基于非接觸式IC卡的高速公路收費系統(tǒng)方案

引言

公路是經(jīng)濟發(fā)展的血脈，而高速公路可稱得上是其中的動脈血管。高速公路的通暢與否直接關(guān)系到國民經(jīng)濟能否健康快速的發(fā)展。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，車輛的數(shù)量大副攀升，因此對高速公路的要求也不斷的提高，傳統(tǒng)的高速公路計費管理系統(tǒng)的問題也充分地暴露了出來，特別是主要干線公路交通擁擠、行車緩慢等問題越來越突出。目前在我國大多數(shù)高速公路的道路收費仍處于純?nèi)斯な召M的半原始狀態(tài)，效率低，需要大量人力，收費站的建成和運營成本就消耗了相當一部分資金，而且大量收費站車輛交費需要完全停止。在交通高峰時期，收費站成為高速公路的“瓶頸”，這些突出問題已造成高速公路不“高速”。同時車輛的頻繁剎車、啟動也造成了能源浪費和環(huán)境污染，同時也加快了車輛部件的磨損，帶來交通隱患。因此我們針對目前我國的實際情況設(shè)計了基于AVR單片機的高速公路收費管理系統(tǒng)，通過模擬運行，該系統(tǒng)能大大提高收費站的工作效率，節(jié)省人力、財力，同時也減輕了司機因頻繁剎車、啟動剎車交費帶來的不便及車輛不必要的消耗及磨損。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1．1 ATmegal28簡介

ATmegal28是AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CUriOS微處理器。由于其先進的指令以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmegal28的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS／MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。其具有128k字節(jié)的系統(tǒng)可編程flash，4k字節(jié)的EEPROM，4k字節(jié)的sRAM，53個通用I／O線，32個通用工作寄存器，實時時鐘RTc，4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數(shù)器，兩個USART，面向字節(jié)的兩線接口TWI，8通道10位ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，SPI串行端口以及六種可通過軟件選擇的省電模式等特點。

1．2系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)由電源模塊、IC卡讀寫識別模塊、驅(qū)動顯示模塊、控制桿執(zhí)行模塊和上位機通訊模塊等組成。電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源支持，通訊模塊負責和上位機進行通訊，傳遞重要的數(shù)據(jù)，IC卡讀寫模塊用于建立與非接觸式lc卡的物理連接通路，完成與IC卡的通訊，從卡上讀取數(shù)據(jù)并將處理完的數(shù)據(jù)重新寫入IC卡，執(zhí)行模塊用來執(zhí)行上位機的各種指令，包括放行控制等功能。驅(qū)動顯示模塊是系統(tǒng)與用戶交流的紐帶，它一方面提示用戶進行相應的操作，另一方面對車輛是否放行給出顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。 

汽車進入自動收費車道時，當持有效的IC卡在BDXIC--2讀寫卡識別模塊識別范圍內(nèi)時，讀寫卡模塊讀有效IC卡，并把讀的信號送入ATmegal28單片機中，單片機將信息進行處理同時和上位機進行通訊，并在上位機后臺數(shù)據(jù)庫中對lc卡上的費用進行減操作，同時修改該卡ID所對應數(shù)據(jù)庫信息，完成上述操作后．單片機給繼電器控制信號，控制直流電動機抬起控制桿，并顯示放行指示信號，車輛可快速通過。

1．3讀寫卡和通訊模塊

非接觸式IC卡，又名射頻卡或感應卡，是世界上近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它成功地將射頻識別技術(shù)和IC技術(shù)結(jié)合起來，解決了IC卡無源和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。本設(shè)計中采用北斗星數(shù)碼公司開發(fā)的BDX—IC--2非接觸IC卡讀寫模塊，該模塊具有體積小，外接電路簡單，通常情況下僅需在ANTEl和ANTE2兩管腳接一個1．45mH的電感天線，其發(fā)射頻率約為125kHz士2％，讀寫距離最大為80mm，屬于串行異步通訊模式，波特率為4800 bit／s，RXD和TXD兩管腳分別接ATmegal28第一個USART的PD2和PD3兩管腳。同時BDXIC一2模塊的TCON和GND兩管腳接地即可。

在通訊模塊中選擇電壓型串口通訊MAX232芯片，接線上MAX232的T1IN(TDXl)和R10UT(RXDl)兩管腳分別接ATmegal28第二個USART的PEl和PE0兩管腳，R1IN和T10UT管腳等組成與上位機的串口通訊端子。1．4驅(qū)動及顯示模塊本模塊包括兩部分：LED顯示和控制桿操作兩部分。由于LED點陣不僅可以顯示數(shù)字而且還可以顯示箭頭、符號等特殊字符。同時也因為控制簡單方便，比起LED數(shù)碼管和液晶有著特殊的優(yōu)點，因此，選用兩個8×8LED高亮點陣作為顯示指示信號，在驅(qū)動LED點陣上選擇3個74HC245，其中兩個作為列控制，一個作為行控制。

接線上ATmegal28的PA口(PA0至PA7)，PC口(PC0至PC7)和PF口(PF0至PF7)依次接3個74HC245的B口(B1至B8)，為了控制方便，74HC245的DIR管腳直接接地，即信號流從74HC245的B口流向A口。 

在控制桿執(zhí)行操作上選用如圖2所示的信號放大控制電路?？刂茥U執(zhí)行電路由普通的晶體管和兩個AGY23299型固態(tài)繼電器組成，它們共同完成帶有減速器的直流電動機A的正、反轉(zhuǎn)控制。正常情況下，控制桿放下并顯示紅燈z信號。當有車持有效lC卡通過時，完成自動交費后顯示綠燈箭頭標志放行。由于在目前情況下最有效的收費方式應為IC卡預付費方式，若持有無效IC卡或卡上余額不足時，則汽車可通過收費站的輔道進入人工收費口進行交費。 

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)并采用VB編寫界面，其管理界面如圖3所示。 

同時該軟件也以網(wǎng)絡(luò)連接為基礎(chǔ)實現(xiàn)收費站的統(tǒng)一管理。各收費站將采集到的ID號及各種信息在中央主機中查找中央數(shù)據(jù)庫，完成操作后返回信息供各收費站PC機作放行及扣費依據(jù)。各收費站PC機處理完成后再次將信息發(fā)到中央主機，完成對該ID對應的數(shù)據(jù)庫信息的修改，從而完成整個收費過程，其收費流程如圖4所示。 

3 系統(tǒng)安全性的保障措施

系統(tǒng)實現(xiàn)了最基本的IC卡收費，但這樣的系統(tǒng)并不是一個完全安全實用的系統(tǒng)。因為涉及到資金的安全，勢必需要更多的手段和措施來保障系統(tǒng)的資金安全和運行穩(wěn)定，這里我們給出了以下3種安全性措施。

(1)IC卡加密：首先IC卡上并不直接存儲用戶的存款余額，而只是存儲用戶的ID號，用戶的存款余額是存儲在中心數(shù)據(jù)庫中的。這樣便做到了重要信息的物理隔離。其次，用戶所使用的IC卡是經(jīng)過加密的，使用了64位的二進制密碼來保證存取的安全性。

(2)數(shù)據(jù)庫技術(shù)：通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)了對用戶重要信息如：車牌號、ID號、存款余額、車型等重要信息的有效保護。除了系統(tǒng)管理員以外，一般收費人員及用戶是無法直接接觸這些數(shù)據(jù)的，這樣極大地提高了IC卡收費系統(tǒng)的資金及運行安全性。

(3)安全校驗碼：為防止在高速公路的行駛過程中，不同車輛司機互換、收費人員人為作弊及使用偽造的IC卡，我們在收費系統(tǒng)中引入了安全校驗碼的概念。其原理為：在司機進入高速公路入口刷卡時，由系統(tǒng)隨機生成一個隨機碼，并將其寫入IC卡和數(shù)據(jù)庫，這一隨機碼是計算機內(nèi)部自動生成的，是對所用人保密的。當車輛駛離高速公路再次刷卡時，系統(tǒng)要檢查這一安全校驗碼是否與入口時一致，是否與車牌號相對應，若不符，馬上報警并扣留該車輛。這一措施在很大程度上杜絕了司機、收費人員、不法分子的作弊企圖，有效地提高了系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)束語

無論從交通工程還是從智能運輸系統(tǒng)的角度看，先進的高速公路收費系統(tǒng)對于我國公路運營和公路通行服務都起著非常重要的作用。隨著高速公路事業(yè)的迅速發(fā)展，電子收費技術(shù)會逐步在我國應用和完善。本文把非接觸式IC卡技術(shù)和單片機技術(shù)相結(jié)合，依托網(wǎng)絡(luò)信息服務技術(shù)，設(shè)計了一套電子收費系統(tǒng)，為解決我國高速公路目前的收費狀況提供了有益參考。