基于RFID的高速公路不停車收費系統(tǒng)的研究與設(shè)計

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，我國的公路建設(shè)得到了飛速發(fā)展，高速公路通車里程不斷增加，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，交通流量也在不斷增加，但是收費方式還很原始，嚴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 要采用自動化程度高、方便快捷的收費管理系統(tǒng)，提高收費站的通行效率。無線射頻識別(Radio Frequency Identifica-tion, RFID) 是面世于20世紀30年代末，興起于90年代的一項自動識別技術(shù)?；镜腞FID系統(tǒng)至少 包含讀寫器(Reader)和電子標簽(Tag)。電子標簽 由芯片與天線組成，每個標簽具有惟一的電子編碼， 標簽附著在物體上以標識目標對象。RFID讀寫器 的主要任務(wù)是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號， 并接收標簽的應(yīng)答,對標簽的識別信息進行處理，以達到交互數(shù)據(jù)的目的。它能夠?qū)崿F(xiàn)多目標、運動目標的非接觸式識別，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、生活等各個領(lǐng)域。 RFID技術(shù)允許利用無線電波對多個電子標簽成批閱讀和進行遠程閱讀，其意義遠遠超過取代條形碼。

1不停車收費系統(tǒng)

1. 1 不停車收費系統(tǒng)與傳統(tǒng)收費系統(tǒng)的比較 傳統(tǒng)的收費系統(tǒng)主要有兩種方式；完全人工收費和計算機輔助收費。前者采用人工對車型進行判別，額度計算，這種收費方式?jīng)]有監(jiān)督，漏洞較大，而旦平均收費時冋長，車輛流速無法提高。后者采用 人工判別車型及收費，機器輔助檢測、監(jiān)督，計算機管理。這種方式是目前我國高速公路推廣使用的 一種較為先進的收費方式，可對收費全過程進行監(jiān)控管理，當出現(xiàn)進岀口車型判別不一致、人機歧義、 免費車輛的判別不一致或收費員所收費額與控制中心計算機計算費額不一致時，均可通過中央控制室的計算機和視、音頻監(jiān)控設(shè)備的記錄信息進行有效的判定。但在這種方式下，仍需要停車收費,交通流 量增加時，收費路口成為整個交通控制網(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 費技術(shù)，提高收費站的通行效率?；赗FID的電 子不停車收費系統(tǒng)是一個集中了無線電通信、計算 機網(wǎng)絡(luò)及信息處理、自動控制等多項高新技術(shù)在公 路自動收費綜合系統(tǒng)中的應(yīng)用。

它利用車載電子標簽自動與安裝在路側(cè)或門架 匕的微波天線進行信息交換，中心控制計算機根據(jù) 電子標簽中存儲的信息識別出標簽的使用者，然后 自動從標簽使用者的銀行賬號中扣除通行費。

1.2 不停車收費系統(tǒng)的性能特點

不停車收費系統(tǒng)的主要特點如下：

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

(2) 無論車輛行駛里程長短，均能做到收費公平合理；

(3) 除收費公路的起點外，主線一般不再設(shè)收費站，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) 路橋收費的自動管理，減輕了工作人員的勞動強度;采用電子收費也可以減少收費員出錯的機會和參與舞弊的機會,堵住收費漏洞，節(jié)約大量的人力和物力；

(5) 通過實時采集的收費數(shù)據(jù)，交通部門能及時掌握完整的路橋車流信息、收費情況，從而能夠進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，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。車主憑一張電子標簽就能在聯(lián)網(wǎng)收費區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不停車繳費；將路費的結(jié)算工作交給第三方，也極大減輕了業(yè)主的工作負擔(dān)。

2基于RFID技術(shù)的不停車收費系統(tǒng)

2. 1系統(tǒng)組成與各部分功能

不停車電子收費系統(tǒng)功能包括；收費數(shù)據(jù)采集、管理收費車道的交通、車道控制機與后臺結(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 電子收費系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 不停車電子收費系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

收費管理中心是整個收費管理系統(tǒng)的控制和監(jiān)視中心。各收費中心利益的實現(xiàn)都通過運營中心來完成。收費中心主要接收和下載收費運行參數(shù)。通信網(wǎng)絡(luò)負責(zé)在收費系統(tǒng)與發(fā)行系統(tǒng)之間、以及各站口的收費系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。

2. 2 收費站的主要功能

收費站采用智能型遠距離非接觸收費機，當車輛駛抵收費站時，通過讀取車輛上配備的電子標簽的數(shù)據(jù)，收費站的收費機將數(shù)據(jù)寫入卡片并上傳給 收費站的微機，可使惟一車輛收到信號，車輛在駛至 下個收費站時，經(jīng)過卡片和收費站機的相互認證，并 將電子標簽上的相關(guān)信息發(fā)給收費站的收費機。經(jīng) 收費機無線接收系統(tǒng)核對無誤后完成一次自動收 費，并開啟綠燈或其他放行信號，控制道閘抬桿，指示車輛7E常通過。如收不到信號或核對該車輛通行 合法性有誤,則維持紅燈或其他停車信號，指示該車輛屬于非正常通行車輛，同時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行處理。車主的開戶、記賬、結(jié)賬和查詢，可 利用計算機網(wǎng)絡(luò)進行賬務(wù)處理，通過銀行實現(xiàn)本地或異地的交費結(jié)算。

收費計算機系統(tǒng)包括一個可記錄存儲多達20 萬部車輛的數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)收費接收機送來的識別碼、入口碼等進行檢索、運行與記賬，并可將運行結(jié)果送到執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)包括可顯示車牌號、 應(yīng)交款數(shù)、余額數(shù)等。

2. 3 不停車收費系統(tǒng)車道的過車工作流程

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

3基于RFID技術(shù)的不停車收費系統(tǒng)設(shè)計

完整的不停車收費系統(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 單片機主要負責(zé)車輛繳費信息的顯示，二者互為冗 余且都可以控制整個系統(tǒng)，一旦一方出現(xiàn)異常，另一方即可發(fā)出報警信息，在故障排除前代其行使職責(zé)，以保證不停車收費系統(tǒng)車道的正常工作。圖2 不停車收費系統(tǒng)車道系統(tǒng)框圖

3.1 車輛檢測器的設(shè)計

車輛檢測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，在道路上實時地檢測交通量、車輛速度、車流密度和時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 測器檢測到的數(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)控中心計算機中，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)計中主要使用車輛檢測器作為整個系統(tǒng)的啟動開關(guān)，當?shù)缆窓z測器檢測到有車輛進入時,就發(fā)送一個電信號給RFID讀寫器的主控CPU,由主控CPU 啟動整個視頻識別系統(tǒng)，對來車進行識別，并完成自動收費。常用的車輛檢測器種類很多，有電磁感應(yīng)檢 測器、波頻車輛檢測器、視頻檢測器等,具體的有環(huán)形 地感線圈檢測器、磁阻檢測器、微波檢測器、超聲波檢 測器、紅外線檢測器等，其中，地感線圈檢測器和超聲 波檢測器都可做到高精度檢測并且受環(huán)境以及天氣 的影響較少，更加適用于不停車收費系統(tǒng)。

但是，超聲波檢測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，二者就有可能會互相影響，且超聲波檢測器價格更高, 故在性價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，當有車經(jīng)過時就會引起電路諧振頻率的上升，只要檢測到此頻率隨時間變化的信號，就可以檢測出是否有車輛通過。 環(huán)形線圈的尺寸可隨需要而定，每車道埋設(shè)一個，計數(shù)精度可達到±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

考慮到不停車電子收費系統(tǒng)需要常年在室外環(huán)境下工作，一般會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)和單片機的冗余控制。這一策略的具體內(nèi)容是，平時二者都處于工作狀態(tài)，嵌入式系統(tǒng)負責(zé)總體控制，單片機負責(zé)大屏幕的顯示，相互通信時都先檢查對方的工作狀態(tài)，一旦某一個CPU狀態(tài)異常，另一個就立即啟動設(shè)備異常報警，并暫時接管其工作以保證整個系統(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)計的實現(xiàn)主要是通過兩套控制系統(tǒng)完成，即嵌入式系統(tǒng)和MSP430單片機各有一套控制板,可以與射頻收發(fā)芯片進行信息交換，都可以采集地感線圈的脈沖信號，都可以控制道閘、紅綠燈、聲光 報警、顯示屏等車道設(shè)備。這兩者之間采用RS 485 信號，每次通信時都先檢測對方的工作狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)異常則緊急啟動本控制系統(tǒng)中的備用控制程序。

3. 3 電子標簽與閱讀器

設(shè)計中的電子標簽與閱讀器的核心模塊是TI 公司的CC1100,射頻卡（簡稱RFID卡、RF卡）是基于射頻識別技術(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)處理及安全認證功能等特有的優(yōu)點。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（也稱詢問信號），同時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（也稱應(yīng)答信號），經(jīng)處理后傳給智能控制設(shè)備。

4結(jié)語

無論從交通工程的角度，還是從智能運輸系統(tǒng)的角度看，先進的電子收費技術(shù)對于我國公路運營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)國家關(guān)于信息技術(shù)推進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步的總體思路，電子收費技術(shù)逐步在我國得到應(yīng)用和采納是必然的。對射頻技術(shù)在高速公路收費中的應(yīng)用做了較深入的探討，為解決高速公路收費問題提供了有益的參考。