基于RFID技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：在分析研究ETC的組成、工作原理和工作流程的基礎(chǔ)上，完成ETC總體框架設(shè)計(jì)；在基于射頻識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上，對硬件系統(tǒng)中核心部件電子標(biāo)簽與讀寫器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與分析；然后對ETC軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)軟件總體框架的設(shè)計(jì)和分析。最后對研發(fā)的ETC系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試，給出試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：不停車收費(fèi)系統(tǒng)；射頻識(shí)別技術(shù)；智能交通

0 引言
    不停車收費(fèi)系統(tǒng)是一種能實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)的全天候智能型分布式計(jì)算機(jī)控制、處理系統(tǒng)，是電子技術(shù)、通信和計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、傳感技術(shù)、交通工程和系統(tǒng)工程的綜合產(chǎn)物。不停車收費(fèi)的關(guān)鍵是利用車載智能識(shí)別卡與收費(fèi)站車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的無線電收發(fā)器之間，通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、獲取車輛的類型和所屬用戶等相關(guān)數(shù)據(jù)，并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制指揮車輛通行，其費(fèi)用通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，從用戶所在數(shù)據(jù)庫中專用賬號(hào)自動(dòng)繳納。
    當(dāng)車輛通過擁有不停車收費(fèi)系統(tǒng)(Electronic Toll Collection，ETC)的收費(fèi)站時(shí)，ETC系統(tǒng)自動(dòng)完成所過車輛的登記、建檔、收費(fèi)的整個(gè)過程。在不停車的情況下收集、傳遞、處理該汽車的各種信息。圖1為不停車收費(fèi)系統(tǒng)的工作示意圖。

1 ETC自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)方案
    封閉式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下ETC系統(tǒng)按車型和行駛里程收費(fèi)，收費(fèi)系統(tǒng)對進(jìn)入高速公路的每一輛車的車型進(jìn)行識(shí)別并判斷類型，確認(rèn)其進(jìn)出口地址，按征收費(fèi)率計(jì)算費(fèi)額并完成收費(fèi)。從ETC的工作流程分析可知一個(gè)較為完整的ETC車道所需的各個(gè)組成部分，由此可設(shè)計(jì)如圖2所示的ETC車道自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)框圖。下位機(jī)有MSP430+ARM組成，通過與上網(wǎng)機(jī)連接，把數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，這樣就進(jìn)行整個(gè)ETC系統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)化布局，ARM系統(tǒng)主要完成控制，MSP430單片機(jī)則主要負(fù)責(zé)車輛繳費(fèi)信息的顯示，采用RFID技術(shù)，通過路側(cè)天線與車載射頻標(biāo)簽之間的無線通信，在不需要司機(jī)停車和其他收費(fèi)人員采取任何操作的情況下，自動(dòng)完成收費(fèi)處理全過程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該先確定ETC系統(tǒng)中射頻識(shí)別的工作頻率。5．8 GHz的工作頻率是目前的主流頻率，很有可能成為國際標(biāo)準(zhǔn)頻率。然而由于現(xiàn)在國內(nèi)市場上還沒有成型的5．8 GHz射頻模塊，故本文的射頻識(shí)別系統(tǒng)擬選用915MHz的射頻模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)的總體框圖如圖3所示。

    其基本工作原理：電子標(biāo)簽進(jìn)入微波通信區(qū)域后，安裝在路側(cè)的標(biāo)簽讀寫器通過天線向外發(fā)射信號(hào)，電子標(biāo)簽被輻射出的信號(hào)激活從而進(jìn)入工作狀態(tài)，根據(jù)接受到的命令向讀寫器回送相應(yīng)的相應(yīng)數(shù)據(jù)。通過電子標(biāo)簽將與該車輛對應(yīng)的m號(hào)碼發(fā)射給讀寫器，用于ETC收費(fèi)系統(tǒng)對車輛進(jìn)行身份辨析。
2．1 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)
    由于目前我國車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中通常使用的是兩片式電子標(biāo)簽加雙界面CPU卡的方式，因此讀寫器還可以接收一些其他信息，讀寫器讀取信息并解碼后，送至后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，標(biāo)簽讀寫器也將根據(jù)控制系統(tǒng)的反饋信息更新電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的信息，完成全部工作過程。
    本文所設(shè)計(jì)的ETC射頻識(shí)別系統(tǒng)選用有源的被動(dòng)式讀寫型并具有防碰撞功能的雙片式組合型電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽安裝在車輛儀表臺(tái)上或擋風(fēng)玻璃上，在交通流量大且易產(chǎn)生交通堵塞的收費(fèi)站點(diǎn)按需設(shè)置若干條ETC收費(fèi)通道，駕駛員只需將雙界面IC卡插入雙片式ETC電子標(biāo)簽內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)不停車自動(dòng)收費(fèi)，這樣就可大幅提高收費(fèi)站的通行能力，最大限度地緩解交通壓力；在交通流量小的收費(fèi)站口，只設(shè)置IC卡收費(fèi)車道即人工半自動(dòng)停車收費(fèi)，駕駛員要從雙片式ETC電子標(biāo)簽中撥出雙界面IC卡在刷卡器上進(jìn)行刷卡交費(fèi)，短暫停車后再通過收費(fèi)站。
2．2 雙冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)
    考慮到ETC系統(tǒng)常年在室外惡劣環(huán)境下工作，會(huì)受到各種天氣和污染的影響，所以本ETC系統(tǒng)中對其核心控件采取嵌入式系統(tǒng)和單片機(jī)的冗余控制，以保證系統(tǒng)的正常工作。
    嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，功能強(qiáng)大，有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。而MSP430則是以超低功耗、超強(qiáng)功能著稱，多個(gè)I／O口也可為日后的系統(tǒng)升級(jí)提供足夠大的空間。因此本ETC系統(tǒng)選擇嵌入式系統(tǒng)和MSP430單片機(jī)的雙核冗余控制。
    這種冗余設(shè)計(jì)主要通過完成ARM系統(tǒng)和MSP430各自的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，它們的控制板都可與射頻收發(fā)芯片進(jìn)行信息交換，采集地感天線的脈沖信號(hào)，控制欄桿、聲光報(bào)警、紅綠燈、顯示屏等車道設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)和MSP430之間采用485通信。
    在ARM微處理器上選用的是三星公司的ARM9芯片S3C241O，為了開發(fā)方便使用S3C2410開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)，ARM開發(fā)板具有如下功能：采集來自地感線圈的脈沖信號(hào)；SPI接口可與射頻收發(fā)芯片進(jìn)行信息交換，采用232／485通信：預(yù)留多個(gè)I／O接口以便控制欄桿、聲光報(bào)警、紅綠燈、顯示屏等車道設(shè)備；具有Flash存儲(chǔ)器。
3．3 射頻收發(fā)器的設(shè)計(jì)
    無線射頻芯片是整個(gè)無線通信單元設(shè)計(jì)的核心。設(shè)計(jì)ETC系統(tǒng)時(shí)需要考慮諸多現(xiàn)實(shí)因素，包括體積、功耗、傳輸速率等，因此射頻芯片的選擇至關(guān)重要。本系統(tǒng)選擇挪威Nordic公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905。

4 軟件設(shè)計(jì)
    ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)主要應(yīng)包含：系統(tǒng)硬件初始化設(shè)計(jì)、OBU喚醒部分設(shè)計(jì)、OBU主控單元軟件、RSU單元功能實(shí)現(xiàn)軟件、RSU與車道計(jì)算機(jī)通訊接口功能實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)等。
    車輛在高速公路出入時(shí)軟件系統(tǒng)的交易流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

    ETC系統(tǒng)是一個(gè)基于射頻技術(shù)的通信系統(tǒng)，并且是基于短程無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。ETC需要對DSRC協(xié)議的各個(gè)層次要求進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，對隨時(shí)可能接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)要對系統(tǒng)中的中斷快速響應(yīng)。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)最重點(diǎn)考慮的因素，微處理器的速度影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。
    由于本文中的ETC系統(tǒng)較為復(fù)雜，各種響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)有所不同，想要在一定時(shí)間內(nèi)做出快速響應(yīng)，就必須設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的、完善的軟件結(jié)構(gòu)，本文研究設(shè)計(jì)中使用了函數(shù)隊(duì)列調(diào)度結(jié)構(gòu)。
    在函數(shù)隊(duì)列調(diào)度結(jié)構(gòu)中，當(dāng)最高優(yōu)先級(jí)的設(shè)備發(fā)生中斷時(shí)，系統(tǒng)剛剛執(zhí)行最長的任務(wù)代碼函數(shù)，此時(shí)就發(fā)生了最壞的情況，其響應(yīng)時(shí)間等于最長任務(wù)代碼的執(zhí)行時(shí)間。
    在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用串口中斷和定時(shí)器中斷，更多的是對各個(gè)層次的輪詢操作，操作有很強(qiáng)的層次性，比如RSU要發(fā)送一個(gè)幀，要先后經(jīng)歷應(yīng)用層、LLC子層、MAC子層、物理層等過程，是遵循一定的順序。

5 系統(tǒng)測試
    本課題組對于所研究設(shè)計(jì)的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)總體功能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果如表1所示：試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)整體功能測試的結(jié)果可以滿足車輛在低速行駛時(shí)不停車即可完成車輛繳費(fèi)全過程的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，但在高速行進(jìn)的車輛，車載OBU與BSU通信的準(zhǔn)確度降低，系統(tǒng)成功率也因此降低，這些需要在以后的設(shè)計(jì)中進(jìn)行重點(diǎn)研究。

6 結(jié)束語
    電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)是國際上正在努力開發(fā)并推廣的一種用于公路、大橋和隧道的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，電子不停車收費(fèi)(ETC)技術(shù)是一種先進(jìn)的電子收費(fèi)技術(shù)方式，它基于專用短程通信(DSRC)技術(shù)，通過路側(cè)天線與車載電子標(biāo)簽之間的通信，在不需要司機(jī)停車和其他收費(fèi)人員采取任何操作的情況下，自動(dòng)完成收費(fèi)處理全過程。ZTC技術(shù)具有免除現(xiàn)金交易、無需停車快速通過、有效提高通行能力、大大提升服務(wù)水平、簡化收費(fèi)管理、降低環(huán)境污染等明顯特點(diǎn)和優(yōu)勢。尤其在聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的路網(wǎng)環(huán)境下可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，有助于提高公路網(wǎng)的綜合運(yùn)輸能力和服務(wù)水平。