基于RFID技術(shù)的不停車收費系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄摘要1關(guān)鍵詞1ABSTRACT.1KEY WORDS11 課題研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀21.1研究背景及意義21.2不停車收費系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢31.3論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排42 基于RFID不停車收費系統(tǒng)的論述42.1不停車收費系統(tǒng)的概述42.2不停車收費系統(tǒng)設(shè)計的基本原則42.3不停車收費系統(tǒng)的功能分析和設(shè)計52.4不停車收費系統(tǒng)的工作流程62.5小結(jié)73 射頻識別系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1射頻識別技術(shù)原理73.2射頻識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計83.3小結(jié)114 基于RFID不停車收費系統(tǒng)的軟件流程114.1 ETC系統(tǒng)總流程圖設(shè)計114.2系統(tǒng)初始化設(shè)計134.3 OBU軟件系統(tǒng)功能框圖144.4 R

2、SU總體架構(gòu)和通信接口144.5小結(jié)155 總結(jié)15致謝16參考文獻(xiàn)1624基于RFID技術(shù)的不停車收費系統(tǒng)設(shè)計電子信息工程專業(yè) 周廣洲指導(dǎo)教師 黃勇堅摘要：本文研究了基于RFID技術(shù)的不停車收費系統(tǒng)，并從功能、組成、應(yīng)用方面闡述了系統(tǒng)的架構(gòu)，旨在提高當(dāng)前高速公路收費站的通行效率。在研究了射頻識別技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，給出了一種基于NRF401射頻芯片的射頻系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。同時，對不停車收費系統(tǒng)軟件進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計。結(jié)果表明將RFID技術(shù)應(yīng)用于高速公路后，初步解決了高速公路的自動收費問題，提高了收費站通行效率。關(guān)鍵詞：RFID 不停車收費 智能交通The Design of No

3、Stop Electronic Toll Collection System Based on RFID TechnologyElectronic and Information Engineering Zhou Guangzhou Tutor Huang YongjianAbstract：The paper studies the no stop electronic toll collection system based on RFID technology and expound the framework of the system from the function、constit

4、ution and application. The purpose of the thesis is improving the efficiency of the traffic. The paper researched the principle of RFID technology and presents a radio frequency system based on chip NRF401, state the hardware design of the system in detail. Meanwhile, designing the software system o

5、f the no stop electronic system. The results show that the application of the RFID technology can solve the problem of the highway automatic charge and improve the traffic efficiency of the toll station.Key words: RFID； ETC； Intelligent Transportation引言 隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，城市機(jī)動車數(shù)量急劇增長，高速公路上局部堵塞以及事故頻發(fā)問題越來越

6、突出，己成為制約各城市間經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸之一，也是各級政府部門和社會公眾關(guān)注的熱點問題。在收費高速公路項目管理中，由于存在多家高速公路建設(shè)與經(jīng)營管理公司，導(dǎo)致各高速公路實行獨立收費，嚴(yán)重影響了高速公路快速暢通的運(yùn)行。射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起并逐漸走向成熟的一種自動識別技術(shù)，它是利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)非接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識別的目的，該技術(shù)具有高速移動物體識別、多目標(biāo)識別和非接觸識別等特點，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一1。為實現(xiàn)在高速公

7、路上采用不停車收費方式，實現(xiàn)高速公路快速暢通運(yùn)行，就顯示出巨大的優(yōu)越性。1 課題研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀1.1研究背景及意義智能交通系統(tǒng)(ITS，即Intelligent Transportation System)是21世紀(jì)現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系的發(fā)展方向，是國家“十五”重點攻關(guān)項目。ITS是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)及計算機(jī)處理技術(shù)等綜合運(yùn)用于整個交通運(yùn)輸管理體系。通過對交通信息的實時采集、傳輸和處理，借助各種科技手段和設(shè)備，對各種交通情況進(jìn)行協(xié)調(diào)和處理，建立起一種實時、準(zhǔn)確、高效的綜合運(yùn)輸管理體系，從而使交通設(shè)施得以充分利用并能夠提高交通效率與安全，最終使交通運(yùn)輸服務(wù)和管理智能

8、化，實現(xiàn)交通運(yùn)輸?shù)募s式發(fā)展。ITS的目標(biāo)和功能包括如下幾個方面:提高交通運(yùn)輸?shù)陌踩?；減少交通堵塞；保持交通暢通；提高運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)通行能力；幫助人們在使用交通時更安全、方便、快捷、舒適；降低交通運(yùn)輸對環(huán)境的污染程度并節(jié)約能源；提高交通運(yùn)輸生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效率。與傳統(tǒng)交通運(yùn)輸水平手段相比，ITS不是單純依靠建設(shè)更多的基礎(chǔ)設(shè)施、消耗大量資源來實現(xiàn)以上目標(biāo)和功能，而是在現(xiàn)有或較完善的基礎(chǔ)設(shè)施上，將先進(jìn)的通信技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等有機(jī)的結(jié)合起來，綜合應(yīng)用于整個交通運(yùn)輸系統(tǒng)，實現(xiàn)其目標(biāo)和功能。目前國際上公認(rèn)的ITS的服務(wù)領(lǐng)域為以下幾個方面:先進(jìn)的交通信息服務(wù)系統(tǒng)、先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)、電子收費系統(tǒng)、貨運(yùn)

9、管理系統(tǒng)等2。本文主要研究的就是ITS中的重要部分高速公路電子不停車收費系統(tǒng)(Electronic Toll Collection ，簡稱ETC)的設(shè)計。通過采取在高速公路范圍內(nèi)不停車收費的非現(xiàn)金交費方式，以及在主線收費站及重要出入口收費站設(shè)置不停車收費系統(tǒng)又稱電子收費系統(tǒng)(Electronic Toll collection system，ETC)車道，不停車收費技術(shù)的采用將有效的解決高速公路收費站帶來的交通堵塞問題。ETC技術(shù)利用安裝在車內(nèi)微波頻段的電子標(biāo)簽(無線電收發(fā)器)儲存車輛編號及相關(guān)信息，安裝在車道的射頻天線可與該電子標(biāo)簽及專用無線通信方式交換信息，并對其儲存內(nèi)容進(jìn)行讀寫操作，這一

10、技術(shù)甚至允許車道設(shè)備向配備有顯示器的電子標(biāo)簽發(fā)送交通管理信息，這就使不停車收費系統(tǒng)擁有城市交通管理和控制的潛在能力。射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種先進(jìn)的非接觸式自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現(xiàn)對靜止的或移動中的帶識別物品的自動機(jī)器識別3。射頻(radio frequency)專指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波射頻識別技術(shù)，以無線通信和存儲器技術(shù)為核心，伴隨著半導(dǎo)體和大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟而進(jìn)入實用化階段。RFID標(biāo)簽具有體積小、容量大、壽命長、可重復(fù)使用等特點，可支持快速讀寫、非可視識別、移

11、動識別、多目標(biāo)識別、定位及長期跟蹤管理。即ID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共3。射頻識別技術(shù)應(yīng)用于高速公路，可大幅提高管理與運(yùn)行效率，降低成本。基于此，本課題主要對射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)在高速公路不停車收費系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計。1.2不停車收費系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢隨著汽車運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，使用高速公路的車輛將越來越多(經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)這種趨勢已經(jīng)非常明顯)，當(dāng)達(dá)到一定程度時，人工和半自動收費方式將不能滿足高速公路上車輛營運(yùn)對收費管理系統(tǒng)的需求，將在收費出入口處引起嚴(yán)重的車輛阻塞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，為

12、解決這些問題，在高速公路上采用不停車收費方式，就顯示出巨大的優(yōu)越性。目前各國都在積極地開發(fā)和應(yīng)用不停車收費系統(tǒng)，就國內(nèi)外的發(fā)展情況做一簡單介紹2,3,4,5。1.2.1不停車收費系統(tǒng)在國外的發(fā)展情況 第一個不停車收費的應(yīng)用實驗是20世紀(jì)70年代末在紐約和新澤西試行的，借助于自動車輛識別的不停車收費系統(tǒng)，交費者既可向收費公司預(yù)付款，也可采用信用卡付賬方式。1988年美國首次將不停車收費用于Lincoln Tunnel，緊接著，于1989年在新奧爾良州Crescent city大橋上實現(xiàn)了完整的車輛識別與計算。同時，其他各國也紛紛推出了自己的不停車收費系統(tǒng)，挪威研制出了Q-free0自動不停車收費

13、系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將一張塑料磁卡粘貼在車輛的前窗玻璃上，當(dāng)車輛到達(dá)自動收費口時，無線掃描設(shè)備通過“詢問”，接受來自過往車輛上磁卡發(fā)出的電子回答，系統(tǒng)的主計算機(jī)存儲所有磁卡編號和通過次數(shù)，并自動記錄通過收費口的車輛，然后和負(fù)責(zé)賬款的系統(tǒng)通信聯(lián)系，確定收費金額，計算機(jī)圖像抓拍系統(tǒng)將非法通過的車輛拍攝下來，警察和銀行部門根據(jù)相應(yīng)賬單進(jìn)行處罰。廈門市路橋管理有限公司于1998年8月從挪威引進(jìn)了該套自動化收費系統(tǒng)，并于2000年應(yīng)用于廈門海滄大橋。此外，法國、英國、意大利等國家還推出了基于視頻、環(huán)形線圈、紅外和微波技術(shù)的不停車收費系統(tǒng)。1.2.2不停車收費系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展情況 近年來，我國各個地區(qū)均先后提出

14、了實施不停車收費的規(guī)劃。RFID可以通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象，無需可見光源，具有穿透性，可以透過外部材料直接讀取數(shù)據(jù)，讀取距離遠(yuǎn)，無需與目標(biāo)接觸就可以獲取數(shù)據(jù)。這些優(yōu)點使它可以應(yīng)用在智能交通領(lǐng)域，從而大大簡化過程，提高效率。在射頻識別技術(shù)的基礎(chǔ)上建立起來不停車收費系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛實時監(jiān)控，高效、準(zhǔn)確的管理，車輛進(jìn)出可以不停車，免伸手。目前，不停車收費系統(tǒng)在我國也有了較為成熟的開發(fā)和應(yīng)用。1994年底，廣東佛山大橋管理站在國內(nèi)首次開發(fā)成功了1套基于微波檢測技術(shù)的不停車收費系統(tǒng)，該系統(tǒng)于1995年1月1日試開通，1997年廣州市開始實施全市路橋“一卡通”不停車收費推廣工程，系統(tǒng)于1999

15、年1月1日投入運(yùn)行。此外深圳機(jī)荷、梅觀高速公路也實施了不停車電子收費系統(tǒng)。在北京、上海等地的機(jī)場高速公路也先后實施了電子不停車收費系統(tǒng)，其中北京機(jī)場高速公路收費站采用的是美國AMTECH公司的產(chǎn)品，而上海機(jī)場高速路則是使用日本豐田的路邊設(shè)備和單、雙片式車載機(jī)及世界上最先進(jìn)的雙界面卡。2007年底，包括京通快速路在內(nèi)的全市n條高速路全部聯(lián)網(wǎng)收費，除在主要收費站開通不停車收費系統(tǒng)外，所有的收費口還同步開通IC卡收費功能，普通公交一卡通也能輕松刷卡。1.3論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排第1節(jié)首先分析了本文的研究背景及研究意義，其次，介紹了國內(nèi)外不停車收費系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。第2節(jié)提出了不停車收費系統(tǒng)的架構(gòu)，并分析了

16、其工作流程。第3節(jié)首先介紹了射頻識別系統(tǒng)的原理，然后介紹了基于NRF401的射頻系統(tǒng)硬件設(shè)計。第4節(jié)對不停車收費系統(tǒng)軟件進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計,完成了系統(tǒng)軟件總體框架的設(shè)計和分析。第5節(jié)對課題研究進(jìn)行了總結(jié)。2基于RFID不停車收費系統(tǒng)的論述2.1不停車收費系統(tǒng)的概述不停車收費系統(tǒng)是一種能實現(xiàn)不停車收費的全天候智能型分布式計算機(jī)控制、處理系統(tǒng)，是電子技術(shù)、通信和計算機(jī)、自動控制、傳感技術(shù)、交通工程和系統(tǒng)工程的綜合產(chǎn)物。不停車收費的關(guān)鍵是利用車載智能識別卡與收費站車輛自動識別系統(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)，并由計算機(jī)系統(tǒng)控制指揮車輛通行，其費用通過計

17、算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，從用戶所在數(shù)據(jù)庫中專用賬號自動繳納6。當(dāng)車輛通過擁有不停車收費系統(tǒng)(ETC)的收費站時，ETC系統(tǒng)自動完成所過車輛的登記、建檔、收費的整個過程。在不停車的情況下收集、傳遞、處理該汽車的各種信息。這些信息包括車型、車牌號、車輛的顏色、銀行的賬號、車主姓名等。圖2-1為不停車收費系統(tǒng)的工作示意圖。不停車收費系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了解決現(xiàn)今生活中人工收費站手工操作收費效率低、時間長，從而導(dǎo)致收費站成為高速公路流量瓶頸的問題。因此，不停車收費系統(tǒng)，首先具有收費時間短、收費效率高且出錯率低的特點；其次，降低成本，提高系統(tǒng)的安全性，從而使整個系統(tǒng)有可推廣性；再則，由于不停車收費，不能得到在交納費用后即時

18、得到電腦票據(jù)，因此整個系統(tǒng)收費服務(wù)具有透明性，能處理交費復(fù)查要求，讓使用者用得放心。2.2不停車收費系統(tǒng)設(shè)計的基本原則高速公路不停車收費系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計中，必須體現(xiàn)下述原則7:（1）系統(tǒng)的先進(jìn)性。為適應(yīng)21世紀(jì)技術(shù)發(fā)展及未來應(yīng)用需要，系統(tǒng)應(yīng)建立在先進(jìn)的軟硬件平臺結(jié)構(gòu)之上，設(shè)計采用最新的結(jié)構(gòu)技術(shù)和策略保證系統(tǒng)的性能在設(shè)計時最優(yōu)，在今后隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而提高。（2）系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是當(dāng)今世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展潮流，一個開放的系統(tǒng)可以充分利用世界上各種產(chǎn)品的優(yōu)秀特性，在最小的系統(tǒng)開銷下，方便地擴(kuò)充整個系統(tǒng)的功能，充分保證系統(tǒng)的靈活性，并且隨著新技術(shù)的發(fā)展，將新技術(shù)集成于系統(tǒng)之中。（3）規(guī)范性

19、。統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化是系統(tǒng)取得成功的必要條件?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計乃至接口的設(shè)計都要遵循國際及國家通用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并將規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化貫穿于系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計及項目生命周期的每一個階段之中。圖2-1 為不停車收費系統(tǒng)的工作示意圖12（4）繼承性。高速公路網(wǎng)“一卡通”收費系統(tǒng)作為國內(nèi)公路交通領(lǐng)域推行新型收費方式的項目，必須充分考慮已建和在建高速公路系統(tǒng)的收費特征，繼承和兼容原有收費管理中的經(jīng)驗和精華，并使之貫穿到新的一卡通收費系統(tǒng)中。（5）安全性。通過一個功能強(qiáng)大的安全控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的任何對象及環(huán)節(jié)進(jìn)行保護(hù)，滿足國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，即實現(xiàn)個人認(rèn)證、訪問控制、設(shè)置權(quán)限、通信認(rèn)證等，以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。（6）模塊化。

20、在系統(tǒng)總體功能設(shè)計時應(yīng)該把按照實際的功能分解為若干易于處理的系統(tǒng)，然后在各個系統(tǒng)中劃分不同的功能模塊。2.3不停車收費系統(tǒng)的功能分析和設(shè)計實際聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的不停車收費系統(tǒng)在多個獨立運(yùn)行的ETC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過通。信網(wǎng)絡(luò)將它們互聯(lián)起來，對所有ETC收費單位進(jìn)行統(tǒng)一管理、聯(lián)網(wǎng)收費。需要實現(xiàn)的主要功能包括:采集收費數(shù)據(jù);管理收費車道的交通;建立車道控制系統(tǒng)與后臺管理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口；實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)收費；建立完善的結(jié)算、拆分方法；提供業(yè)主內(nèi)部管理功能；滿足客戶、管理部門的查詢要求8。通過分析系統(tǒng)功能需求，提出模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。由圖2-2可知，聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的不停車收費系統(tǒng)涵蓋客戶服務(wù)

21、系統(tǒng)、收費管理系統(tǒng)和收費站管理系統(tǒng)9，即3個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)及13個功能模塊構(gòu)成。（1）運(yùn)營管理系統(tǒng) 營運(yùn)管理系統(tǒng)是聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的核心層，各收費中心利益的實現(xiàn)都是通過該營運(yùn)中心來完成的，它不僅是整個聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的超級監(jiān)控中心，同是也是個收費中心的授權(quán)認(rèn)證結(jié)算中心，各收費業(yè)主將自身收益的分配交給營運(yùn)管理中心負(fù)責(zé)。主要完成以下功能:匯集各個不停車收費系統(tǒng)提供的收費信息；監(jiān)控省或更大范圍內(nèi)所有收費站管理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；發(fā)行、管理和維護(hù)電子標(biāo)簽的用戶信息;管理和維護(hù)電子標(biāo)簽的中央賬戶信息10。（2）收費管理系統(tǒng) 收費管理系統(tǒng)是收費系統(tǒng)的中央管理系統(tǒng)，收費站的上級部門，管理旗下的所有收費站。由于授權(quán)營運(yùn)中心負(fù)

22、責(zé)交通費的收集與分配，收費中心從這些工作中解脫出來，從邏輯上看，它是連接下屬收費站與營運(yùn)管理中心系統(tǒng)的紐帶和中轉(zhuǎn)站。它對下屬收費站進(jìn)行監(jiān)控，并收集收費站上傳的原始收費數(shù)據(jù)、違章車輛等信息，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、匯總，適時地向營運(yùn)管理中心傳送。同時接受營運(yùn)管理中心分發(fā)的信息，轉(zhuǎn)發(fā)到下屬收費站，轉(zhuǎn)發(fā)信息包括:費率表、車類轉(zhuǎn)換表、黑灰名單及待注銷的電子標(biāo)簽等10。(3) 收費站管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)不停車收費系統(tǒng)運(yùn)營管理系統(tǒng)收費管理系統(tǒng)收費站管理系統(tǒng)電子標(biāo)簽管理財務(wù)管理系統(tǒng)統(tǒng)計報表系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)收費結(jié)算拆分賬系統(tǒng)資金結(jié)算管理收費信息分類統(tǒng)計查詢打印通行業(yè)務(wù)信息客戶賬務(wù)管理維護(hù)基本信息管理收查信息分類統(tǒng)計查詢打

23、印車道控制系統(tǒng)車道監(jiān)控系統(tǒng)交通信息統(tǒng)計分析查詢打印圖2-2聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下不停車收費系統(tǒng)功能模塊收費站監(jiān)控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與通行的車輛通信、讀寫車載電子標(biāo)簽的信息并進(jìn)行計費處理、控制車道的交通設(shè)備；監(jiān)控ETC車道的工作情況；將車道控制機(jī)上傳的原始過車記錄上傳到上級部門(收費中心)，接收收費中心下傳的最新費率表、車輛轉(zhuǎn)換表、黑灰以及待注銷的電子標(biāo)簽名單，并將這些信息下傳到車道控制機(jī)內(nèi)；此外還要進(jìn)行本收費站內(nèi)的數(shù)據(jù)處理，包括:記錄查詢、報表統(tǒng)計、人員管理。2.4不停車收費系統(tǒng)的工作流程車主到客戶服務(wù)中心或代理機(jī)構(gòu)購置車載電子標(biāo)簽，交納儲值。由發(fā)行系統(tǒng)向電子標(biāo)簽輸入車輛識別碼(ID)與密碼，并在數(shù)據(jù)庫中存人該車

24、輛的全部有關(guān)信息(如識別碼、車牌號、車型、顏色、儲值、車主姓名、電話等)。發(fā)行系統(tǒng)通過通信網(wǎng)將上述車主、車輛信息輸入收費計算機(jī)系統(tǒng)。車主將標(biāo)識卡貼在車內(nèi)前窗玻璃上即可10。(1)收費車輛進(jìn)入到ETC車道工作區(qū)。(2)車道控制系統(tǒng)的射頻讀寫器和射頻天線(統(tǒng)稱電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備)向車道的特定區(qū)域發(fā)車微波信號，喚醒電子標(biāo)簽。(3)電子標(biāo)簽發(fā)射出本身數(shù)據(jù)信息，如:發(fā)卡商(發(fā)卡銀行)編號、車輛的車牌號、車類參數(shù)、電子標(biāo)簽號等標(biāo)識信。(4)車道控制系統(tǒng)讀寫器接受被喚醒的電子標(biāo)簽發(fā)射的數(shù)據(jù)，分析出車輛的標(biāo)識信息(車牌號碼、車輛類型參數(shù)和入口收費站號)。(5)對進(jìn)入收費車道的車輛進(jìn)行電子標(biāo)簽合法性的校驗，并根據(jù)

25、校驗結(jié)果進(jìn)行下一步操作。(6)違章車輛的圖像抓拍。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，啟動攝像機(jī)，如系統(tǒng)檢測到違(無電子標(biāo)簽、非法電子標(biāo)簽和黑名單上的電子標(biāo)簽)，通過存儲設(shè)備保留該車輛的圖像。違章車輛數(shù)據(jù)庫中的圖像按時間順序存儲，并以電子標(biāo)簽的信息(車牌、電子標(biāo)簽號等)作為索引查詢。(7)根據(jù)車類參數(shù)決定收費車輛類型和收費金額，將電子標(biāo)簽號、車牌號、過車時間、車道號等信息組成過車記錄，上傳到收費站監(jiān)控系統(tǒng)。(8)接收收費站監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)下傳的數(shù)據(jù)，對車道控制機(jī)中的相應(yīng)信息進(jìn)行更新，這些信息包括黑名單、優(yōu)惠名單、費率表等。(9)系統(tǒng)復(fù)位，等待下一收費車輛的到來。銀行收到匯總好的各路公司的收費信息后，從各個用戶的賬號中，

26、扣除通行費和算出余額，撥入相應(yīng)公司賬號。與此同時，銀行核對各用戶賬戶剩余金額是否低于預(yù)定的臨界閩值，如低于，應(yīng)及時通知用戶補(bǔ)交，并將此名單(灰名單)下發(fā)給全體收費站。如灰名單用戶不補(bǔ)交金額，繼續(xù)通行，導(dǎo)致剩余金額低于危險門限值.則應(yīng)將其劃歸無效電子標(biāo)簽，編入黑名單，并通知各收費站，拒絕無效電子標(biāo)簽在高速公路電子收費車道通行10。收費結(jié)算中心設(shè)有用戶服務(wù)機(jī)構(gòu)，向用戶出售標(biāo)識卡、補(bǔ)收金額和接待客戶查詢。后臺有一套金融運(yùn)行規(guī)則和強(qiáng)大的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫的支持，處理事后收費等事項。2.5小結(jié)本章先闡述了不停車收費系統(tǒng)的概念和設(shè)計原則，然后對不停車系統(tǒng)進(jìn)行了功能分析和設(shè)計，最后，詳細(xì)闡述了不停車收費系統(tǒng)

27、的工作流程。為下面的進(jìn)一步工作做好準(zhǔn)備。3 射頻識別系統(tǒng)硬件設(shè)計不停車收費系統(tǒng)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)停車和其他收費人員采取任何操作的情況下，自動完成收費處理全過程。因此，射頻識別技術(shù)是實現(xiàn)不停車收費系統(tǒng)的非常重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。3.1射頻識別技術(shù)原理射頻識別技術(shù)(RFID)利用電磁感應(yīng)、無線電波進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識別目標(biāo)并交換數(shù)據(jù)。應(yīng)注意RF有很多工作頻段，工作原理也不盡相同，有的工作于近場，可用電磁感應(yīng)描述，有的必須用電磁波發(fā)射來解釋遠(yuǎn)場狀態(tài)。國際上最流行的EC/ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的射頻卡與讀寫器之間通過電感藕合方式來完成讀寫通信

28、。當(dāng)讀寫器對卡進(jìn)行讀寫操作時，讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成:一部分是電源信號，該信號由卡接收后，由卡的UC回路產(chǎn)生一個瞬時能量來供給芯片工作。另一部分是指令和數(shù)據(jù)信號，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、存儲等，并返回信號給讀寫器。讀寫器一般由單片機(jī)、專用智能模塊組成，并配有與PC的通信接口等，以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。圖3-1為RFID的基本模型示意圖。3.2射頻識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計（1）器件的選擇無線射頻芯片選型無線射頻芯片是整個射頻系統(tǒng)的核心部件，基于高速公路應(yīng)用的需求，考慮方案成本低，體積小，功耗低，通信距離遠(yuǎn)，集成度高，外圍元件少，加工容易，數(shù)據(jù)傳輸率高，傳輸時間短，接口簡單,開發(fā)方便等因素，

29、本文選擇了NRF401射頻芯片，其依據(jù)是：電子標(biāo)簽Tag天線天線讀頭Reader計算機(jī)數(shù)據(jù)時序能量圖3-1 RFID的基本模型示意圖a.發(fā)射功率:在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。nRF401的發(fā)送功率達(dá)到10dBm，在同類產(chǎn)品中的性價比較高。b.通信距離:nRF401的最高數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到20kbit/s，接收靈敏度高達(dá) -105dBm，在開闊的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m6。c.功耗:作為高速公路收費中使用的車載標(biāo)簽，一般貼放于汽車的擋風(fēng)玻璃上，要滿足形狀小巧、輕便等要求。因此應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品，nRF401的工作電流在同等發(fā)射功率下是較小的

30、。d.數(shù)據(jù)傳輸速度:現(xiàn)有的無線射頻芯片，數(shù)據(jù)的傳輸大多采用曼徹斯特編碼，雖然滿足數(shù)據(jù)可靠性傳輸?shù)囊?，但在編程上會需要較高的技巧和經(jīng)驗，需要更多的內(nèi)存和程序容量，最重要的是曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率的三分之一，無法適應(yīng)高速數(shù)據(jù)通信的需要。nRF401是采用與單片機(jī)串口相連傳輸數(shù)據(jù)的芯片，應(yīng)用及編程非常簡單，傳送的效率很高，而且采用有線方式的串口傳輸，數(shù)據(jù)的誤碼率也非常低。車道閱讀器主控制器選型系統(tǒng)中，車道控制器主要負(fù)責(zé)兩方面的工作:一方面與主控機(jī)PC交換數(shù)據(jù)，另一方面實施監(jiān)測車載標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。由于無線部門使用的是nRF401芯片，通過串口與單片機(jī)相連，而連接RS-4

31、85總線也要占用一個單片機(jī)串口資源，因此閱讀器部分至少需要連兩個串行接口。實際設(shè)計中，使用winbond公司的W77E58作為這一部分的主控制芯片11。W77E58內(nèi)含兩個增強(qiáng)型串口和32kB大容量Flash存儲器，最高工作頻率可達(dá)40MHz，完成一條指令最快只需要4個機(jī)器周期，并提供了12個內(nèi)外部中斷，兩級優(yōu)先級，可以適應(yīng)更多的需求。本系統(tǒng)中，主要利用了W77E58的雙串口的特點，串行口0經(jīng)過RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片與遠(yuǎn)端上位PC機(jī)進(jìn)行通信，串行口1與nRF401芯片連接。車載標(biāo)簽控制器選型由于車載標(biāo)簽有著形狀小巧、輕便、功耗低等要求，本文選擇低成本、低功耗的AT89552作為標(biāo)簽的控制器1

32、1。AT89552是一個通用的低功耗，高速8位CMOS單片機(jī)，其功能函數(shù)和管腳定義都和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51兼容，提供8kB的EEPROM，256bit片內(nèi)RAM，32個I/0口，3個優(yōu)先級和一個全雙工的UART串口。另外，由于AT89552的靜態(tài)邏輯設(shè)計使得它的工作頻率范圍從0開始，支持兩種節(jié)電模式:Idle模式和Power-down模式。（2）無線通信模塊設(shè)計使用nRF401進(jìn)行無線通信開發(fā)，通信質(zhì)量與模塊的RF性能息息相關(guān)，因此nRF401通信模塊的硬件設(shè)計部分是十分重要的。nRF401的射頻天線使用的是外接天線，該外部天線使用差分方式連接至nRF401的ANTI和ANTZ端，天線端推薦負(fù)

33、載阻抗為400。功率放大器輸出是兩個開路輸出三極管，配置成差分放大電路，功率放大器的VDD必須通過集電極負(fù)載，當(dāng)采用差分環(huán)形天線時，VDD必須通過環(huán)形天線的中心輸入。在設(shè)計中，由于發(fā)射和接收頻率的誤差應(yīng)該在30kHz以下，因此對外接參考晶振有一定的要求，其穩(wěn)定性應(yīng)大于正負(fù)35ppm，否則會對接收精度有較大的影響。外接VCO電感應(yīng)選用高頻電感，工作頻率下Q值應(yīng)在45以上，精度為2%，實際應(yīng)用中使用5%精度的外接電感，系統(tǒng)仍能正常工作，但通信距離受到影響11。圖3-2為原理圖。（3）閱讀器模塊設(shè)計閱讀器模塊由于要使用兩個串口分別對上層和下層通信，因此主控制器使用的是W77E58單片機(jī)，其中串口0通

34、過RS-485總線接口與主控制機(jī)相連，串口1則負(fù)責(zé)連接nRF401通信模塊，使用無線通信與各個標(biāo)簽通信。閱讀器模塊使用Maxim公司的MAX485芯片組成RS-485接口電路，其中單片機(jī)的P1.0、Pl.1引腳控制MAX485的DE端和RE端。RXD、TXD引腳接入RS-485網(wǎng)絡(luò)。Pl.2-Pl.6作為nRF401控制和數(shù)據(jù)信號，通過雙排針與nRF401模塊相連。此外，還預(yù)留了一個4針接口，與單片機(jī)系統(tǒng)的RXD、TXD以及VDD、VSS相連，方便系統(tǒng)調(diào)試和串口監(jiān)控。閱讀器模塊的電路如圖3-3和3-4所示，其中圖3-3是單片機(jī)W77E58外圍電路及雙排針原理圖，圖3-4是MAX485外圍電路設(shè)

35、計原理圖。圖3-2 nRF401的通信模塊的原理圖圖3-3 單片機(jī)W77E58外圍電路及雙排針原理圖圖3-4 MAX485外圍電路設(shè)計原理圖（4）標(biāo)簽?zāi)K設(shè)計標(biāo)簽?zāi)K通過無線接口響應(yīng)上層控制器發(fā)送的查詢請求，回送其存儲的數(shù)據(jù)信息。其主控制芯片使用Atmel公司的節(jié)能型51系列CPUAT89552，工作電壓為3.3V。設(shè)計上使用單片機(jī)內(nèi)部串口連接nRF401通信模塊，P1.0-P1.2依次作為nRF401的控制端CS、PWR_UP和TXEN。此外，為了保存汽車的各種有用信息，單片機(jī)系統(tǒng)還使用了串行E2PROMAT24C10保存數(shù)據(jù)，該芯片使用SPI總線，單片機(jī)的Pl.3和Pl.4分別作為時鐘控制

36、端SCL和數(shù)據(jù)傳送端SDA。標(biāo)簽?zāi)K原理圖如圖3-5所示。圖3-5標(biāo)簽?zāi)K原理圖3.3小結(jié)本章綜述了射頻識別技術(shù)的原理，并重點介紹了基于nRF401射頻芯片的射頻系統(tǒng)硬件設(shè)計。在該系統(tǒng)中，利用具有雙串口的W77E58單片機(jī)作為閱讀器模塊的控制單元，利用其兩個串口分別與主控制PC機(jī)和nRF401通信模塊相連。在標(biāo)簽?zāi)K中選用性價比較高、功耗較低的51兼容單片機(jī)AT89552作為其控制器，并通過串口與無線通信模塊連接。4 基于RFID不停車收費系統(tǒng)的軟件流程ETC電子不停車收費系統(tǒng)總體軟件設(shè)計主要應(yīng)包含：系統(tǒng)硬件初始化設(shè)計、OBU喚醒部分設(shè)計、OBU主控單元軟件、RSU單元功能實現(xiàn)軟件、RSU與車

37、道計算機(jī)通訊接口功能實現(xiàn)的軟件設(shè)計等。ETC系統(tǒng)是一個基于射頻技術(shù)的通信系統(tǒng)，并且是基于短程無線通信協(xié)議實現(xiàn)的。ETC需要對DSRC協(xié)議的各個層次要求進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，對隨時可能接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時要對系統(tǒng)中的中斷快速響應(yīng)。系統(tǒng)的響應(yīng)時間是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時最重點考慮的因素，微處理器的速度影響系統(tǒng)的響應(yīng)時間。4.1 ETC系統(tǒng)總流程圖設(shè)計在交易流程之前，OBU先被喚醒，然后在RSU和OBU之間通過BST/VST完成交易初始化流程。交易初始化流程主要完成的工作：OBU建立鏈路初始化。OBU收到RSU發(fā)送的BST后，先驗證BST中的參數(shù)是否有效，之后復(fù)位IC卡，并等待接收IC卡的復(fù)位應(yīng)答信號，然后O

38、BU讀取EASM模塊中的系統(tǒng)信息文件，將其作為VST中的一部分發(fā)送給RSU,通過車道計算機(jī)以驗證系統(tǒng)信息的有效性。 在入口車道，通過RSU和OBU之間雙向通信，將信息傳輸?shù)杰嚨揽刂茩C(jī)上，進(jìn)行OBU和IC卡設(shè)備有效性狀態(tài)的判斷，然后對其OBU信息、IC卡信息、車輛信息進(jìn)行校驗。正確后將入口收費站信息、入口車道信息、車輛信息等寫入IC卡，然后進(jìn)行圖像抓拍，將整個過車交易信息形成流水記錄存儲與本地，最后放行車輛。車輛在高速公路出入時軟件系統(tǒng)的交易流程設(shè)計如圖4-1計算機(jī)RSUOBUIC卡確認(rèn)驗證，請求OBU信息OBU信息送PC確認(rèn)，要IC卡信息IC卡信息送PC確認(rèn)，寫站信息和消費信息返回信息廣播BS

39、T回送VST請求OBU信息VST送PC會送OBU信息請求IC卡信息返回IC卡信息發(fā)送站信息和消費信息返回結(jié)果檢查IC卡有IC卡讀IC卡信息返回IC卡信息寫站信息和消費信息返回結(jié)果 圖4-1 ECT一次交易流程圖 在出口車道，通過RSU和OBU之間雙向通信，將信息傳輸?shù)杰嚨揽刂茩C(jī)上，進(jìn)行OBU和IC卡設(shè)備有效性狀態(tài)的判斷，然后對其OBU信息、IC卡信息、車輛信息進(jìn)行校驗。然后根據(jù)IC卡內(nèi)的車輛入口收費站、標(biāo)識站、車輛信息以及查費率表，進(jìn)行計算通行費金額，然后回寫出口標(biāo)識，對IC卡進(jìn)行扣款，將扣款和標(biāo)識站信息寫入IC卡，然后進(jìn)行圖像抓拍和車牌識別功能。最后將信息形成流水文件存儲與本地，放車通行。4

40、.2系統(tǒng)初始化設(shè)計 初始化部分主要完成進(jìn)行正常車道收費的準(zhǔn)備工作，主要包括:系統(tǒng)配置文件的初始化，系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、車道信息、界面信息的初始化。開始檢查系統(tǒng)配置文件初始化VDM檢查設(shè)備磁盤啟動IO控制服務(wù)創(chuàng)建大字體，將欄桿DSRC等圖標(biāo)裝入初始化WINSOCK組件檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫是否存在啟動設(shè)備控制線程，DSRC線程，欄桿控制線程，收費控制線程，車牌識別儀線程啟動定時器初始化環(huán)檢測器控制參數(shù)結(jié)束圖4-2 系統(tǒng)初始化流程圖(l)系統(tǒng)的初始化主要完成系統(tǒng)配置文件的獲取，以及檢查磁盤設(shè)備和初始化IO控制動態(tài)服務(wù)的功能。(2)初始化界面主要完成監(jiān)測相應(yīng)的外圍設(shè)備的動作與界面動畫是否相同，以及各個

41、交易信息的顯示功能。(3)初始化網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)關(guān)系到車道控制機(jī)是否能夠與收費站及時交換數(shù)據(jù)，所以這部分在設(shè)計開發(fā)時主要采用了網(wǎng)絡(luò)(ping)命令，以檢測網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)是正常還是不通。(4)初始化車道信息通過讀取系統(tǒng)配置文件，判斷車道入/出口類型，獲取該車道的相關(guān)信息。包括車道號，車道收費站號、車道控制機(jī)的IP地址，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器IP地址以及車牌識別器IP地址。(5)初始化車道外圍設(shè)備。對所有的外圍設(shè)備包括:視頻卡、VDM字符疊加器、費額顯示器，RSU控制器，IO控制進(jìn)行初始化，同時加載電動欄桿、環(huán)檢測器等處理程序。系統(tǒng)初始化流程圖如圖4-2所示。4.3 OBU軟件系統(tǒng)功能框圖 OBU前臺軟件子

42、系統(tǒng)(以下簡稱子系統(tǒng))是一個MCU軟件系統(tǒng)，不提供操作系統(tǒng)。OBU提供了以有線的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信用于軟件調(diào)試，參數(shù)配置，版本管理等功能。OBU通過空口與RSU完成DSRC，完成交易等過程。軟件系統(tǒng)的基本功能框圖如圖4-3所示。子系統(tǒng)主要分為一下幾個大的軟件功能模塊:(1)安全模塊:根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這是必須提供的。其加密部分將來可能會有安全芯片取代。(2)網(wǎng)管模塊:提供OBU參數(shù)配置，調(diào)試工具模塊，性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計，信令跟蹤等功能。(3)系統(tǒng)控制:完成系統(tǒng)初始化，提供消息隊列等功能(4)驅(qū)動模塊:完成芯片驅(qū)動，LCD以及蜂鳴器等外設(shè)驅(qū)動。同時也包括空口物理層的驅(qū)動實現(xiàn)。(5)ETC協(xié)議:實現(xiàn)電子不停車

43、收費標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流程。COM上位機(jī)ICOBU安全模塊網(wǎng)管模塊 ETC系統(tǒng)模塊 協(xié)議 驅(qū)動RSU7816協(xié)議圖4-3 OBU軟件系統(tǒng)的功能框圖4.4 RSU總體架構(gòu)和通信接口(1)在一般的應(yīng)用背景下，RSU在5.8G無線信道上與OBU設(shè)備進(jìn)行交互，同時又要能接受從路側(cè)計算機(jī)處發(fā)來的指令，此時需要通過有線方式將RSU與路側(cè)計算機(jī)進(jìn)行連接。RSU設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。(2)在ETC應(yīng)用中，RSU設(shè)備通過以太網(wǎng)或者串口與車道計算機(jī)相連，而車道計算機(jī)通過此連接將相應(yīng)應(yīng)用指令發(fā)送給RSU設(shè)備，包括入口交易信息、出口交易信息、標(biāo)識站應(yīng)用信息等；同時RSU又與每一個通過當(dāng)前路口的OBU設(shè)備在完成了BST

44、與VST的交互之后建立起專用的DSRC通信鏈路。RSU將相應(yīng)的交易指令封裝到一系列的request中發(fā)送給OBU；RSU再從OBU返回的response中提取出上層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并通過此連接鏈路轉(zhuǎn)發(fā)給車道計算機(jī)，由車道計算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理。RSU與PC之間的通信接口可能包含以下幾種方式:(1)標(biāo)準(zhǔn)串行接口:可采用RS一232、RS一485等，相應(yīng)的設(shè)置建議為:串行口采用半雙工的異步串行通訊方式，波特率115200bPs.(2)以太網(wǎng)接口:采用10/10OM及以上以太網(wǎng)(RJ45接口)，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接。在TCP/IP方式下RSU將作為服務(wù)器端存在，PC為客戶端。(3)USB接口:應(yīng)兼容USB1.1及USB2.0。與其它兩種方式相比，以太網(wǎng)接口具有連接距離較遠(yuǎn)，收發(fā)速率快等優(yōu)勢，因此也成為RSU設(shè)備與車道計算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的首選方式。在實際ETC應(yīng)用中RSU設(shè)備將充當(dāng)與車道計算機(jī)以太網(wǎng)連接以及與OBU之間DSRC專用鏈路連接的“中繼器”，實現(xiàn)兩個方向上的數(shù)據(jù)收發(fā)及轉(zhuǎn)換。ETC應(yīng)用中RSU系統(tǒng)將具有TCP/IP以及DSRC雙協(xié)議棧網(wǎng)關(guān)功能。 RSUDSRC協(xié)議棧HDLC驅(qū)動驅(qū)動計算機(jī)RS232 TCP/IP上層通信及控制協(xié)議數(shù)據(jù)分發(fā)模塊