电子不停车收费系统研究Word文档下载推荐.docx
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徐晓磊
班级学号：
通信124-13
指导教师：
李萍
评阅教师：
摘要
我国高速公路的发展变化越来越快，与此同时我国车辆也以非常快的速度日益增加，而导致高速公路出入口出现了明显的车辆拥堵现象，重要路口在高峰期会出现车辆拥堵排队付费的状况，这严重降低了高速公路车辆出入的效率。
同时由于车辆的停车排队拥堵的现象也造成了环境的污染和能源的浪费。
这对交通的发展不利，停车缴费系统已越来越满足不了国家发展的要求。
由此不停车收费系统应运而生。
电子不停车收费系统（ElectronicTollCollection），指的是车在进出收费站的时候，系统通过车上安装的设备实现对车辆的识别、信息读写然后自动的从原来已经绑定好的IC卡或银行帐户上扣掉相应的路费，这种收取路费的方式所需要的时间是人工收费通道的4-11倍，大大的提高了交通的通行率。
本文研究了不停车收费系统，并从系统功能、组成、关键技术方面进行了研究，目的是提高收费的效率从而提高车辆的通行率。
在叙述了ETC的关键技术并详细阐述了系统的硬件设计的基础上，研究了射频识别技术原理。
同时，对不停车收费系统软件进行了开发设计。
结果表明将RFID技术应用于高速公路后，初步解决了高速公路的自动收费问题，提高了收费站通行效率。
关键词：
RFID；
不停车收费；
智能交通；
无线通信技术。
Abstract
ChangesinChina'
shighwaydevelopmentarefasterandfaster,inthemeanwhile,vehicleisgettingfasterandfaster,resultinginasignificantinterchangeofcongestionatpeaktrafficcongestionwillbepaidqueuingsituation,whichseriouslyreducinghighwayvehicleaccessefficiency;
thesametimeastheparkingofvehiclesqueuingcongestionphenomenonalsocausedenvironmentalpollutionandwasteofenergy.Thisisdetrimentaltothedevelopmentoftraffic,parkingpaymentsystemhasbeenincreasinglyunabletomeettherequirementsofnationaldevelopment.Wherebythetollcollectionsystemcameintobeing.Electronictollcollectionsystem（ElectronicTollCollection）,referringtothecarintimeandoutofthetollsysteminstalledbythecar'
sequipmenttoachievetheidentificationofthevehicle,andthenautomaticallyreadandwriteinformationfromtheoriginalbindinghasagoodICcarddeducttheappropriatefareorbankaccount,thewaythistimetochargetollsneedis4-11timesofmanualtolllanes,increasetheefficiencyofthroughputrate.ThispaperstudiesthetollcollectionsystembasedonRFIDtechnology,alsoresearchfromthefunction,compositionandapplicationaspectsoftheresearch,aimstoimprovetheefficiencyofchargetoincreasetherateofpassageofthevehicle.Basedonthestudyoftheprincipleofradiofrequencyidentificationtechnology,itdescribesthekeytechnologyofETC.Meanwhile,thetollcollectionsystemsoftwaredevelopmentanddesign.TheresultsshowthataftertheRFIDtechnologyusedinhighway,initiallysolvedtheproblemofautomatictollhighway,improvetheefficiencyoftrafficthroughputrate.
Keywords:
RFID；
ETC；
IntelligentTransportation；
Wirelesscommunication。
目录
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第一章绪论1
1.1研究背景与发展意义1
1.2ETC在国内外动态1
第二章电子不停车收费系统关键技术3
2.1自动车型分类技术3
2.2违章车辆抓拍技术4
2.3车辆识别技术5
第三章系统硬件设计7
3.1不停车收费系统（ETC）构成7
3.2不停车收费系统（ETC）功能7
3.3系统的工作原理8
3.4ETC系统的架构设计9
3.5ETC系统功能模块的划分9
3.6车载电子标签10
3.7射频识别技术原理11
3.8射频识别系统的硬件设计11
第四章ETC系统通信仿真15
4.1ETC通信系统的数据编译码15
4.2ETC系统的调制解调20
4.3A类标准通信仿真25
结论29
参考文献30
致谢32
第一章绪论
1.1研究背景与发展意义
电子不停车收费系统对比于传统的收费模式有很多优势。
其中最主要的一个就是适应于各种各样的收费道路、各种各样的收费道路的情况。
对于过去人们那种非法的逃费现象、闯栏杆机等不文明的行为可以更好地维护并加以解决。
从上述就可以看的出来智能化交通就是增加自己的新功能，新模式，然后解决优化完善以前存在的各种各样的缺点。
比起之前的收费方式电子不停车收费还有很多的优势，不仅方便了广大的行车用户，还可以降低收费站的拥堵现象，增加道路的利用率，减少了尾气的排放，保护了生态环境。
交通问题对于国家来说一直都是给与了高度的关注，尤其是论文中提到的电子不停车收费系统，中华人民共和国交通部门指出，收费技术的发展方向就是趋向于不停车收费系统，根据每个城市的具体情况，实现智能化交通收费。
智能交通系统（IntelligentTransportationSystem）即ITS是目前我国的主要发展的方向，是国家政策的重点关注项目之一。
智能交通系统综合运用在了所有的交通运输管理体系之中。
研究探讨智能交通系统在我国交通领域的实施，对提高整体交通运输的效率，对环境污染进行有效的整治与环境的保护，以及保障交通运输的安全性有着重大的意义[1]。
从提高交通通行能力和提高国家经济发展两方面可知采用ETC能达到如下作用：
有效提高出入交通的通行效率，减少停车交费带来的交通延误，节省了人们的劳动力和人工收费的开支，对周边环境也有着保护的作用。
本文主要研究的就是智能交通系统中的最重要的系统技术即电子不停车收费系统简称ETC（ElectronicTollCollection）。
1.2ETC在国内外动态
我国对电子不停车收费系统研究与发展较国外而言相对发展较晚，国外早在二十世纪就对此有研究，并且在国际上获得了国际组织的初步认可，在国际上也获得了很多厂家的硬件和软件商的支持。
二十世纪末，欧洲的不停车收费标准草案顺利通过并得到了厂家的支持与国家的推动发展。
美国在成功把不停车收费系统应用在高速公路收费站之后，此项目得到了大力的支持。
之后美国在电子不停车收费系统上进行了大力的发展，智能交通系统进入了急剧增加的发展期。
国内的技术起步较晚，落后于其他的先进国家。
国内主流的系统主要釆用模拟电路实现，与现今流行的数字系统相比，有不稳定、不易于维护、功能少、交易成功率低等缺点[2]为解决以上的问题，本文主要研究了电子不停车收费系统的主要工作原理，并针对系统内的车辆识别技术设计出新的ETC系统实现方案。
第二章电子不停车收费系统关键技术
电子不停车收费系统是一种先进的管理系统，它包括了自动识别技术、无线通信传播技术、传感技术以及计算机技术等多种技术[3]，简称ETC系统，现在在高速公路上已经被大幅度推广，能够在不停车的情况下完成收取过路费或者停车费，提高了道路交通的效率，电子不停车收费系统跟人工收费模式相比，最主要特点是不用停车付费，提高了收费的准确性与通行效率，使人力大大降低。
通过电子不停车收费系统的应用，一方面有效的降低城市交通拥堵问题，增加汽车通行的效率，另一方面，还可以保证通行的顺畅，而对于有关人员来说也可大大降低其工作难度和压力，缩小人员队伍建设，缩小成本，从而使城市交通方面的利益最大化。
不仅如此，利用这种电子收费的方式，可以满足收费站的零现金的收费方式，也能够准确的把找错钱之类的问题规避掉，正因为这个系统拥有的这些好处，使有关部门提高了重视程度，成为了十一五规划之中的重要组成之一，全国各地提倡使用此电子系统并且加大宣传力度，它有效的解决了我国城市拥挤堵塞的问题，可以让我们的城市越来越畅通，经济也会越来越发达。
2.1自动车型分类技术
系统要求
收费公路自动车型分类系统是按照收费车型分类标准，通过机器设备对通行车辆特征进行自动检测并分类的设备，它是实现公路自动收费的关键设备之一。
因用于收费目的，系统要求：
（1）中国具有万国车型、各种改装车较多、自动车型判定困难、但自动车型分类实际精度必须达到或者接近人工判型精度、以免造成出口车型修改的巨大工作量和收费作弊问题。
（2）必须能高精度识别车辆和行人等干扰物、可靠检测车辆行进方向、确保车型队列正确。
可辨识悬轴、可区分货车与客车、可测量车辆车道行驶位置。
（3）必须能长期经受超载重车碾压。
（4）大、暴雨经常造成收费广场积水、设备必须能抵抗一定的路面积水。
（5）设备必须能24小时连续运转、出现问题必须能在几小时内购得备品备件进行快速维护。
系统组成
自动车型分类系统主要由车辆分离光栅、车轴识别器、轮胎识别器、车头高度检测器、数据采集与处理器、输出接口、接口软件和队列管理器等部分组成。
（1）车辆分离光栅：
采用红外光检测车队中车辆的机电装置。
在车辆进入车辆分离光栅的检测区域时，给系统提供检测数据起始信号，在行进过程中给出车辆高度数据，在整车全部通过分离光栅检测区后，给系统提供检测数据结束信号，保证车辆检测数据与车辆一一对应的装置。
（2）车轴识别器：
通过检测试过车轴识别器的车辆轮胎，判断试过车辆轴数的设备。
（3）轮胎识别器：
通过检测驶过车胎识别器传感器的轮胎间的空隙，判断驶过轮胎是单轮或双轮的设备。
（4）车头高度检测器：
用来检测车辆第一轴位置的车体高度，并和车型分类标准进行自动比对，判断其是否超标的装置。
（5）队列管理器：
为监视和人工干预队列的排队车型，确保上位机获取对应车的车型而设计的监控软件。
2.2违章车辆抓拍技术
主要由数码照相机、图像传输设备、车辆牌照自动识别系统等组成。
对不安装车载设备OBU的车辆用数码相机实施抓拍措施，并传输到收费中心，通过车牌自动识别系统识别违章车辆的车主，实施通行费的补收手续[4]。
系统由四大部分构成：
前端图像采集部分、数据处理部分、传输部分、中心管理部分。
前端采集部分是系统的前沿部分，是整个系统的“眼睛”，它把监测的内容变为图像和数据信息，传送到控制主机，抓拍识别部分的好坏及它产生的图像信号质量将影响整个系统的质量。
网络传输部分是系统的图像信号通道。
传输系统就是系统的图像信号的传输通路。
数据处理部分和中心管理部分是整个系统的“心脏”和“大脑”，是实现整个系统功能的指挥中心。
2.3车辆识别技术
车辆自动识别技术：
作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术，作为传统的车辆管理办法的升级和补充，满足了生活节奏不断加快对当今车辆管理提出的要求[5]。
车辆自动识别技术是利用感应、无线电波或微波能量进行非接触双向通信，实现信息获取和数据交换的自动识别技术。
车辆自动识别技术利用雷达反射原理，读写器通过天线向电子标签发出微波查询信号，电子标签被读写器微波能量激活，接受到微波信号后应答并发出带有车辆数据信息的回波信号。
读写器接收到车辆电子标签这些信号后，由读写器中的解码器解析出与车辆有关的各种信息，从而建立读写器与电子标签的通讯联系，解析出的车辆信息再通过计算机处理，实现车辆自动识别的目的。
车辆电子标签安装在车辆的挡风玻璃或集装箱车（金属标签）的车身上，在车辆通道或停车场出入口安装射频识别读写器。
在正常工作时，当车辆通过读写器时，读写器会发出提示音，标明自动识别成功，读写器将读取的信息传输到出入口控制机的微处理器内，实现车辆信息的采集和临时车辆的缴费，并通过控制道闸等设备完成通道控制。
车辆自动识别技术主要有以下特点：
识别距离不小于6米，在1-10米之间可调；
能够可靠地识别静态或高速移动目标；
可以同时识别多张不同号码的射频卡；
信号穿透力和绕射力强；
信息的安全性和保密性高；
集成度高、兼容性好、通信简单快捷；
性价比高，便于安装和维护。
车辆自动识别技术是附属于全部的系统最重要的部分。
是全部系统可以正常运行的前提。
现在，平时应用较多的系统普遍有3个模块构成[6]。
分别是车载单元、路测单元以及数据处理单元。
车载单元是相当于在车上贴的小便签，可以说是汽车的身份证明，里面具体地说明了汽车的精确内容，我们还可以把它通过数据的形式发射出去，当配有小标签的汽车路过这个特别站台的时候，车上的小便签就发出讯号，他就会立刻被系统接收到，然后进而执行下一步指令。
路侧单元指的是接收信号的地方，主要由信号的识别设备和信号的接收设备组成，当汽车路过路侧单元时它会对车载单元所发出的信息进行车辆的信息接收与识别，经过简单处理后，会把信号发送给数据处理单元进行信号处理。
数据处理单元可以说是整个系统最核心的地方。
他会对结合搜到的信号进行处理和比照，在仔细核查之后，会进行费用处理，并且认真记录每一个数据。
所以车辆自动识别技术是ETC中重要的技术。
第三章系统硬件设计
3.1不停车收费系统（ETC）构成
ETC收费车道系统包括车道天线、路侧读写控制器、收费计算机系统以及其它外围设备。
车道天线是指安装在收费车道前端线干上的读写控制器与OBU（车载单元）进行连接，车到前端的天线收到OBU的信号然后通过上位机的指令唤醒电子标签，读写器与电子标签之间进行匹对，连接成功后[7]，电子标签被写入相应的车辆信息进行下一个阶段的信息传输，同时控制器也交换到对应的数据，接着回传到上位机数据库。
收费系统包括数据库、ETC相关设备站，车道控制机等。
电子标签是由车道控制机来控制进行读写车辆数据，可以查询最初的交易记录以及车辆的黑白名单、车道外围交通设备的连接信息，并且可以通过站内ETC汇总、编辑、上传。
在收费车道、收费站应配备ETC应用软件。
ETC应用软件分为收费车道ETC应用软件和收费站ETC应用软件，应完成不停车收费系统的全部功能。
ETC应用软件应采用模块化结构设计。
车道外围设备包括自动栏杆、车检器、雨棚灯、费额显示器、车道监控抓拍设备、声光报警器等。
摄像机采集到的视频信号通过字符叠加器叠加后，一路传到亭内车道控制器，另一路通过远端光接入设备（R1000）上传到收费站本地光接入设备（L1000），最后显示在监控室的监视器上。
ETC系统构成图如下图3.1。
3.2不停车收费系统（ETC）功能
如果探测到车辆的驶入驶出并且进行车辆的记录，发送记录的数值。
路侧单元是与车载单元进行通讯，实现车辆身份识别，电子扣分的装置（以下简称RSU）。
可以实时进行取证抓拍。
可以对过往的车辆进行记录保存。
查找资料并且查看收费标准等，可以得出此次费用，回写出口标识。
主线站由入口一次性的收取费用，通过程序进行执行，其中包含起降杆的起与落，他会给程序提供车辆的各种信息，上传扣费的数据，通过信息的传导进行出入口车道的通车记录等。
收费这个程序可以单独运作，就算有了其他的设备进行连接，它也可以自己运行。
图3.1ETC系统构成图
3.3系统的工作原理
高速公路收费的特点是不仅要按照车型分类标准收费，而且按照入出口的距离标准进行收费。
各种类型的不停车收费系统的收费过程基本相同，其原理是在车辆上安装一种标识卡，在ETC收费车道上安装有车载标识卡的读写设备，当车辆进入ETC收费车道时，标识卡以微波通信方式与该车道的天线进行双向数据交换，从卡上读取车牌照号、车型等数据,如需要也可向车载标识卡上写入信息，系统根据读取的信息，识别车辆合法与否，进行数据处理，计算收费金额，并从其账户上扣除相应金额[8]，记录交易数据,控制车道外部设备等，具体流程为：
（1）后台系统初始化车载标识卡，将车牌照号、车型、收费率等数据写入标识卡，并发放给客户，建立有关客户档案。
（2）车辆进入ETC收费车道，感应天线激活线圈，进而激活微波天线，读取标识卡上的信息，并传送给车道控制机进行核查。
（3）如为合法车辆，则进行收费交易，依据后台系统完成清算，通行灯将会变绿，显示收费额和余额，车辆通过，记录数据。
（4）如为非法车辆，车道控制机触发报警信号，同时控制自动栏杆下落，关闭车道，车道摄像机进行图像抓拍,车辆进行人为处理。
3.4ETC系统的架构设计
本次设计中所采用的架构为C/S架构的，其系统主要组成包括收费站、分中心和总中心三部分组成，并且各部分均构成相应的局域网，设置有相对应的数据库服务器，并将车道设置收费站进行数据采集的前端，促使其在完成相应的数据采集之后，可将业务数据实时传送到收费站的服务器，待收费站处理完相应的数据之后，应用传输中间件将处理好的数据传送给总中心和分中心。
该系统的硬件组成主要包括车道控制器、工控机、触发线圈、车辆检测器、微波读写控制器、抓拍摄像机和声光报警器等。
在各设备的连接应用过程当中，车道计算机的连接主要结合RS232串行微波读写控制器和电缆线实现。
而微波天线和电子标签之间的信息交互作用主要通过ETC车道的相应软件系统进行控制。
车道计算机则主要是由车道控制器，进而实现与高速挡车器、车道通行灯、费用显示器和车辆检测器等的连接，并且ETC车道软件对其运行进行控制。
3.5ETC系统功能模块的划分
ETC系统的功能模块主要组成包括数据通信、车道前端、ETC管理和车道监视四部分[9]。
车道前端主要处理相应的车道交易，并控制和检测车道的外部设备，同时还需抓拍过往的车辆，并将其图像保存。
数据通信的功能主要是进行参数下载，以及上传对应的收费数据。
而车辆模块主要在于对收费情况，以及车辆的设备状况进行监视。
ETC的管理职责主要是对其数据进行统计、查询和稽核等。
3.6车载电子标签
车载电子标签内部存有该车辆和该车辆用户的特征信息，包括车辆型号、车牌号、车主的银行账户等信息。
当读写器发送查询信号时，电子标签将内部的数据信息发送给读写器。
本文采用的是无源电子标签，因此电于标签把数据信号传递给读写器所利用的技术是反向散射调制技术。
电于标签的具体结包括匹配网络、阻抗开关、振荡器等元器件。
具体的工作过程为；
根据电子标签所要传递信息的不同，通过控制电子标签内天线阻抗的大小，使反射回读写器的调制信号的幅度发生细微的升高或降低[10]。
而这些微小的幅度变化就包含育电子信号EEPROM中的信息，而改变电子标签内天线标签阻抗的方法有很多，但一般都是以一种被叫做“阻抗开关”的方法为基础转变而来[11]。
电子标签内需要传送的信号与一个由中频振荡器产生的中频信号进行与运算，从而完成对数据信息的调制过程，然后将调制后的信号与“阻抗开关”相连，这样连接的目的是对载波信号进行调制。
为了能够提高射频识制系统的工作范围，我们需要再连接一个匹配网络，匹配网络能够使系统得到一个比较大的调制系数。
从而能够将射频识别系统的读写范围扩大。
无源射频卡（电子标签）的优势
（1）非接触性。
无源射频卡与读写设备之间没有机械接触，无机械损伤。
与读写设备也没有插口（全密封），能适应多尘、潮湿等恶劣环境，可靠性高，使用寿命长。
（2）响应速度快。
普通磁卡的信息交换只有1～2kb／s，而射频识别卡信息交换速度为毫秒级，支持在高速移动中读卡。
（3）安全保密性好。
普通磁卡受到强磁场干扰会丢失信息，信息易被窃取、篡改或伪造。
射频识别卡利用存储器记录信息，不受磁场的干扰，卡内有专用的电路模块，可作密码运算和双向密码鉴别，数据安全性和保密性能好。
（4）体积小，方便各种封装形式，价格比有源卡便宜许多。
3.7射频识别技术原理
射频识别技术（RFID）利用了电磁感应技术、无线电波进行非接触双向传播技术，来识别目标并进行数据交换[12]。
应注意RFID有很多工作频段，工作原理也不尽相同，有的工作于近场，可用电磁感应描述，有的必须用电磁波发射来解释远场状态。
国际上最流行的EC/ISO14443A标准的射频卡与读写器之间通过电感藕合方式来完成读写通信。
当读写器对卡进行读写时，读写器由两部分组成：
一部分是电源信号，该信号由卡接收后，由卡的UC回路产生一个瞬时能量来供给芯片工作。
另一部分是指令和数据信号，让芯片完成数据的读取、修改、存储等工作，并传输信号给读写器。
图3.2为RFID的基本模型示意图。
图3.2RFID的基本模型示意图
3.8射频识别系统的硬件设计
（1）无线射频芯片选择
无线射频芯片是整个射频系统的核心部件，基于高速公路应用的需求，考虑方案成本低，体积小，功耗低，通信距离远，集成度高，外围元件少，加工容易，数据传输率高，传输时间短，接口简单，开发方便等因素，本文选择了NRF401射频芯片。
（2）无线通信模块设计
nRF401的射频天线使用的是外接天线，该外部天线使用差分方式连接至nRF401的ANTI和ANTZ端，天线端推荐负载阻抗为400Ω。
功率放大器输出是两个开路输出三极管，配置成差分放大电路，功率放大器的VDD必须通过集电极负载，当采用差分环形天线时，VDD必须通过环形天线的中心输入[13]。
在设计中，由于发射和接收频率的误差应该
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