基于RFID技術的不停車收費系統(tǒng)的設計
基于RFID技術的不停車收費系統(tǒng)的設計
摘要：在分析研究ETC的組成、工作原理和工作流程的基礎上，完成ETC總體框架設計；在基于射頻識別技術的基礎上，對硬件系統(tǒng)中核心部件電子標簽與讀寫器進行硬件設計與分析；然后對ETC軟件進行開發(fā)設計，完成系統(tǒng)軟件總體框架的設計和分析。最后對研發(fā)的ETC系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試，給出試驗結果并進行分析。
0 引言
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控制、處理系統(tǒng)，是電子技術、通信和計算機、自動控制、傳感技術、交通工程和系統(tǒng)工程的綜合產物。不停車收費的關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，通過無線電波進行數(shù)據(jù)交換、獲取車輛的類型和所屬用戶等相關數(shù)據(jù)，并由計算機系統(tǒng)控制指揮車輛通行，其費用通過計算機網(wǎng)絡，從用戶所在數(shù)據(jù)庫中專用賬號自動繳納。
當車輛通過擁有不停車收費系統(tǒng)(Electronic Toll Collection，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。圖1為不停車收費系統(tǒng)的工作示意圖。
1 ETC自動收費系統(tǒng)方案
封閉式網(wǎng)絡環(huán)境下ETC系統(tǒng)按車型和行駛里程收費，收費系統(tǒng)對進入高速公路的每一輛車的車型進行識別并判斷類型，確認其進出口地址，按征收費率計算費額并完成收費。從ETC的工作流程分析可知一個較為完整的ETC車道所需的各個組成部分，由此可設計如圖2所示的ETC車道自動收費系統(tǒng)框圖。下位機有MSP430+ARM組成，通過與上網(wǎng)機連接，把數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)缴衔粰C，這樣就進行整個ETC系統(tǒng)分布式網(wǎng)絡化布局，ARM系統(tǒng)主要完成控制，MSP430單片機則主要負責車輛繳費信息的顯示，采用RFID技術，通過路側天線與車載射頻標簽之間的無線通信，在不需要司機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。
2 系統(tǒng)硬件設計
在設計系統(tǒng)時應該先確定ETC系統(tǒng)中射頻識別的工作頻率。5．8 GHz的工作頻率是目前的主流頻率，很有可能成為國際標準頻率。然而由于現(xiàn)在國內市場上還沒有成型的5．8 GHz射頻模塊，故本文的射頻識別系統(tǒng)擬選用915MHz的射頻模塊進行實驗研究，系統(tǒng)的總體框圖如圖3所示。
其基本工作原理：電子標簽進入微波通信區(qū)域后，安裝在路側的標簽讀寫器通過天線向外發(fā)射信號，電子標簽被輻射出的信號激活從而進入工作狀態(tài)，根據(jù)接受到的命令向讀寫器回送相應的相應數(shù)據(jù)。通過電子標簽將與該車輛對應的m號碼發(fā)射給讀寫器，用于ETC收費系統(tǒng)對車輛進行身份辨析。
2.1 電子標簽的設計
由于目前我國車輛自動識別系統(tǒng)中通常使用的是兩片式電子標簽加雙界面CPU卡的方式，因此讀寫器還可以接收一些其他信息，讀寫器讀取信息并解碼后，送至后臺計算機系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理，標簽讀寫器也將根據(jù)控制系統(tǒng)的反饋信息更新電子標簽內存儲的信息，完成全部工作過程。
本文所設計的ETC射頻識別系統(tǒng)選用有源的被動式讀寫型并具有防碰撞功能的雙片式組合型電子標簽。電子標簽安裝在車輛儀表臺上或擋風玻璃上，在交通流量大且易產生交通堵塞的收費站點按需設置若干條ETC收費通道，駕駛員只需將雙界面IC卡插入雙片式ETC電子標簽內就可以實現(xiàn)不停車自動收費，這樣就可大幅提高收費站的通行能力，最大限度地緩解交通壓力；在交通流量小的收費站口，只設置IC卡收費車道即人工半自動停車收費，駕駛員要從雙片式ETC電子標簽中撥出雙界面IC卡在刷卡器上進行刷卡交費，短暫停車后再通過收費站。
2.2 雙冗余技術實現(xiàn)
考慮到ETC系統(tǒng)常年在室外惡劣環(huán)境下工作，會受到各種天氣和污染的影響，所以本ETC系統(tǒng)中對其核心控件采取嵌入式系統(tǒng)和單片機的冗余控制，以保證系統(tǒng)的正常工作。
嵌入式系統(tǒng)具有實時性和穩(wěn)定性，功能強大，有利于產品的更新?lián)Q代。而MSP430則是以超低功耗、超強功能著稱，多個I/O口也可為日后的系統(tǒng)升級提供足夠大的空間。因此本ETC系統(tǒng)選擇嵌入式系統(tǒng)和MSP430單片機的雙核冗余控制。
這種冗余設計主要通過完成ARM系統(tǒng)和MSP430各自的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，它們的控制板都可與射頻收發(fā)芯片進行信息交換，采集地感天線的脈沖信號，控制欄桿、聲光報警、紅綠燈、顯示屏等車道設備。嵌入式系統(tǒng)和MSP430之間采用485通信。
在ARM微處理器上選用的是三星公司的ARM9芯片S3C241O，為了開發(fā)方便使用S3C2410開發(fā)板進行設計，ARM開發(fā)板具有如下功能：采集來自地感線圈的脈沖信號；SPI接口可與射頻收發(fā)芯片進行信息交換，采用232/485通信：預留多個I/O接口以便控制欄桿、聲光報警、紅綠燈、顯示屏等車道設備；具有Flash存儲器。
3 射頻收發(fā)器的設計
無線射頻芯片是整個無線通信單元設計的核心。設計ETC系統(tǒng)時需要考慮諸多現(xiàn)實因素，包括體積、功耗、傳輸速率等，因此射頻芯片的選擇至關重要。本系統(tǒng)選擇挪威Nordic公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905。
4 軟件設計
ETC電子不停車收費系統(tǒng)總體軟件設計主要應包含：系統(tǒng)硬件初始化設計、OBU喚醒部分設計、OBU主控單元軟件、RSU單元功能實現(xiàn)軟件、RSU與車道計算機通訊接口功能實現(xiàn)的軟件設計等。
車輛在高速公路出入時軟件系統(tǒng)的交易流程設計如圖4所示。
ETC系統(tǒng)是一個基于射頻技術的通信系統(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行協(xié)調處理，對隨時可能接收到的數(shù)據(jù)進行處理，同時要對系統(tǒng)中的中斷快速響應。系統(tǒng)的響應時間是系統(tǒng)結構設計時最重點考慮的因素，微處理器的速度影響系統(tǒng)的響應時間。
由于本文中的ETC系統(tǒng)較為復雜，各種響應的優(yōu)先級有所不同，想要在一定時間內做出快速響應，就必須設計一個復雜的、完善的軟件結構，本文研究設計中使用了函數(shù)隊列調度結構。
在函數(shù)隊列調度結構中，當最高優(yōu)先級的設備發(fā)生中斷時，系統(tǒng)剛剛執(zhí)行最長的任務代碼函數(shù)，此時就發(fā)生了最壞的情況，其響應時間等于最長任務代碼的執(zhí)行時間。
在本系統(tǒng)的設計中使用串口中斷和定時器中斷，更多的是對各個層次的輪詢操作，操作有很強的層次性，比如RSU要發(fā)送一個幀，要先后經(jīng)歷應用層、LLC子層、MAC子層、物理層等過程，是遵循一定的順序。
5 系統(tǒng)測試
本課題組對于所研究設計的電子不停車收費系統(tǒng)總體功能進行了測試。測試結果如表1所示：試驗結果表明，系統(tǒng)整體功能測試的結果可以滿足車輛在低速行駛時不停車即可完成車輛繳費全過程的自動實現(xiàn)，但在高速行進的車輛，車載OBU與BSU通信的準確度降低，系統(tǒng)成功率也因此降低，這些需要在以后的設計中進行重點研究。
6 結束語
電子不停車收費系統(tǒng)是國際上正在努力開發(fā)并推廣的一種用于公路、大橋和隧道的自動收費系統(tǒng)，電子不停車收費(ETC)技術是一種先進的電子收費技術方式，它基于專用短程通信(DSRC)技術，通過路側天線與車載電子標簽之間的通信，在不需要司機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。ZTC技術具有免除現(xiàn)金交易、無需停車快速通過、有效提高通行能力、大大提升服務水平、簡化收費管理、降低環(huán)境污染等明顯特點和優(yōu)勢。尤其在聯(lián)網(wǎng)收費的路網(wǎng)環(huán)境下可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，有助于提高公路網(wǎng)的綜合運輸能力和服務水平。
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