基于RFID的高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國(guó)的公路建設(shè)得到了飛速發(fā)展，高速公路通車?yán)锍滩粩嘣黾?，一些省公路網(wǎng)格局基本形成。在通車公路里程增加的同時(shí)，交通流量也在不斷增加，但是收費(fèi)方式還很原始，嚴(yán)重地制約了高速公路向現(xiàn)代化方向的發(fā)展，存在很多弊端，為了保證車輛安全和交通方便,迫切需 要采用自動(dòng)化程度高、方便快捷的收費(fèi)管理系統(tǒng)，提高收費(fèi)站的通行效率。無線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identifica-tion, RFID) 是面世于20世紀(jì)30年代末，興起于90年代的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。基本的RFID系統(tǒng)至少 包含讀寫器(Reader)和電子標(biāo)簽(Tag)。電子標(biāo)簽 由芯片與天線組成，每個(gè)標(biāo)簽具有惟一的電子編碼， 標(biāo)簽附著在物體上以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。RFID讀寫器 的主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)， 并接收標(biāo)簽的應(yīng)答,對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別信息進(jìn)行處理，以達(dá)到交互數(shù)據(jù)的目的。它能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的非接觸式識(shí)別，并且可以加密、解密，己經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理、生活等各個(gè)領(lǐng)域。 RFID技術(shù)允許利用無線電波對(duì)多個(gè)電子標(biāo)簽成批閱讀和進(jìn)行遠(yuǎn)程閱讀，其意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過取代條形碼。

1不停車收費(fèi)系統(tǒng)

1. 1 不停車收費(fèi)系統(tǒng)與傳統(tǒng)收費(fèi)系統(tǒng)的比較 傳統(tǒng)的收費(fèi)系統(tǒng)主要有兩種方式；完全人工收費(fèi)和計(jì)算機(jī)輔助收費(fèi)。前者采用人工對(duì)車型進(jìn)行判別，額度計(jì)算，這種收費(fèi)方式?jīng)]有監(jiān)督，漏洞較大，而旦平均收費(fèi)時(shí)冋長(zhǎng)，車輛流速無法提高。后者采用 人工判別車型及收費(fèi)，機(jī)器輔助檢測(cè)、監(jiān)督，計(jì)算機(jī)管理。這種方式是目前我國(guó)高速公路推廣使用的 一種較為先進(jìn)的收費(fèi)方式，可對(duì)收費(fèi)全過程進(jìn)行監(jiān)控管理，當(dāng)出現(xiàn)進(jìn)岀口車型判別不一致、人機(jī)歧義、 免費(fèi)車輛的判別不一致或收費(fèi)員所收費(fèi)額與控制中心計(jì)算機(jī)計(jì)算費(fèi)額不一致時(shí)，均可通過中央控制室的計(jì)算機(jī)和視、音頻監(jiān)控設(shè)備的記錄信息進(jìn)行有效的判定。但在這種方式下，仍需要停車收費(fèi),交通流 量增加時(shí)，收費(fèi)路口成為整個(gè)交通控制網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

要解決以上問題，首先高速公路要采用新的收 費(fèi)技術(shù)，提高收費(fèi)站的通行效率?；赗FID的電 子不停車收費(fèi)系統(tǒng)是一個(gè)集中了無線電通信、計(jì)算 機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息處理、自動(dòng)控制等多項(xiàng)高新技術(shù)在公 路自動(dòng)收費(fèi)綜合系統(tǒng)中的應(yīng)用。

它利用車載電子標(biāo)簽自動(dòng)與安裝在路側(cè)或門架 匕的微波天線進(jìn)行信息交換，中心控制計(jì)算機(jī)根據(jù) 電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息識(shí)別出標(biāo)簽的使用者，然后 自動(dòng)從標(biāo)簽使用者的銀行賬號(hào)中扣除通行費(fèi)。

1.2 不停車收費(fèi)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

不停車收費(fèi)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

(1) 可以不停車收費(fèi)，從而大幅度提高了車道收費(fèi)站的處理效率和收費(fèi)公路的疏通能力；

(2) 無論車輛行駛里程長(zhǎng)短，均能做到收費(fèi)公平合理；

(3) 除收費(fèi)公路的起點(diǎn)外，主線一般不再設(shè)收費(fèi)站，故能最大限度地提高車輛通行速度，發(fā)揮公路的使用效益,避免人為造成的多次停車；

(4) 路橋收費(fèi)的自動(dòng)管理，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度;采用電子收費(fèi)也可以減少收費(fèi)員出錯(cuò)的機(jī)會(huì)和參與舞弊的機(jī)會(huì),堵住收費(fèi)漏洞，節(jié)約大量的人力和物力；

(5) 通過實(shí)時(shí)采集的收費(fèi)數(shù)據(jù)，交通部門能及時(shí)掌握完整的路橋車流信息、收費(fèi)情況，從而能夠進(jìn)行交通流量的合理分配、整體疏導(dǎo)、管理，為新建路 橋提供科學(xué)依據(jù)；

(6) 如果形成聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，則避免了該類系統(tǒng)重復(fù)開發(fā)，大大方便了車主及業(yè)主。車主憑一張電子標(biāo)簽就能在聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不停車?yán)U費(fèi)；將路費(fèi)的結(jié)算工作交給第三方，也極大減輕了業(yè)主的工作負(fù)擔(dān)。

2基于RFID技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)

2. 1系統(tǒng)組成與各部分功能

不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)功能包括；收費(fèi)數(shù)據(jù)采集、管理收費(fèi)車道的交通、車道控制機(jī)與后臺(tái)結(jié)算網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口、業(yè)主內(nèi)部管理功能、查詢系統(tǒng)。不停車 電子收費(fèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

收費(fèi)管理中心是整個(gè)收費(fèi)管理系統(tǒng)的控制和監(jiān)視中心。各收費(fèi)中心利益的實(shí)現(xiàn)都通過運(yùn)營(yíng)中心來完成。收費(fèi)中心主要接收和下載收費(fèi)運(yùn)行參數(shù)。通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)在收費(fèi)系統(tǒng)與發(fā)行系統(tǒng)之間、以及各站口的收費(fèi)系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。

2. 2 收費(fèi)站的主要功能

收費(fèi)站采用智能型遠(yuǎn)距離非接觸收費(fèi)機(jī)，當(dāng)車輛駛抵收費(fèi)站時(shí)，通過讀取車輛上配備的電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，收費(fèi)站的收費(fèi)機(jī)將數(shù)據(jù)寫入卡片并上傳給 收費(fèi)站的微機(jī)，可使惟一車輛收到信號(hào)，車輛在駛至 下個(gè)收費(fèi)站時(shí)，經(jīng)過卡片和收費(fèi)站機(jī)的相互認(rèn)證，并 將電子標(biāo)簽上的相關(guān)信息發(fā)給收費(fèi)站的收費(fèi)機(jī)。經(jīng) 收費(fèi)機(jī)無線接收系統(tǒng)核對(duì)無誤后完成一次自動(dòng)收 費(fèi)，并開啟綠燈或其他放行信號(hào)，控制道閘抬桿，指示車輛7E常通過。如收不到信號(hào)或核對(duì)該車輛通行 合法性有誤,則維持紅燈或其他停車信號(hào)，指示該車輛屬于非正常通行車輛，同時(shí)安裝的高速攝像系統(tǒng) 能將車輛的有關(guān)信息數(shù)據(jù)快速記錄下來并通知管理人員進(jìn)行處理。車主的開戶、記賬、結(jié)賬和查詢，可 利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行賬務(wù)處理，通過銀行實(shí)現(xiàn)本地或異地的交費(fèi)結(jié)算。

收費(fèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)可記錄存儲(chǔ)多達(dá)20 萬部車輛的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以根據(jù)收費(fèi)接收機(jī)送來的識(shí)別碼、入口碼等進(jìn)行檢索、運(yùn)行與記賬，并可將運(yùn)行結(jié)果送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括可顯示車牌號(hào)、 應(yīng)交款數(shù)、余額數(shù)等。

2. 3 不停車收費(fèi)系統(tǒng)車道的過車工作流程

當(dāng)車輛進(jìn)入自動(dòng)收費(fèi)車道并駛過在車道處設(shè)置的地感線圈時(shí)，地感線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)而生成一個(gè)脈沖信號(hào)，由這個(gè)脈沖信號(hào)啟動(dòng)射頻識(shí)別系統(tǒng)；由讀寫器的控制單元控制天線搜索是否有電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的有效讀寫范圍。如果有則向電子標(biāo)簽發(fā)送 讀命令，讀取電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)處理完畢后再由車道后面的讀寫器寫入電子標(biāo)簽，打開道閘放行并在車道旁的顯示屏上顯示 此車的收費(fèi)信息。

3基于RFID技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

完整的不停車收費(fèi)系統(tǒng)車道系統(tǒng)框圖如圖2所 示。ARM嵌入式系統(tǒng)主要完成總體控制，MSP430 單片機(jī)主要負(fù)責(zé)車輛繳費(fèi)信息的顯示，二者互為冗 余且都可以控制整個(gè)系統(tǒng)，一旦一方出現(xiàn)異常，另一方即可發(fā)出報(bào)警信息，在故障排除前代其行使職責(zé)，以保證不停車收費(fèi)系統(tǒng)車道的正常工作。圖2 不停車收費(fèi)系統(tǒng)車道系統(tǒng)框圖

3.1 車輛檢測(cè)器的設(shè)計(jì)

車輛檢測(cè)器是高速公路交通管理與控制的主要組成部分之一，是交通信息的采集設(shè)備。它通過數(shù)據(jù)釆集和設(shè)備監(jiān)控方式，在道路上實(shí)時(shí)地檢測(cè)交通量、車輛速度、車流密度和時(shí)空占有率等各種交通參數(shù)，這些都是智能交通系統(tǒng)中必不可少的參數(shù)。檢 測(cè)器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)傳送到本地控制器 中或直接上傳至監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)中，作為監(jiān)控中心 分析、判斷、發(fā)出信息和提出控制方案的主要依據(jù)。

設(shè)計(jì)中主要使用車輛檢測(cè)器作為整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)開關(guān)，當(dāng)?shù)缆窓z測(cè)器檢測(cè)到有車輛進(jìn)入時(shí),就發(fā)送一個(gè)電信號(hào)給RFID讀寫器的主控CPU,由主控CPU 啟動(dòng)整個(gè)視頻識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)來車進(jìn)行識(shí)別，并完成自動(dòng)收費(fèi)。常用的車輛檢測(cè)器種類很多，有電磁感應(yīng)檢 測(cè)器、波頻車輛檢測(cè)器、視頻檢測(cè)器等,具體的有環(huán)形 地感線圈檢測(cè)器、磁阻檢測(cè)器、微波檢測(cè)器、超聲波檢 測(cè)器、紅外線檢測(cè)器等，其中，地感線圈檢測(cè)器和超聲 波檢測(cè)器都可做到高精度檢測(cè)并且受環(huán)境以及天氣 的影響較少，更加適用于不停車收費(fèi)系統(tǒng)。

但是，超聲波檢測(cè)器必須放在車道的頂部，而讀寫器的天線也需要放置在車道比較靠上的位置，二者就有可能會(huì)互相影響，且超聲波檢測(cè)器價(jià)格更高, 故在性價(jià)比上要遜于地感線圈，更重要的是，地感線圈的技術(shù)更加成熟，因此系統(tǒng)采用的是地感線圈檢測(cè)器。

地感線圈的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示，其工作原理是在地面下埋設(shè)環(huán)形電感線圈，這樣，當(dāng)有車經(jīng)過時(shí)就會(huì)引起電路諧振頻率的上升，只要檢測(cè)到此頻率隨時(shí)間變化的信號(hào)，就可以檢測(cè)出是否有車輛通過。 環(huán)形線圈的尺寸可隨需要而定，每車道埋設(shè)一個(gè)，計(jì)數(shù)精度可達(dá)到±2%。圖3 地感線圈的原理結(jié)構(gòu)圖

3.2 雙核冗余控制設(shè)計(jì)

考慮到不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)需要常年在室外環(huán)境下工作，一般會(huì)受到各種惡劣天氣的影響以及各種污染的侵蝕，所以系統(tǒng)采用了雙核控制的策略-嵌入式系統(tǒng)和單片機(jī)的冗余控制。這一策略的具體內(nèi)容是，平時(shí)二者都處于工作狀態(tài)，嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)總體控制，單片機(jī)負(fù)責(zé)大屏幕的顯示，相互通信時(shí)都先檢查對(duì)方的工作狀態(tài)，一旦某一個(gè)CPU狀態(tài)異常，另一個(gè)就立即啟動(dòng)設(shè)備異常報(bào)警，并暫時(shí)接管其工作以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，直到故障排除恢復(fù)正常狀態(tài)。

這種冗余設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)主要是通過兩套控制系統(tǒng)完成，即嵌入式系統(tǒng)和MSP430單片機(jī)各有一套控制板,可以與射頻收發(fā)芯片進(jìn)行信息交換，都可以采集地感線圈的脈沖信號(hào)，都可以控制道閘、紅綠燈、聲光 報(bào)警、顯示屏等車道設(shè)備。這兩者之間采用RS 485 信號(hào)，每次通信時(shí)都先檢測(cè)對(duì)方的工作狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)異常則緊急啟動(dòng)本控制系統(tǒng)中的備用控制程序。

3. 3 電子標(biāo)簽與閱讀器

設(shè)計(jì)中的電子標(biāo)簽與閱讀器的核心模塊是TI 公司的CC1100,射頻卡（簡(jiǎn)稱RFID卡、RF卡）是基于射頻識(shí)別技術(shù)的智能卡，是一種以無線方式傳送數(shù)據(jù)的集成電路卡片，它具有數(shù)據(jù)處理及安全認(rèn)證功能等特有的優(yōu)點(diǎn)。讀寫器也稱收發(fā)器或詢問器，它由發(fā)射單元、接收單元、信號(hào)處理控制單元和電源等組成。它通過天線向射頻卡發(fā)送射頻調(diào)制信號(hào)（也稱詢問信號(hào)），同時(shí)通過天線接收從射頻卡返回的載有射頻卡中信息的射頻調(diào)制信號(hào)（也稱應(yīng)答信號(hào)），經(jīng)處理后傳給智能控制設(shè)備。

4結(jié)語(yǔ)

無論從交通工程的角度，還是從智能運(yùn)輸系統(tǒng)的角度看，先進(jìn)的電子收費(fèi)技術(shù)對(duì)于我國(guó)公路運(yùn)營(yíng)管理效率和公路通行服務(wù)水平提高都有很大的潛力，根據(jù)國(guó)家關(guān)于信息技術(shù)推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的總體思路，電子收費(fèi)技術(shù)逐步在我國(guó)得到應(yīng)用和采納是必然的。對(duì)射頻技術(shù)在高速公路收費(fèi)中的應(yīng)用做了較深入的探討，為解決高速公路收費(fèi)問題提供了有益的參考。