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                            基于RFID技术的不停车收费系统的设计

  摘要在分析研究ETC的组成工作原理和工作流程的基础上完成ETC总体框架设计在基于射频识别技术的基础上对硬件系统中核心部件电子标签与读写器进行硬件设计与分析然后对ETC软件进行开发设计完成系统软件总体框架的设计?#22836;?#26512;最后对研发的ETC系统进行现场测试给出试验结果并进行分析
0 引言
不停车收费系统是一种能实现不停车收费的全天候智能?#22836;?#24067;式计算机控制处理系统是电子技术通信和计算机自动控制传感技术交通工程和系统工程的综合产物不停车收费的关键是利用车载智能识别卡与收费站车辆自动识别系统的无线电收发器之间通过无线电波进行数据交换获取车辆的类型和所属用户等相关数据并由计算机系统控制指挥车辆通行其费用通过计算机网络从用户所在数据库中专用账号自动缴纳
当车辆通过拥有不停车收费系统(Electronic Toll CollectionETC)的收费站时ETC系统自动完成所过车辆的登记建?#24608;?#25910;费的整个过程在不停车的情况下收集传递处理该汽车的各?#20013;?#24687;图1为不停车收费系统的工作示意图

 


1 ETC自动收费系统方案
封闭式网络环境下ETC系统按车型和行驶里程收费收费系统?#36234;?#20837;高速公路的每一辆车的车型进行识别并判断类?#20572;?#30830;认其进出口地址按征收费率计算费额并完成收费从ETC的工作流程分析可知一个较为完整的ETC车道所需的各个组成部分由此可设计如图2所示的ETC车道自动收费系统框图下位机有MSP430+ARM组成通过与上网机连接把数据信号传输到上位机这样就进行整个ETC系统分布式网络化布局ARM系统主要完成控制MSP430单片机则主要负责车辆缴费信息的显示采用RFID技术通过路侧天线与车载射频标签之间的无线通信在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下自动完成收费处理全过程

 


2 系统硬件设计
在设计系统时应该先确定ETC系统中射频识别的工作频率58 GHz的工作频率?#24708;?#21069;的主流频率很有可能成为国?#26102;计?#29575;然而由于现在国内市场上还没有成型的58 GHz射?#30340;?#22359;?#26102;?#25991;的射频识别系统拟选用915MHz的射?#30340;?#22359;进行实验研究系统的总体框图如图3所示

 


其基本工作原理电子标签进入微波通信区域后安装在路侧的标签读写器通过天线向外发射信号电子标签?#29615;?#23556;出的信号激活从而进入工作状态根据接受到的命令向读写器回送相应的相应数据通过电子标签将与该车辆对应的m号码发射给读写器用于ETC收费系统对车辆进行身份辨析
2.1 电子标签的设计
由于目前我国车辆自动识别系统中通常使用的是两片式电子标签加双界面CPU卡的方式因此读写器还可?#36234;?#25910;一些其他信息读写器读取信息并解码后送至后台计算机系统进行有关数据处理标签读写器也将根据控制系统的反馈信息更新电子标签内存储的信息完成全部工作过程
本文所设计的ETC射频识别系统选用有源的被动式读写型并具有防碰撞功能的双片式组合型电子标签电子标签安装在车辆仪表台上或挡风玻璃上在交通流量大且易产生交通堵塞的收费站点按需设置若干条ETC收费通道驾驶员只需将双界面IC卡插入双片式ETC电子标签内就可以实现不停车自动收费这样就可大幅提高收费站的通行能力最大限度地缓解交通压力在交通流量小的收费站口只设置IC卡收费车道即人工半自动停车收费驾驶员要从双片式ETC电子标签中拨出双界面IC卡在刷卡器上进行刷卡交费短暂停车后再通过收费站
2.2 双冗余技术实现
考虑到ETC系统常年在室外恶劣环境下工作会受到各种天气和污染的影响所?#21592;ETC系统中对其核心控件采取嵌入式系统和单片机的冗余控制以保证系统的正常工作
嵌入式系统具有实时性和稳定性功能强大有利于产品的更新换代而MSP430则是以超低功耗超强功能著称多个I/O口?#37096;?#20026;日后的系统升级提供足够大的空间因此本ETC系统选择嵌入式系统和MSP430单片机的双核冗余控制
这种冗余设计主要通过完成ARM系统和MSP430各自的控制系统来实现它们的控制板都可与射频收发芯片进行信息交换采集地感天线的脉冲信号控制栏杆声光报警红绿灯显示屏等车道设备嵌入式系统和MSP430之间采用485通信
在ARM微处理器上选用的是三星公司的ARM9芯片S3C241O为了开发方便使用S3C2410开发板进行设计ARM开发板具有如下功能采集来自地感线圈的脉冲信号SPI接口可与射频收发芯片进行信息交换采用232/485通信预留多个I/O接口?#21592;?#25511;制栏杆声光报警红绿灯显示屏等车道设备具有Flash存储器
3 射频收发器的设计
无线射频芯片是整个无线通信单元设计的核心设计ETC系统时需要考虑诸多现实因素包括体积功耗传输速?#23454;x?#22240;此射频芯片的选择至关重要本系统选择挪威Nordic公司推出的单片射频收发器nRF905
4 软件设计
ETC电子不停车收费系统总体软件设计主要应包含系统硬件初始化设计OBU唤醒部分设计OBU主控单元软件RSU单元功能实现软件RSU与车道计算机通讯接口功能实现的软件设计?#21462;?BR>车辆在高速公路出入时软件系统的交易流程设计如图4所示

 


ETC系统是一个基于射频技术的通信系统并且是基于短程无线通信协议实现的ETC需要对DSRC协议的各个层?#25105;?#27714;进行协调处理对随时可能接收到的数据进行处理同时要对系统中的中断快速响应系统的响应时间是系统结构设计时最重点考虑的因素微处理器的速度影响系统的响应时间
由于本文中的ETC系统较为复杂各种响应的优先级有所不同想要在一定时间内做出快速响应就必须设计一个复杂的完善的软件结构本?#38590;?#31350;设计中使用了函数队列调度结构
在函数队列调度结构中当最高优先级的设备发生中断时系统刚刚执行最长的任务代码函数此时就发生了最坏的情况其响应时间等于最长任务代码的执行时间
在本系统的设计中使用串口中断和定时器中断更多的是对各个层次的轮询操作操作有很强的层次性比如RSU要发送一个帧要先后经历应用层LLC?#30828;㡢MAC?#30828;?#29289;理层等过程是遵循一定的顺序
5 系统测试
?#31350;?#39064;组对于所研究设计的电子不停车收费系统总体功能进行了测试测?#36234;?#26524;如表1所示试验结果表明系统整体功能测试的结果可以满足车辆在低速行驶时不停车即可完成车辆缴费全过程的自动实现但在高速行进的车辆车载OBU与BSU通信的准确度?#26723;停?#31995;统成功率也因此?#26723;停?#36825;些需要在以后的设计中进行重点研究

 


6 结束语
电子不停车收费系统是国际上正在努力开发并推广的一种用于公路大桥和隧道的自动收费系统电子不停车收费(ETC)技术是一种先进的电子收费技术方式它基于专用短程通信(DSRC)技术通过路侧天线与车载电子标签之间的通信在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下自动完成收费处理全过程ZTC技术具有免除现金交易无需停车快速通过?#34892;?#25552;高通行能力大大提升服务水平简化收费管理?#26723;?#29615;境污染等明显特点和优势尤其在联网收费的路网环境下可以充分发挥其优势有助于提高公路网的综合运输能力?#22836;?#21153;水平

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