)，74HC573(8位鎖存)，62256(32KBRAM)。為分配好地址空間，采用CSI93C46進行讀(或?qū)?操作來設(shè)置RTL8019AS端口的I/O基地址和以太網(wǎng)物理地址。8051作為中央處理器，可控制射頻芯片休眠或者將其喚醒，進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。8051的兩個外部中斷輸入端分別接開關(guān)K1和K2。開關(guān)K1的功能在于使用外部中斷退出單片機的掉電模式，開關(guān)K2的功能在于實現(xiàn)單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)發(fā)送控制。8051單片機作為中央處理器不僅需要控制無線信號收發(fā)，同時還要對以太網(wǎng)控制器進行控制，在軟件設(shè)計中需要判別車牌信息是否為本市車輛，對數(shù)據(jù)進行存儲，按照時鐘定時發(fā)送或者接收交控中心發(fā)出的控制信號進行數(shù)據(jù)發(fā)送操作;射頻收發(fā)芯片主要作為該系統(tǒng)的發(fā)送、接收設(shè)備，它用來實現(xiàn)車輛信息的給定，主要作用在于它可以實現(xiàn)電子標簽和采集單元的數(shù)據(jù)交互;RTIL8019AS芯片，主要作用是實現(xiàn)單片機和遠程PC通過以太網(wǎng)實現(xiàn)相互通信，將8051的串行口改為能介入以太網(wǎng)的RJ 45接口，數(shù)據(jù)傳輸遵循標準TCP/IP協(xié)議。

　　2.1 電子標簽&閱讀器

　　CC2430是真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案，能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHzISM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。它結(jié)合了高性能的2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和1顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC2430在單個片上集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，使用1個8位MCU(8051)，具有32 KB/64 KB/128 KB的編程閃存和8 KB的RAM，還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時器(Timer)、AES-128安全協(xié)處理器、看門狗定時器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。CC2430的8051內(nèi)核的目標代碼兼容標準8051微處理器，可以使用標準8051的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。其21個可編程I/O引腳均可以通過軟件設(shè)定1組SFR寄存器的位和字節(jié)，使這些引腳作為通常的I/O口或者作為接ADC、定時器或USART部件的外圍設(shè)備I/O口使用。

　　CC2430電路連接圖如圖3所示。電路選用CC2430芯片作為電子標簽以及采集單元內(nèi)閱讀器的核心部件。選用1個32.768 kHz的石英諧振器和2個電容組成32.768 kHz的晶振電路;選用1個32 MHz的石英諧振器和2個電容組成32 MHz的晶振電路(具體晶振電路圖省略)。電壓調(diào)節(jié)器可為所有要求1.8V電壓的內(nèi)部電源供電，電容是用來作為電源濾波的去耦合電容，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。電路中J2是I/O引腳JTAG仿真器接口。J1是CC2430芯片擴展輸出口，在擴展輸出口上主要預留了SPI口和整個P0 I/O口。設(shè)計了2個發(fā)光二極管指示燈，作為電路調(diào)試指示燈。使用1個非平衡天線，為了使天線性能更好，在天線與CC2430之間連接了1個非平衡變壓器。非平衡變壓器由電容和三個電感以及1個PCB微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。

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　　在電子標簽中，由微控制芯片8051對CC2430進行控制，并通過SPI口將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入CC2430，CC2430自動完成對數(shù)據(jù)信號的打包、編碼、調(diào)制，轉(zhuǎn)換為RF信號后通過后端輸入/輸出匹配電路送入天線，完成信號發(fā)送。采集單元閱讀器中數(shù)據(jù)接收將從天線接收到的有用信號通過CC2430解調(diào)、拆包，并進行CRC校驗，然后送入微控制器芯片進行處理，通過RS 232轉(zhuǎn)換芯片進行輸出。經(jīng)過上述過程，進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，RF收發(fā)器設(shè)計原理圖如圖4所示，虛線部分為閱讀器部分，通過RS 232串口送至以太網(wǎng)控制器。

　　2.2 以太網(wǎng)控制器

　　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸部分，選用Realtek公司的RTL8019AD以太網(wǎng)控制器，性能優(yōu)良、價格低廉，在市場上占有相當大的比例。其主要性能如下：

　　(1)符合EthernetⅡ與IEEE 802.3(10Base5，10Base2，10BaseT)標準;

　　(2)全雙工，收發(fā)可同時達到10 Mb/s的速率;

　　(3)內(nèi)置16 KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求;

　　(4)支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及16個基地址選擇;

　　(5)支持UTP，AUI，BNC自動檢測，還支持對10BaseT拓撲結(jié)構(gòu)的自動極性修正;

　　(6)允許4個診斷LED腳可編程輸出;

　　(7)100腳的PQFP封裝，縮小了PCB尺寸。

　　圖5給出了8051單片機控制RTL8019AS的接口電路，實現(xiàn)與以太網(wǎng)通信，網(wǎng)絡(luò)接口采用UTP RJ 45接口。用到的主要芯片有RTL8019AS，CSI93C46(64×16 b的E2PROM)，74HC573(8位鎖存器)，62 256(32 KB的RAM)。

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　　為分配好地址空間，采用對CSI93C46進行讀(或?qū)?操作來設(shè)置RTL8019AS的端口I/O基地址和以太網(wǎng)物理地址。CSI93C46是采用4線SPI串行接口的Serial E2PROM，容量為1 Kb，主要保存RTL8019AS的配置信息。RTL8019AS通過控制CSI93C46的CS，SK，DI引腳，通過ESDO接收CSI-93C46的DO引腳的狀態(tài)。RTL8019AS復位后讀取CSI93C46的內(nèi)容并設(shè)置內(nèi)部寄存器的值，如果CSI93C46中內(nèi)容不正確，就無法正常工作。先通過編程器把配置好的數(shù)據(jù)寫入CSI93C46，再焊入電路。

　　采用10BaseT布線標注通過雙絞線進行以太網(wǎng)通信，而RTL8019AS內(nèi)置了10BaseT收發(fā)器，所以網(wǎng)絡(luò)接口的電路比較簡單。外接一個隔離LPF濾波器0132，TPIN+/-為接收線，TPOUT+/-為發(fā)送線，經(jīng)隔離后分別與RJ 45接口的RX+/-，TX+/-端相連。

　　時鐘電路通過T1，T2接一個20 MHz晶振以及2個電容，實現(xiàn)全雙工方式。

　　LED0，LED1各接一發(fā)光二極管以反映通信狀態(tài)：LED0表示LED_COL，即通信有沖突;LED2表示LED_RX，即接收到網(wǎng)上的信息包。

　　2. 3 硬件傳輸性能及功耗

　　自由空間傳播距離與發(fā)射功率、接收靈敏度以及所使用的載波頻率有關(guān)，其數(shù)學表達式為：

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　　式中：d為傳播距離;Lp為自由空間損耗;c為光速;f為載波頻率。由理論計算可知，CC2430最遠識別距離可達1 500 m。實際中，由于外接干擾、障礙物遮擋和空氣質(zhì)量等因素影響，識別距離無法達理論長度。表1給出了利用CC2430實現(xiàn)遠距離收發(fā)數(shù)據(jù)的測試結(jié)果。設(shè)數(shù)據(jù)包大小為32 B，數(shù)據(jù)速率為1 MHz。由電子標簽到采集單元、和從采集單元到電子標簽分別發(fā)送100個數(shù)據(jù)包，記錄接收到正確數(shù)據(jù)包的數(shù)量?？梢?，在40 m以內(nèi)的范圍內(nèi)，采集單元可以實現(xiàn)對車輛全部的識別，不會發(fā)生丟包現(xiàn)象。在實際使用中可能會遇到其他種種干擾，抗干擾能力是系統(tǒng)需要考慮的問題之一。

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　　系統(tǒng)均選用較低功耗器件，電子標簽中有源器件包括電壓轉(zhuǎn)換芯片、CC2430，它們的工作電流分別為3.5μA，27 mA(接收)/25 mA(發(fā)送)。且采用休眠-喚醒-休眠的工作方式，休眠時功耗更低。只需加裝電池，即可滿足3～5年的使用。實現(xiàn)低成本、低功耗、高性能的系統(tǒng)需求。

　　3 軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計分為CC2430進行無線收發(fā)部分和單片機控制以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸部分。軟件設(shè)計的難點在于射頻芯片數(shù)據(jù)的收發(fā)，下面主要介紹射頻數(shù)據(jù)收發(fā)控制以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送控制，對這兩方面的操作處理做簡要分析。

　　3.1 射頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

　　電子標簽和采集單元之間的數(shù)據(jù)傳輸遵循ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。ZigBee協(xié)議是在IEEE 802.15.4標準基礎(chǔ)上建立的，工作于免授權(quán)的2.4 GHz頻段，其規(guī)定了有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標準。由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實體提供全部其他服務(wù)。每個服務(wù)實體通過一個服務(wù)接入點(SAP)為上層提供服務(wù)接口，并且每個SAP提供一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能，ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)模型如圖6所示，IEEE 802.15.4標準定義了物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC);ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計。其中應(yīng)用層框架主要包括3部分：應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和由制造商制定的應(yīng)用對象。

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　　ZigBee協(xié)議棧很好地解決了網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)問題，整個協(xié)議棧的安全性好，層次性強，功耗低，可以實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在ZigBee 2006協(xié)議棧中已經(jīng)將CC2430的底層驅(qū)動全部固化在協(xié)議棧中，可以直接調(diào)用。選用CC2430芯片作為無線通信模塊硬件核心芯片，軟件部分選用ZigBee 2006協(xié)議棧來實現(xiàn)無線模塊之間的通信功能。

　　3.2 射頻數(shù)據(jù)收發(fā)處理程序

　　利用軟件IAR 7.30B進行程序的開發(fā)。系統(tǒng)軟件基于TIChipcon公司免費提供的ZigBee 2006協(xié)議棧，以Zstack-1.4.3-1.2.1版本中GenericApp例程為基礎(chǔ)。下面給出串口部分和數(shù)據(jù)接收、發(fā)送部分程序。

　　3.2.1 串口初始化

　　主要是設(shè)置halUARTCfg_t結(jié)構(gòu)體成員值：

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　　通過對halUARTCfg_t賦值，可以設(shè)置波特率、字符數(shù)、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位等。其中callBackFunc是自定義設(shè)置串口回調(diào)函數(shù)，即一旦出口有數(shù)據(jù)傳送，OSAL會自動轉(zhuǎn)到自定義的回調(diào)函數(shù)，執(zhí)行自定義的操作。

　　3.2.2 數(shù)據(jù)接收

　　當有數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到應(yīng)用層時，應(yīng)用層會發(fā)送一個AF_INCOMING_MSG_CMD消息事件。

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　　這里表示收到AF_INCOMING_MSG_CMD消息事件，然后調(diào)用收到消息事件的信息處理函數(shù)GenericApp_MessageMSGCB(MSGpkt)，開始接收數(shù)據(jù)并通過調(diào)用串口HalUARTWrite(uint8 port，uint8*buf，uintl6 len)寫函數(shù)發(fā)送、接收到的數(shù)據(jù)。

　　3.2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送

　　當串口回調(diào)函數(shù)中有數(shù)據(jù)輸入時，應(yīng)用層會發(fā)送一個GENERICAPP_SEND_MSG_EVT消息事件。

　　調(diào)用GenericApp_SendTheMessage()數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，具體到TI/Chipcon公司所提供的ZigBee 2006協(xié)議棧中即為AF_DataRequest()函數(shù)，具體形式如下：

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　　3.3 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送控制

　　程序采用Franklin C51語言編制，可讀性強，移植性好，開發(fā)簡易。

　　3.3. 1 初始化RTL8019AS

　　通過C51的P3.4鏈接RTL8019AS的RESDRV來進行復位操作。RSTDRV高電平有效，只要給引腳施加一個1μs以上的高電平即可。

　　初始化頁0、頁1相關(guān)寄存器，頁2的寄存器是只讀的，不可以設(shè)置，頁3的寄存器不是NE2000兼容的，不用設(shè)置。

　　(1)CR=0x21，選擇頁0的寄存器;

　　(2)TPSR=0x45，發(fā)送頁的起始頁地址，初始化為指向第一個發(fā)送緩沖區(qū)的頁即0x40;

　　(3)PSTART=0x4c，PSTOP=0x80，構(gòu)造緩沖環(huán)：0x4C～0x80;

　　(4)BNBY=0x4c，設(shè)置指針;

　　(5)RCR=0xcc，設(shè)置接收配置寄存器，使用按收緩沖區(qū)，僅接收自己地址的數(shù)據(jù)包(以及廣播地址數(shù)據(jù)包)和多點播送地址包，小于64 B的包丟棄，校驗錯的數(shù)據(jù)包不接收;

　　(6)TCR=0xe0，設(shè)置發(fā)送配置寄存器，啟用CRC自動生成和自動校驗，工作在正常模式;

　　(7)DCR=0xe8，設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器，使用FIFO緩存，普通模式，8位數(shù)據(jù)DMA;

　　(8)IMR=0x00，設(shè)置中斷屏蔽寄存器，屏蔽所有中斷;

　　(9)CR=0x61，選擇頁1的寄存器;

　　(10)CURR=0x4d，CURR是RTL8019AS寫內(nèi)存的指針，指向當前正在寫的頁的下一頁，初始化時指向0x4c+1=0x4d;

　　(11)設(shè)置多址寄存器MAR0～MAR5，均設(shè)置為0x00;

　　(12)設(shè)置網(wǎng)卡地址寄存器PAR0～PAR5;

　　(13)CR=0x22，選擇頁1的寄存器，進入正常工作狀態(tài)。

　　3.3.2 發(fā)送幀

　　將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式封裝，通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令，完成幀的發(fā)送。需要設(shè)置以太網(wǎng)目的地址、以太網(wǎng)源地址、協(xié)議類型，再按所設(shè)置的協(xié)議類型來設(shè)置數(shù)據(jù)段。之后啟動遠程DMA，數(shù)據(jù)寫入RTL8019AS的RAM，再啟動本地DMA，將數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)上。

　　RTL8019AS無法將整個數(shù)據(jù)包通過DMA通道一次存入FIFO，則在構(gòu)造一個新的數(shù)據(jù)包之前必須先等待前一數(shù)據(jù)包發(fā)送完成。為提高發(fā)送效率，設(shè)計將12頁的發(fā)送緩存區(qū)分為兩個6頁的發(fā)送緩存區(qū)，一個用于數(shù)據(jù)包發(fā)送，另一個用于構(gòu)造新的數(shù)據(jù)包，交替使用。

　　通過調(diào)試，利用PC機接收一個構(gòu)造的ARP請求包，接收效果比較滿意。

　　4 結(jié)論

　　利用CC2430無線收發(fā)功能，結(jié)合單片機與以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程通信，設(shè)計了一套應(yīng)用于車輛識別的城市交通限行系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用CC2430低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點實現(xiàn)車輛識別。利用性能優(yōu)越、價格低廉的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，實現(xiàn)路邊采集單元與遠程計算機的信息交互。該系統(tǒng)主要完成車輛識別，及車輛信息發(fā)送工作。經(jīng)測試，可準確識別車輛，完成出行天數(shù)統(tǒng)計的要求。交管部門可利用車輛車型信息進行車輛出行天數(shù)的統(tǒng)計，作為收取擁堵費的依據(jù)，從而實現(xiàn)車輛限行。