基于无线射频技术的不停车收费系统的设计.doc

第一章 绪论1.1 引言 近年来，随着各类车辆特别是私家车的快速增长，由于大多中小城市高速公路收费站仍采用人工收费方式，使得车辆在交费时需完全停止，引起的交通拥挤、延误等问题不断出现，在交通高峰期拥堵现象尤为严重。在如何提高收费结算率、避免拥堵方面，收费站已成为高速公路的“瓶颈”问题。另外车辆频繁的启动、刹车也造成了能源浪费和环境污染，同时也加快了车辆部件的磨损，带来交通隐患。基于RFID技术的高速公路自动收费系统采用无线方式，通过安装在车辆前部的射频卡(缴费卡)和置于收费站内的读卡器进行信息交换，是一种全自动收费方式.该系统的开发与实现，可以消除人为因素带来的影响，对于提高收费效率，降低车辆拥堵率具有积极作用。本文结合射频识别技术的应用提出了一种基于射频识别技术的高速路不停车电子收费系统(或称电子收费系统Electronic Toll Collection system，通常称为ETC)。这个电子收费能够让汽车正常速度形式过收费站，很大程度加强了高速公路的流量接受度;推动高速公路的收费方式向电子化发展，减少了高速公路的运营成本，对于运输行业的营运收益会有很大提升;ETC收费站比人工收费站的规模小，节约基建费用和管理费用;杜绝了传统的收费方式的缺点和人工收费的舞弊行为，保证了高速公路收费系统的公平性和高效性;很大程度减少了汽车经过收费站的等待时间，节约了能耗，减少了污染。简而言之，它使高速公路管理更有效率，更加规范化和智能化。1.2 国内外发展现状1.2.1国内电子收费系统发展情况 我国最早的ETC 系统应用开始于1996 年10 月，广东省路路通有限公司引进美国TI 公司的ETC 收费设备，开发了ETC 收费系统软件，并在佛山、南海、顺德等地方的收费公路上建立了ETC 车道并投入运营，发行了一万多张电子标签。1998 年，北京首都机场高速公路采用美国MTECH公司的产品，开通了两条ETC 车道，发行了500 多张电子标签。2001 年，广东省采用组合式ETC技术在广韶公路、虎门大桥完成ETC 示范工程并使组合式ETC技术进入了真正的可操作阶段。2003 年，长沙机场高速路开通了当时最先进的路桥不停车收费系统。2004 年，成都机场高速公路启用不停车收费系统。2005 年，北京机场高速公路收费站“升级版”的不停车收费系统投入运行，新系统增加了抓拍取证、违章稽查等功能。2006 年12月31日，八达岭高速与京津塘高速的15个收费站将试行不停车收费系统。2007 年4月，厦门高速公路不停车收费系统运行。目前，我国提出“双界面CPU卡+两片式电子标签”的组合式联网收费技术方案，并采用人工半自动付费方式和电子不停车收费相结合方式，这种收费方式在很大程度上解决了大规模路网内电子不停车收费问题。组合式联网收费系统适合我国高速公路收费发展的特点和需要。组合式收费系统可以在已建系统上新增电子预付费业务，避免了重复投资或浪费的问题。我国在进行ETC系统建设时，只需对交通拥堵的收费站或有特别需求的收费站进行改造，涉及的主要是局部车道改造，而无须让ETC系统自身单独构成一个封闭式网络。 最近几年来，随着我国高速公路联网收费的发展，国内众多省市高速公路已开通电子不停车收费（ETC）车道。区域内联网收费已很成熟，但区域间联网收费却存在系统兼容问题，阻碍了我国高速公路的健康发展。2007 年 3月 19日，电子不停车收费系统标准正式出台，该标准从物理层、数据链路层、应用层、设备应用和物理层主要参数测试方法五方面做出了相应规定。 从 1996年至今，我国范围内己经有26个省市相继开通了共6800多条ETC车道。并且通过实践证明，大多数ETC系统是安全、稳定、可靠的，并且取得一定规模和经济效益。截至2013年底，我国的ETC用户数量已经超过600万，根据2014年3月，交通部发布的交通运输部关于开展全国高速公路电子不停车收费联网工作的通知的内容：到2015年底，全国ETC联网，建成较为完善的ETC基础设施网络，主线收费站ETC覆盖率达到100%;建立多元化的用户发展模式，全国ETC用户数量达到2000万。未来我国ETC的市场前景巨大。1.2.2 国外电子收费系统发展情况 国际上，美国、欧洲、日本诸国很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程实施和标准规范进行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标准的草案，欧洲和日本提出的标准较为成熟，获得了较广泛的厂商支持。自从1988 年美国Lincon 隧道首开不停车收费系统以来，目前美国已有十多个运输管理机构在进行这方面的工作，大量的不停车收费车道已在美国国内的高速公路上开通。不停车收费系统已经成为美国回收公路投资的有效手段。三菱株式会社、丰田株式会社是日本国内不停车收费系统研究的领先者，并在世界各地广泛地开展不停车收费系统验证实验。1995 年，日本建设省和公路管理公司组织国内10 多家单位在全国各地进行不停车收费系统的现场实验。1997 年，编制了不停车收费标准草案并提交给国际标准化组织ISO/204 委员会，并于1998 年在全国推广不停车收费系统。欧洲在不停车收费方面起步更早，1986 年挪威的Bergen 首次开通不停车收费系统以来，意大利、西班牙、英国、法国等国先后在国内开始了ETC 的应用。1997 年在欧洲标准化委员会（CEN）的协调下，欧洲的不停车收费标准草案顺利通过。 国外的不停车收费技术发展应用已20多年，主要集中在美国、日本、意大利、法国、新加坡等发达国家，由于研究起步较早，成果比较显著，技术的使用及系统的管理也相当成熟、完善，并且逐步形成规模效益。1.3 不停车收费系统的优缺点 优点: (1)车辆经过收费站不需停车，节省时间，提高高速公路通行能力。 (2)计费合理，能够根据路程长短公平收费。 (3)自动收费，减少了收费员的劳动，杜绝了舞弊行为。 缺点: 初次投入资金比较大，维护费用昂贵。ETC对于技术要求较高，国内通过多年的试探阶段 ，目前已形成一定的规模和经济效益。1.4 不停车收费系统的发展方向 国内的不停车收费系统经过近几年的探索、研究与实践，技术上己经达到推广的要求。现在国内所使用的ETC系统收费大多使用的技术都是基于射频技术的不停车收费系统。不停车收费技术刚开始兴起的时候，由于国际上没有形成规模，没有统一的标准，各地使用的技术也不尽相同。未来ETC的方向是朝着国际化，规范化发展。我国目前正在制定的相关的技术标准。 近年来，ETC建设在国内越来越受到重视，随着电子收费的使用，国内许多路段开始走向联网收费模式。在联网收费实施的进程中，各地必须统一标准，协调技术上的困难。目前的情况，让我们认识到了ETC联网收费的实现还有许多需要解决的问题: 1.首先，每个城市内部的ETC技术必须有统一的标准，进行小范围内的联网收费。 2.目前的ETC系统的设备和关键技术大多是国外引进，造价比较高。国内的技术有待进一步发展。收费站，目前国内建成的收费站，结构上不能满足ETC车道要求。如果另外建设ETC成本较高。 总之，我国的近几年ETC的发展虽然遇到很多问题，但也取得了不小的进步。目前国内许多省份己经拥有多条ETC车道。与人工收费方法比较，ETC收费系统的市场适应性更强，要求国内机构加强这方面的发展。目前，国内大多数收费方式还是以人工收费方式为主。1.5本文的结构 第一章：提出目前国内交通量增加，交通拥堵问题的出现。采用了具体的ETC解决方案。并介绍国内外ETC发展现状，以及ETC的优缺点。 第二章：ETC系统概述，介绍ETC收费系统的收费方式、组成、工作原理以及关键技术。 第三章：RFID系统设计，介绍射频系统的工作原理，以及组成部分和各部分的设计。第四章：不停车收费系统的设计方案。第五章：总结1.6本章小结本章分析了目前国内高速公路交通拥堵的实际情况，采用了ETC方式收费的解决方案。介绍了ETC收费系统的收费方式和国内外的发展情况以及经济、社会效益、环境效益和经济效益。第二章 不停车收费系统的概述2.1不停车收费系统的定义 电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection System，简称ETC系统)利用专用短程通信技术(Dedicated Short Range Communication，缩写为DSRC)，通过安装在收费车道旁边的设备装置(RUS)与安装在汽车前挡风玻璃上的电子标签装置(OBU)之间的信息交互，实现车辆自动识别(Automatic Vehicle Identification简称 AVI)技术，车辆自动分类(AVC, Automatic Vehicle Classification)技术和视频监控技术(VES , Video Enforcement System)，采用电子用非现金方式支付，不停车方式实现自动收取车辆通行费的收费方式。简而言之，即安装ETC电子标签的车辆可以以不停车方式行使通过ETC收费站，安装在收费站的设备自动对同行车辆完成收费的操作过程。ETC收费的方式主要有两类:记账式和IC卡扣除式。2.1.1记账式自动收费方式 记账自动收费方式是由收费站读取设备和汽车驾驶员使用的电子IC卡组成。此系统的工作方式是:当汽车通过收费车道时，置于汽车前端的挡风玻璃上(如图2.1所示)的电子标签将被OBU设备激活，读取IC卡内的信息(卡号、车型、车牌号码、车主姓名等信息)传输到站台计算机，站台计算机将这些数据信息进行验证、处理后，根据车型、路程计算出应该支付的通行费，然后将该车的所有信息以及通过时间做1条记录存储在数据库中，以备事后在该用户IC卡的车辆账户上扣除通行费用，或者通知该账户的车主交通行费用，这样就完成了一次记账式不停车收费的全过程。 图2.1电子标签安装方法2.1.2 IC卡扣除式自动收费方式 IC卡扣除式自动收费方式由路侧单元设备、车载两片式电子标签机和双界面电子IC卡组成。此系统的工作方式是:当装有两片式电子标签机和双界面电子IC卡，并且IC卡上有资金卡的车辆驶入收费车道第一通讯区域时，收费车道上的天线就被激活，并发射微波信号激活车载电子标签，识别该车辆并和车辆内部的电子标签进行信息交换。天线将读取车载电子标签机和双界面电子IC卡的车主信息、车型、IC卡号、卡内资金余额等信息发送给收费车道旁边的路侧单元设备，通过计算机对数据检测可行后，通过车载两片式电子标签机在IC卡上扣除金额，当车载两片式电子标签机完成扣款后，车辆进入下一通讯区时，路侧单元设备接受两片式电子标签机送回扣除的结果消息，若发回操作完成消息，则控制路侧单元设备的计算机将对车辆的信息、出入口、收费金额等信息做1条记录存储在数据库，这样就完成了一次IC卡扣除式自动收费。 记账式自动收费方式需交互的数据比较少，效率高，车辆可在高速行驶的状态下完成收费交易，路侧单元设备比较简单，并且银行会帮助扣除通行费用，不需要运营单位直接与道路使用者之间进行金钱交易，这样会减少之间的矛盾。用户可以定期去银行缴纳通行费，一般不会出现逃费、透支的现象。 IC卡扣除式自动收费方式由于需交互的数据量大，路侧单元设备比较复杂、设备技术要求严格、还需要进行现场扣除费用，需要的设备比较复杂，投入资金较大。2.2不停车收费系统的的组成及工作原理依据国内目前高速公路的现状和电子不停车收费系统的发展情况，目前国内的ETC收费系统普遍应用技术上比较成熟的5.8GHz微波频段的专用短程通讯技术，此收费系统的车载电子标签(OBU)普遍使用两片式电子标签和双界面CPU卡组合工作的形式，达到了使电子不停车收费技术和人工收费技术的成功结合。目前在我国正在推广使用阶段。2.2.1 ETC车道系统构成 ETC系统分为前台和后台两部分。其中，前台系统包括车辆自动识别系统(Automatic Vehicle Identification, AVI)、车辆自动分类系统(Automatic Vehicle Classification, AVC)和视频稽查系统(Video Enforcement System, VES)三个核心系统;后台系统包括计算机管理系统、道路运营管理系统、结算中心管理系统、银行管理系统、客户服务中心管理系统等。两者的结构图分别如图2- 2, 图2-3所示。图2-2 ETC收费系统前台系统结构图车辆自动识别系统(AVI)，其主要功能是识别用户身份并判断其有效性，包括激光设备与无线电调频设务两大类。激光设备通过扫描车辆外侧的条码获取用户身份信息，而无线电调频设备则是通过设备终端发出的无线波与车载用户身份标识卡之间的通信完成用户信息识别过程的。相比之下，激光设备容易受环境距离等因素影响，无线电调频设备可靠性更高。 车辆自动分类系统(AVC)，其主要功能是借助传感器组传送的信息确定车辆的收费类别。该系统分为传感器系统和事务处理系统，由前置线圈、感应踏板、发射光塔、扫描仪和高速摄像等设备组成。其中，传感器系统用于识别车辆的体积、重量、装载人数、车轴或车轮的数目、车辆的用途等等，传感器将包含车辆信息的信号提交事务处理系统后，其中的车辆分类单元根据这些信息确定车辆的收费类别。 视频稽查系统(VES)，其主要功能是自动获取违章车辆的车牌号码。该系统的核心是利用API编程、单片机编程、快速查询算法、模糊识别等关键技术，借助光学字符识别设备实现非法用户的识别。过程包括感应触发、图像的俘获、识别、储存、处理和删除等。 后台系统的工作任务主要是为前台系统提供保障以及对前台工作的补充和完善。内容包括向客户发售车载标识卡、费用的补交与查询、存储和管理抓拍图像等。后台系统实际上是一个连接各终端的计算机网络，并具有财务结算性质。收费系统软件车道收费业务管理财务管理图像监控上下岗处理，后台处理及通讯软件系统管理数据监控数据稽查交通分析报表打印数据查询图像捕捉查询图像收费软件补票收费 软 件图2-3 ETC收费系统后台系统结构图 2.2.2不停车收费系统的工作原理 不停车收费系统，通过应用微波自动识别技术和设备，可以将收费工作快速的完成。因为汽车的电子标记就是电子标签，所以，所有车辆都要有电子标签，电子标签大部分都是安装在车辆前而的挡风玻璃上，它主要应用射频信号空间耦合来交换数据。一旦持卡的车辆进入不停车收费车道，这个车的车型就能被车型识别设备自动检测到，这辆车电子标签卡的信息就能被射频自动识别读写器读出来，然后将识别采集到的数据传送到车道控制服务器内中，并进行比较，如果黑名单上没有这辆车的车号，经设备识别出来的车型和记录的车型一样，电子卡中的剩余金额不小于上缴金额，那么，这个电子卡就是有效的，否则，它就是无效的。如果这辆车的电子标签卡是有效的，那么，栏杆就会自动抬起，通行信号灯就会从红灯变成绿灯。当车辆离开检测范围之后，栏杆就会自动关闭，通行信号灯就会从绿灯变成红灯一在这个过程中，驾驶员可以在不停车的情况下就可以顺利经过不停车收费系统收费车道。 2.3 不停车收费系统的工作流程 ETC是一个集中了射频识别、计算机网络、信息处理以及自动控制等多项高新技术，在公路自动收费综合系统中的应用。它利用车载RFID电子标签自动与安装在路侧或门架上的RFID阅读器进行信息交换，中心控制计算机根据RFID电子标签中存储的信息识别出车主信息，然后自动从车主的银行账号中扣除通行费。ETC收费系统可以做到通行车辆不停车、车辆通行时无人操作与无现金交易。ETC收费系统效果图如图2.4所示。 图2 .4 ETC收费系统的示意图 高速路收费站ETC通道采用智能型远距离非接触RFID阅读器，当车辆驶抵收费站ETC通道入口时，RFID阅读器将收费站入口信息数据写入车载RFID电子标签内。该车辆在驶至下个收费站ETC通道出口时，RFID读写器读取出车载RFID电子标签的信息并将读取到的信息传送到ETC后台管理系统。经ETC后台收费管理系统核对无误后完成一次网上银行的自动收费，并开启绿灯或其他放行信号，控制道闸抬杆，指示车辆正常通过。如果核对该车辆通行合法性有误，则维持红灯或其他停车信号，指示该车辆属于非正常通行车辆，同时安装的高速摄像系统能将车辆的有关信息数据快速记录下来并通过管理人员进行处理。该系统的工作流程如下: (1)车主办理ETC通行以及网上银行业务。车主到高速公路管理部门购置RFID电子标签。由发行系统向RFID电子标签输入车辆识别码，并在数据库中存入该车辆的全部有关信息，并在银行系统开通网上银行业务，使银行账户与车主信息绑定。 (2)车辆信息入库。发行系统将上述车主、车辆信息输入收费计算机系统。RFID电子标签贴在车上相应的部位，可以立即使用。 (3)收费站ETC通道入口写信息。当车辆通过高速公路ETC通道入口时，该站的收费系统的RFID阅读器发出射频信号，由RFID电子标签的天线接收射频信号，激活RFID电子标签后，该RFID读写器同时还向RFID电子标签写入入口信息。写入信息也由电子标签的天线接收，写入RFID电子标签芯片中。 (4)收费站ETC通道出口读信息。当车辆通过高速公路ETC通道出口时，该站的收费系统的RFID阅读器发出射频信号，由RFID电子标签的天线接收射频信号，激活RFID电子标签后，RFID读写器读写出RFID电子标签中存储的入口信息。 (5)车辆处理。收费计算机系统向执行机构输出执行信号。当网上银行的储值，即结余金额足够支付过站的费用时，出站口绿灯亮，给予放行;若结余金额己不多，处于警告值以下，则黄灯亮，提示车主应再购买储值，但仍予以放行;若结余金额不足或己无余款，则红灯亮，不予放行。对于闯红灯的车辆，将由站内摄像机自动摄下站牌号，并由计算机系统记录冲红灯的时间，以便追究其责任。 (6)收费完成。上述过程，均于瞬间完成，ETC系统可保证车辆高速通过收费站，收费计算机系统将通过该站的车辆识别码及其新储值等信息，经通信网络，送至有关中心与其他收费系统中。 2.4 本章小结 本章对不停车收费系统定义作了诠释，介绍ETC收费系统的收费方式、组成、工作原理以及工作流程。 第三章 RFID识别系统研究3.1射频识别系统的概念RFID即无线射频识别，俗称电子标签，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并对其信息进行标志、登记、储存和管理，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。 3.2射频识别系统的组成及工作原理3.2.1 RFID系统组成 一般来说，射频识别系统由射频标签、读写器和应用系统三部分组成，其组成结构如图3.1所示。其中射频标签由天线和芯片组成，每个芯片都含有唯一的识别码，一般保持有约定的电子数据，在实际的应用中，射频标签粘贴在待识别物体的表而，其分类、特点及应用领域见表1。读写器是根据需要并使用相应协议进行读取和写入标签的信息的设备。它通过网络系统进行通信，从而完成对射频标签信息的获取、解码、识别、和数据管理，有手持的或者固定的两种。应用系统主要完成对数据信息的存储和管理，并可以对标签进行读写的控制。应用系统 读 写 器 电 子 标 签接 口 模 块 数 据 库 管 理 系 统 天 线 射 频 模 块 控 制 模 块 接 口 模 块时 钟存储器编码器 电源调制器控制器 天 线图3.1射频识别系统的组成结构参数低频率高频率超高频率微波125134kHz13.56MHz868915MHz2.45.8GHz读取距离1.2m1.2m4m15m速度慢中等快非常快环境影响无影响无影响影响较大影响较大全球接收频率是是部分（欧美）部分（非欧盟）主要应用畜牧业和动物管理智能卡、门禁、产品标识物流和供应管理不停车收费、货盘标识的管理 表1 电子标签分类及特性3.2.2 RFID工作原理 RFID技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现的无接触式信息传递并通过所传递的信息达到自动识别的技术。其工作原理和过程概述如下: 1)工作原理。利用射频信号和空间耦合传输特性实现对被识别物体的自动识别。射频标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(非接触)耦合。在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通信及能量感应方式来看大致可以分成:电感耦合及电磁反向散射耦两种，如图3.2所示。一般低频的RFID大都采用电感耦合，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。而高频大多采用电磁反向散射耦合(如雷达原理模型)，发射出去的电磁波，碰到口标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合 电磁反向散射耦合N读卡器SS标签N读卡器SS标签图3.2无线电子标签工作原理 2)工作过程。当带有电子标签的物品在读写器的可读范围内时，读写器发出磁场，查询信号将会激活标签，标签根据接收到的查询信号要求反射信号，读写器接收到标签反射回的信号后，通过内部电路的解码处理无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的口的。然后进一步通过计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。3.3本章小结本章对无线射频技术的定义作了诠释，对射频识别系统的组成、工作原理以及工作过程作了介绍。第四章 不停车收费系统的设计方案 完整的不停车收费系统车道系统框图如图4所示。ARM嵌入式系统主要完成总体控制，MSP430单片机主要负责车辆缴费信息的显示，二者互为冗余且都可以控制整个系统，一旦一方出现异常，另一方即可发出报警信息，在故障排除前代其行使职责，以保证不停车收费系统车道的正常工作。上位机FLASHMSP430ARM单色LED屏CC1100声光报警整形道闸垂直极化平板天线LC振荡垂直极化平板天线地感线圈 图4不停车收费系统车道系统框图4.1车辆检测器的设计 车辆检测器是高速公路交通管理与控制的主要组成部分之一，是交通信息的采集设备。它通过数据采集和设备监控方式，在道路上实时地检测交通量、车辆速度、车流密度和时空占有率等各种交通参数，这些都是智能交通系统中必不可少的参数。检测器检测到的数据通过通信系统传送到本地控制器中或直接上传至监控中心计算机中，作为监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的主要依据。 设计中主要使用车辆检测器作为整个系统的启动开关，当道路检测器检测到有车辆进入时，就发送一个电信号给RFID读写器的主控CPU，由主控CPU启动整个视频识别系统，对来车进行识别，并完成自动收费。常用的车辆检测器种类很多，有电磁感应检测器、波频车辆检测器、视频检测器等，具体的有环形地感线圈检测器、磁阻检测器、微波检测器、超声波检测器、红外线检测器等，其中，地感线圈检测器和超声波检测器都可做到高精度检测并且受环境以及天气的影响较少，更加适用于不停车收费系统。 但是，超声波检测器必须放在车道的顶部，而读写器的天线也需要放置在车道比较靠上的位置，二者就有可能会互相影响，且超声波检测器价格更高，故在性价比上要逊于地感线圈，更重要的是，地感线圈的技术更加成熟，因此系统采用的是地感线圈检测器。地感线圈的原理结构如图4.1所示，其工作原理是在地而下埋设环形电感线圈，这样，当有车经过时就会引起电路谐振频率的上升，只要检测到此频率随时间变化的信号，就可以检测出是否有车辆通过。环形线圈的尺寸可随需要而定，每车道埋设一个，计数精度可达到2%。环行线圈调节电压相位比较器输入放大器相位锁定器电流源输出图4.1地感线圈的原理结构图4.2双核冗余控制设计 考虑到不停车电子收费系统需要常年在室外环境下工作，一般会受到各种恶劣天气的影响以及各种污染的侵蚀，所以系统采用了双核控制的策略一嵌入式系统和单片机的冗余控制。这一策略的具体内容是，平时二者都处于工作状态，嵌入式系统负责总体控制，单片机负责大屏幕的显示，相互通信时都先检查对方的工作状态，一旦某一个CPU状态异常，另一个就立即启动设备异常报警，并暂时接管其工作以保证整个系统的正常工作，直到故障排除恢复正常状态。这种冗余设计的实现主要是通过两套控制系统完成，即嵌入式系统和MSP430单片机各有一套控制板，可以与射频收发芯片进行信息交换，都可以采集地感线圈的脉冲信号，都可以控制道闸、红绿灯、