基于RFID技术的不停车收费系统设计审批稿.docx
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基于RFID技术的不停车收费系统设计审批稿
YKKstandardizationoffice【YKK5AB-YKK08-YKK2C-YKK18】
基于RFID技术的不停车收费系统设计
基于RFID技术的不停车收费系统设计
电子信息工程专业周广洲
指导教师黄勇坚
摘要：
本文研究了基于RFID技术的不停车收费系统，并从功能、组成、应用方面阐述了系统的架构，旨在提高当前高速公路收费站的通行效率。
在研究了射频识别技术原理的基础上，给出了一种基于NRF401射频芯片的射频系统，并详细阐述了系统的硬件设计。
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
TheDesignofNoStopElectronicTollCollectionSystemBasedon
RFIDTechnology
ElectronicandInformationEngineeringZhouGuangzhou
TutorHuangYongjian
Abstract：
ThepaperstudiesthenostopelectronictollcollectionsystembasedonRFIDtechnologyandexpoundtheframeworkofthesystemfromthefunction、constitutionandapplication.Thepurposeofthethesisisimprovingtheefficiencyofthetraffic.ThepaperresearchedtheprincipleofRFIDtechnologyandpresentsaradiofrequencysystembasedonchipNRF401,statethehardwaredesignofthesystemindetail.Meanwhile,designingthesoftwaresystemofthenostopelectronicsystem.TheresultsshowthattheapplicationoftheRFIDtechnologycansolvetheproblemofthehighwayautomaticchargeandimprovethetrafficefficiencyofthetollstation.
Keywords:
RFID；ETC；IntelligentTransportation
引言随着国民经济的持续快速发展，城市机动车数量急剧增长，高速公路上局部堵塞以及事故频发问题越来越突出，己成为制约各城市间经济发展的主要瓶颈之一，也是各级政府部门和社会公众关注的热点问题。
在收费高速公路项目管理中，由于存在多家高速公路建设与经营管理公司，导致各高速公路实行独立收费，严重影响了高速公路快速畅通的运行。
射频识别（RadioFrequencyIdentification,RFID）技术是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，它是利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别的目的，该技术具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪最具有发展前途的信息技术之一[1]。
为实现在高速公路上采用不停车收费方式，实现高速公路快速畅通运行，就显示出巨大的优越性。
1课题研究背景和发展现状
研究背景及意义
智能交通系统（ITS，即IntelligentTransportationSystem）是21世纪现代交通运输体系的发展方向，是国家“十五”重点攻关项目。
ITS是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术及计算机处理技术等综合运用于整个交通运输管理体系。
通过对交通信息的实时采集、传输和处理，借助各种科技手段和设备，对各种交通情况进行协调和处理，建立起一种实时、准确、高效的综合运输管理体系，从而使交通设施得以充分利用并能够提高交通效率与安全，最终使交通运输服务和管理智能化，实现交通运输的集约式发展。
ITS的目标和功能包括如下几个方面:
提高交通运输的安全水平；减少交通堵塞；保持交通畅通；提高运输网络通行能力；帮助人们在使用交通时更安全、方便、快捷、舒适；降低交通运输对环境的污染程度并节约能源；提高交通运输生产效率和经济效率。
与传统交通运输水平手段相比，ITS不是单纯依靠建设更多的基础设施、消耗大量资源来实现以上目标和功能，而是在现有或较完善的基础设施上，将先进的通信技术、信息技术、控制技术等有机的结合起来，综合应用于整个交通运输系统，实现其目标和功能。
目前国际上公认的ITS的服务领域为以下几个方面:
先进的交通信息服务系统、先进的交通管理系统、电子收费系统、货运管理系统等[2]。
本文主要研究的就是ITS中的重要部分—高速公路电子不停车收费系统（ElectronicTollCollection，简称ETC）的设计。
通过采取在高速公路范围内不停车收费的非现金交费方式，以及在主线收费站及重要出入口收费站设置不停车收费系统又称电子收费系统（ElectronicTollcollectionsystem，ETC）车道，不停车收费技术的采用将有效的解决高速公路收费站带来的交通堵塞问题。
ETC技术利用安装在车内微波频段的电子标签（无线电收发器）储存车辆编号及相关信息，安装在车道的射频天线可与该电子标签及专用无线通信方式交换信息，并对其储存内容进行读写操作，这一技术甚至允许车道设备向配备有显示器的电子标签发送交通管理信息，这就使不停车收费系统拥有城市交通管理和控制的潜在能力。
射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术是一种先进的非接触式自动识别技术，其基本原理是利用射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止的或移动中的带识别物品的自动机器识别[3]。
射频（radiofrequency）专指具有一定波长可用于无线电通信的电磁波射频识别技术，以无线通信和存储器技术为核心，伴随着半导体和大规模集成电路技术的成熟而进入实用化阶段。
RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。
即ID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共[3]。
射频识别技术应用于高速公路，可大幅提高管理与运行效率，降低成本。
基于此，本课题主要对射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术在高速公路不停车收费系统中的应用进行了设计。
不停车收费系统的研究现状与发展趋势
随着汽车运输的发展，使用高速公路的车辆将越来越多（经济发达地区这种趋势已经非常明显），当达到一定程度时，人工和半自动收费方式将不能满足高速公路上车辆营运对收费管理系统的需求，将在收费出入口处引起严重的车辆阻塞，造成巨大的经济损失，为解决这些问题，在高速公路上采用不停车收费方式，就显示出巨大的优越性。
目前各国都在积极地开发和应用不停车收费系统，就国内外的发展情况做一简单介绍[2,3,4,5]。
1.2.1不停车收费系统在国外的发展情况第一个不停车收费的应用实验是20世纪70年代末在纽约和新泽西试行的，借助于自动车辆识别的不停车收费系统，交费者既可向收费公司预付款，也可采用信用卡付账方式。
1988年美国首次将不停车收费用于LincolnTunnel，紧接着，于1989年在新奥尔良州Crescentcity大桥上实现了完整的车辆识别与计算。
同时，其他各国也纷纷推出了自己的不停车收费系统，挪威研制出了Q-free0自动不停车收费系统，该系统是将一张塑料磁卡粘贴在车辆的前窗玻璃上，当车辆到达自动收费口时，无线扫描设备通过“询问”，接受来自过往车辆上磁卡发出的电子回答，系统的主计算机存储所有磁卡编号和通过次数，并自动记录通过收费口的车辆，然后和负责账款的系统通信联系，确定收费金额，计算机图像抓拍系统将非法通过的车辆拍摄下来，警察和银行部门根据相应账单进行处罚。
厦门市路桥管理有限公司于1998年8月从挪威引进了该套自动化收费系统，并于2000年应用于厦门海沧大桥。
此外，法国、英国、意大利等国家还推出了基于视频、环形线圈、红外和微波技术的不停车收费系统。
1.2.2不停车收费系统在国内的发展情况近年来，我国各个地区均先后提出了实施不停车收费的规划。
RFID可以通过射频信号自动识别目标对象，无需可见光源，具有穿透性，可以透过外部材料直接读取数据，读取距离远，无需与目标接触就可以获取数据。
这些优点使它可以应用在智能交通领域，从而大大简化过程，提高效率。
在射频识别技术的基础上建立起来不停车收费系统，它能够实现对车辆实时监控，高效、准确的管理，车辆进出可以不停车，免伸手。
目前，不停车收费系统在我国也有了较为成熟的开发和应用。
1994年底，广东佛山大桥管理站在国内首次开发成功了1套基于微波检测技术的不停车收费系统，该系统于1995年1月1日试开通，1997年广州市开始实施全市路桥“一卡通”不停车收费推广工程，系统于1999年1月1日投入运行。
此外深圳机荷、梅观高速公路也实施了不停车电子收费系统。
在北京、上海等地的机场高速公路也先后实施了电子不停车收费系统，其中北京机场高速公路收费站采用的是美国AMTECH公司的产品，而上海机场高速路则是使用日本丰田的路边设备和单、双片式车载机及世界上最先进的双界面卡。
2007年底，包括京通快速路在内的全市n条高速路全部联网收费，除在主要收费站开通不停车收费系统外，所有的收费口还同步开通IC卡收费功能，普通公交一卡通也能轻松刷卡。
论文内容及结构安排
第1节首先分析了本文的研究背景及研究意义，其次，介绍了国内外不停车收费系统的研究现状。
第2节提出了不停车收费系统的架构，并分析了其工作流程。
第3节首先介绍了射频识别系统的原理，然后介绍了基于NRF401的射频系统硬件设计。
第4节对不停车收费系统软件进行了开发设计,完成了系统软件总体框架的设计和分析。
第5节对课题研究进行了总结。
2基于RFID不停车收费系统的论述
不停车收费系统的概述
不停车收费系统是一种能实现不停车收费的全天候智能型分布式计算机控制、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[6]。
当车辆通过拥有不停车收费系统（ETC）的收费站时，ETC系统自动完成所过车辆的登记、建档、收费的整个过程。
在不停车的情况下收集、传递、处理该汽车的各种信息。
这些信息包括车型、车牌号、车辆的颜色、银行的账号、车主姓名等。
图2-1为不停车收费系统的工作示意图。
不停车收费系统的出现是为了解决现今生活中人工收费站手工操作收费效率低、时间长，从而导致收费站成为高速公路流量瓶颈的问题。
因此，不停车收费系统，首先具有收费时间短、收费效率高且出错率低的特点；其次，降低成本，提高系统的安全性，从而使整个系统有可推广性；再则，由于不停车收费，不能得到在交纳费用后即时得到电脑票据，因此整个系统收费服务具有透明性，能处理交费复查要求，让使用者用得放心。
不停车收费系统设计的基本原则
高速公路不停车收费系统在开发设计中，必须体现下述原则[7]:
（1）系统的先进性。
为适应21世纪技术发展及未来应用需要，系统应建立在先进的软硬件平台结构之上，设计采用最新的结构技术和策略保证系统的性能在设计时最优，在今后随着计算机软硬件技术的发展而提高。
（2）系统的开放性。
开放系统是当今世界信息产业发展潮流，一个开放的系统可以充分利用世界上各种产品的优秀特性，在最小的系统开销下，方便地扩充整个系统的功能，充分保证系统的灵活性，并且随着新技术的发展，将新技术集成于系统之中。
（3）规范性。
统一化、标准化是系统取得成功的必要条件。
总体结构设计乃至
接口的设计都要遵循国际及国家通用的规范标准，并将规范化、标准化贯穿于系统
开发设计及项目生命周期的每一个阶段之中。
图2-1为不停车收费系统的工作示意图[12]
（4）继承性。
高速公路网“一卡通”收费系统作为国内公路交通领域推行新型收费方式的项目，必须充分考虑已建和在建高速公路系统的收费特征，继承和兼容原有收费管理中的经验和精华，并使之贯穿到新的一卡通收费系统中。
（5）安全性。
通过一个功能强大的安全控制系统，对系统中的任何对象及环节进行保护，满足国际和国内标准，即实现个人认证、访问控制、设置权限、通信认证等，以确保系统的安全运行。
（6）模块化。
在系统总体功能设计时应该把按照实际的功能分解为若干易于处理的系统，然后在各个系统中划分不同的功能模块。
不停车收费系统的功能分析和设计
实际联网状态下的不停车收费系统在多个独立运行的ETC系统基础上，通过通。
信网络将它们互联起来，对所有ETC收费单位进行统一管理、联网收费。
需要实现的主要功能包括:
采集收费数据;管理收费车道的交通;建立车道控制系统与后台管理网络的数据接口；实现联网收费；建立完善的结算、拆分方法；提供业主内部管理功能；满足客户、管理部门的查询要求[8]。
通过分析系统功能需求，提出模块化、层次化的结构，系统功能结构如图2-2所示。
由图2-2可知，联网环境下的不停车收费系统涵盖客户服务系统、收费管理系统和收费站管理系统[9]，即3个业务子系统及13个功能模块构成。
（1）运营管理系统
营运管理系统是联网收费系统的核心层，各收费中心利益的实现都是通过该营运中心来完成的，它不仅是整个联网收费系统的超级监控中心，同是也是个收费中心的授权认证结算中心，各收费业主将自身收益的分配交给营运管理中心负责。
主要完成以下功能:
汇集各个不停车收费系统提供的收费信息；监控省或更大范围内所有收费站管理系统的运行状态；发行、管理和维护电子标签的用户信息;管理和维护电子标签的中央账户信息[10]。
（2）收费管理系统
收费管理系统是收费系统的中央管理系统，收费站的上级部门，管理旗下的所有收费站。
由于授权营运中心负责交通费的收集与分配，收费中心从这些工作中解脱出来，从逻辑上看，它是连接下属收费站与营运管理中心系统的纽带和中转站。
它对下属收费站进行监控，并收集收费站上传的原始收费数据、违章车辆等信息，对这些数据进行分类、汇总，适时地向营运管理中心传送。
同时接受营运管理中心分发的信息，转发到下属收费站，转发信息包括:
费率表、车类转换表、黑灰名单及待注销的电子标签等[10]。
（3）收费站管理系统
图2-2联网环境下不停车收费系统功能模块
收费站监控子系统负责与通行的车辆通信、读写车载电子标签的信息并进行计费处理、控制车道的交通设备；监控ETC车道的工作情况；将车道控制机上传的原始过车记录上传到上级部门（收费中心），接收收费中心下传的最新费率表、车辆转换表、黑灰以及待注销的电子标签名单，并将这些信息下传到车道控制机内；此外还要进行本收费站内的数据处理，包括:
记录查询、报表统计、人员管理。
不停车收费系统的工作流程
车主到客户服务中心或代理机构购置车载电子标签，交纳储值。
由发行系统向电子标签输入车辆识别码（ID）与密码，并在数据库中存人该车辆的全部有关信息（如识别码、车牌号、车型、颜色、储值、车主姓名、电话等）。
发行系统通过通信网将上述车主、车辆信息输入收费计算机系统。
车主将标识卡贴在车内前窗玻璃上即可[10]。
（1）收费车辆进入到ETC车道工作区。
（2）车道控制系统的射频读写器和射频天线（统称电子标签读写设备）向车道的特定区域发车微波信号，唤醒电子标签。
（3）电子标签发射出本身数据信息，如:
发卡商（发卡银行）编号、车辆的车牌号、车类参数、电子标签号等标识信。
（4）车道控制系统读写器接受被唤醒的电子标签发射的数据，分析出车辆的标识信息（车牌号码、车辆类型参数和入口收费站号）。
（5）对进入收费车道的车辆进行电子标签合法性的校验，并根据校验结果进行下一步操作。
（6）违章车辆的图像抓拍。
当系统运行时，启动摄像机，如系统检测到违（无电子标签、非法电子标签和黑名单上的电子标签），通过存储设备保留该车辆的图像。
违章车辆数据库中的图像按时间顺序存储，并以电子标签的信息（车牌、电子标签号等）作为索引查询。
（7）根据车类参数决定收费车辆类型和收费金额，将电子标签号、车牌号、过车时间、车道号等信息组成过车记录，上传到收费站监控系统。
（8）接收收费站监控系统主机下传的数据，对车道控制机中的相应信息进行更新，这些信息包括黑名单、优惠名单、费率表等。
（9）系统复位，等待下一收费车辆的到来。
银行收到汇总好的各路公司的收费信息后，从各个用户的账号中，扣除通行费和算出余额，拨入相应公司账号。
与此同时，银行核对各用户账户剩余金额是否低于预定的临界闽值，如低于，应及时通知用户补交，并将此名单（灰名单）下发给全体收费站。
如灰名单用户不补交金额，继续通行，导致剩余金额低于危险门限值.则应将其划归无效电子标签，编入黑名单，并通知各收费站，拒绝无效电子标签在高速公路电子收费车道通行[10]。
收费结算中心设有用户服务机构，向用户出售标识卡、补收金额和接待客户查询。
后台有一套金融运行规则和强大的计算机网络及数据库的支持，处理事后收费等事项。
小结
本章先阐述了不停车收费系统的概念和设计原则，然后对不停车系统进行了功能分析和设计，最后，详细阐述了不停车收费系统的工作流程。
为下面的进一步工作做好准备。
3射频识别系统硬件设计
不停车收费系统采用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。
因此，射频识别技术是实现不停车收费系统的非常重要的关键技术之一。
射频识别技术原理
射频识别技术（RFID）利用电磁感应、无线电波进行非接触双向通信，以达到识别目标并交换数据。
应注意RF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操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成:
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，指挥芯片完成数据的读取、修改、存储等，并返回信号给读写器。
读写器一般由单片机、专用智能模块组成，并配有与PC的通信接口等，以应用于不同的领域。
图3-1为RFID的基本模型示意图。
射频识别系统的硬件设计
（1）器件的选择
无线射频芯片选型
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，其依据是：
图3-1RFID的基本模型示意图
a.发射功率:
在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应选用发射功率较高的产品。
nRF401的发送功率达到10dBm，在同类产品中的性价比较高。
b.通信距离:
nRF401的最高数据传输率可以达到20kbit/s，接收灵敏度高达-105dBm，在开阔的使用距离最远可达1000m[6]。
c.功耗:
作为高速公路收费中使用的车载标签，一般贴放于汽车的挡风玻璃上，要满足形状小巧、轻便等要求。
因此应该根据需要选择综合功耗较小的产品，nRF401的工作电流在同等发射功率下是较小的。
d.数据传输速度:
现有的无线射频芯片，数据的传输大多采用曼彻斯特编码，虽然满足数据可靠性传输的要求，但在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，最重要的是曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的三分之一，无法适应高速数据通信的需要。
nRF401是采用与单片机串口相连传输数据的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，而且采用有线方式的串口传输，数据的误码率也非常低。
车道阅读器主控制器选型
系统中，车道控制器主要负责两方面的工作:
一方面与主控机PC交换数据，另一方面实施监测车载标签的数据。
由于无线部门使用的是nRF401芯片，通过串口与单片机相连，而连接RS-485总线也要占用一个单片机串口资源，因此阅读器部分至少需要连两个串行接口。
实际设计中，使用winbond公司的W77E58作为这一部分的主控制芯片[11]。
W77E58内含两个增强型串口和32kB大容量Flash存储器，最高工作频率可达40MHz，完成一条指令最快只需要4个机器周期，并提供了12个内外部中断，两级优先级，可以适应更多的需求。
本系统中，主要利用了W77E58的双串口的特点，串行口0经过RS-485电平转换芯片与远端上位PC机进行通信，串行口1与nRF401芯片连接。
车载标签控制器选型
由于车载标签有着形状小巧、轻便、功耗低等要求，本文选择低成本、低功耗的AT89552作为标签的控制器[11]。
AT89552是一个通用的低功耗，高速8位CMOS单片机，其功能函数和管脚定义都和工业标准的80C51兼容，提供8kB的EEPROM，256bit片内RAM，32个I/0口，3个优先级和一个全双工的UART串口。
另外，由于AT89552的静态逻辑设计使得它的工作频率范围从0开始，支持两种节电模式:
Idle模式和Power-down模式。
（2）无线通信模块设计
使用nRF401进行无线通信开发，通信质量与模块的RF性能息息相关，因此nRF401通信模块的硬件设计部分是十分重要的。
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400?
。
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。
在设计中，由于发射和接收频率的误差应该在30kHz以下，因此对外接参考晶振有一定的要求，其稳定性应大于正负35ppm，否则会对接收精度有较大的影响。
外接VCO电感应选用高频电感，工作频率下Q值应在45以上，精度为2%，实际应用中使用5%精度的外接电感，系统仍能正常工作，但通信距离受到影响[11]。
图3-2为原理图。
（3）阅读器模块设计
阅读器模块由于要使用两个串口分别对上层和下层通信，因此主控制器使用的是W77E58单片机，其中串口0通过RS-485总线接口与主控制机相连，串口1则负责连接nRF401通信模块，使用无线通信与各个标签通信。
阅读器模块使用Maxim公司的MAX485芯片组成RS-485接口电路，其中单片机的、引脚控制MAX485的DE端和RE端。
RXD、TXD引脚接入RS-485网络。
作为nRF401控制和数据信号，通过双排针与nRF401模块相连。
此外，还预留了一个4针接口，与单片机系统的RXD、TXD以及VDD、VSS相连，方便系统调试和串口监控。
阅读器模块的电路如图3-3和3-4所示，其中图3-3是单片机W77E58外围电路及双排针原理图，图3-4是MAX485外围电路设计原理图。
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