基于RFID技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2003終稿

目錄摘要 2關(guān)鍵詞:RFID，不停車收費(fèi)，智能交通 2Abstract 2Keywords:RFID,ETC,Intelligenttransportation 2第一章緒論 21.1研究背景及意義 21.2不停車收費(fèi)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 31.3文章內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 4第二章基于RFID不停車收費(fèi)系統(tǒng)的論述 42.1不停車收費(fèi)系統(tǒng)的概述 42.2不停車收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 52.3不停車收費(fèi)系統(tǒng)的功能分析和設(shè)計(jì) 62.4不停車收費(fèi)系統(tǒng)的工作流程 72.5小結(jié) 7第三章射頻識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 83.1射頻識(shí)別技術(shù)原理 83.2射頻識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 83.3小結(jié) 12第四章基于RFID不停車收費(fèi)系統(tǒng)的軟件流程 124.1ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì) 124.2小結(jié) 13第五章總結(jié) 13致謝 13參考文獻(xiàn) 13基于RFID技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)電子信息工程周廣洲指導(dǎo)教師黃勇堅(jiān)摘要：本文首先針對(duì)目前所采用的人工收費(fèi)方式的缺點(diǎn)，研究了基于RFID技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)，并從功能、組成、應(yīng)用等方面闡述了系統(tǒng)的架構(gòu)。其次，研究了射頻識(shí)別技術(shù)的原理，在此基礎(chǔ)上，給出了一種基于NRF401射頻芯片的射頻系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。然后，對(duì)不停車收費(fèi)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì),完成了系統(tǒng)軟件總體框架的設(shè)計(jì)和分析。最后，對(duì)全文的工作進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：RFID，不停車收費(fèi)，智能交通ThedesignofnostopelectronictollcollectionsystembasedonRFIDtechnologyElectronicguangzhouzhouTutoryongjianhuangAbstractFirstly,aimingatthedisadvantagesofartificialchargingmethodscurrentlyemployed.ThenhaveastudyofthesystemwhichisusedintheElectronicTollCollectionanddesigntheframeworkofthesystemfromthefunction,composition,applicationandsoon.Secondly,introducetheprincipleofRadioFrequencyIdentificationtechnology,onthebasisofthis,presentsasystemofradiofrequencybasedonRFchipNRF401,anddescribesthesystemhardwaredesign.Then,forthedevelopmentanddesignofthesoftwareofnostopelectronictollcollectionsystem,completedthedesignandanalysisoftheoverallframeworkofsystemsoftware.Finally,thepapersummarizesthework.Keywords:RFID,ETC,Intelligenttransportation第一章緒論1引言1.1研究背景及意義智能交通系統(tǒng)(ITS，即IntelligentTransportationSystem)是21世紀(jì)現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系的發(fā)展方向，是國(guó)家“十五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。ITS是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等綜合運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系。通過(guò)對(duì)交通信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理，借助各種科技手段和設(shè)備，對(duì)各種交通情況進(jìn)行協(xié)調(diào)和處理，建立起一種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合運(yùn)輸管理體系，從而使交通設(shè)施得以充分利用并能夠提高交通效率與安全，最終使交通運(yùn)輸服務(wù)和管理智能化，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸?shù)募s式發(fā)展。ITS的目標(biāo)和功能包括如下幾個(gè)方面:提高交通運(yùn)輸?shù)陌踩?減少交通堵塞;保持交通暢通;提高運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)通行能力;幫助人們?cè)谑褂媒煌〞r(shí)更安全、方便、快捷、舒適;降低交通運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的污染程度并節(jié)約能源;提高交通運(yùn)輸生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效率。與傳統(tǒng)交通運(yùn)輸水平手段相比，ITS不是單純依靠建設(shè)更多的基礎(chǔ)設(shè)施、消耗大量資源來(lái)實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)和功能，而是在現(xiàn)有或較完善的基礎(chǔ)設(shè)施上，將先進(jìn)的通信技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，綜合應(yīng)用于整個(gè)交通運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)和功能。目前國(guó)際上公認(rèn)的ITS的服務(wù)領(lǐng)域?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面:先進(jìn)的交通信息服務(wù)系統(tǒng)、先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)、電子收費(fèi)系統(tǒng)、貨運(yùn)管理系統(tǒng)等[l]。本文主要研究的就是ITS中的重要部分—高速公路電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ElectronicTollCollection，簡(jiǎn)稱ETC)的設(shè)計(jì)。通過(guò)采取在高速公路范圍內(nèi)不停車收費(fèi)的非現(xiàn)金交費(fèi)方式，以及在主線收費(fèi)站及重要出入口收費(fèi)站設(shè)置不停車收費(fèi)系統(tǒng)又稱電子收費(fèi)系統(tǒng)(ElectronicTollcollectionsystem，ETC)車道，不停車收費(fèi)技術(shù)的采用將有效的解決高速公路收費(fèi)站帶來(lái)的交通堵塞問(wèn)題。ETC技術(shù)利用安裝在車內(nèi)微波頻段的電子標(biāo)簽(無(wú)線電收發(fā)器)儲(chǔ)存車輛編號(hào)及相關(guān)信息，安裝在車道的射頻天線可與該電子標(biāo)簽及專用無(wú)線通信方式交換信息，并對(duì)其儲(chǔ)存內(nèi)容進(jìn)行讀寫操作，這一技術(shù)甚至允許車道設(shè)備向配備有顯示器的電子標(biāo)簽發(fā)送交通管理信息，這就使不停車收費(fèi)系統(tǒng)擁有城市交通管理和控制的潛在能力。射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification，RFID)技術(shù)是一種先進(jìn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)及其空間耦合、傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止的或移動(dòng)中的帶識(shí)別物品的自動(dòng)機(jī)器識(shí)別[2]。射頻(radiofrequency)專指具有一定波長(zhǎng)可用于無(wú)線電通信的電磁波射頻識(shí)別技術(shù)，以無(wú)線通信和存儲(chǔ)器技術(shù)為核心，伴隨著半導(dǎo)體和大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟而進(jìn)入實(shí)用化階段。RFID標(biāo)簽具有體積小、容量大、壽命長(zhǎng)、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可支持快速讀寫、非可視識(shí)別、移動(dòng)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別、定位及長(zhǎng)期跟蹤管理。即ID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共[2]。射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于高速公路，可大幅提高管理與運(yùn)行效率，降低成本。基于此，本課題主要對(duì)射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification，RFID)技術(shù)在高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)。1.2不停車收費(fèi)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)隨著汽車運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，使用高速公路的車輛將越來(lái)越多(經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)這種趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯)，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，人工和半自動(dòng)收費(fèi)方式將不能滿足高速公路上車輛營(yíng)運(yùn)對(duì)收費(fèi)管理系統(tǒng)的需求，將在收費(fèi)出入口處引起嚴(yán)重的車輛阻塞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，為解決這些問(wèn)題，在高速公路上采用不停車收費(fèi)方式，就顯示出巨大的優(yōu)越性。目前各國(guó)都在積極地開發(fā)和應(yīng)用不停車收費(fèi)系統(tǒng)，就國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況做一簡(jiǎn)單介紹[1,2,3,4]。1.2.1不停車收費(fèi)系統(tǒng)在國(guó)外的發(fā)展情況第一個(gè)不停車收費(fèi)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)是20世紀(jì)70年代末在紐約和新澤西試行的，借助于自動(dòng)車輛識(shí)別的不停車收費(fèi)系統(tǒng)，交費(fèi)者既可向收費(fèi)公司預(yù)付款，也可采用信用卡付賬方式。1988年美國(guó)首次將不停車收費(fèi)用于LincolnTunnel，緊接著，于1989年在新奧爾良州Crescentcity大橋上實(shí)現(xiàn)了完整的車輛識(shí)別與計(jì)算。同時(shí)，其他各國(guó)也紛紛推出了自己的不停車收費(fèi)系統(tǒng)，挪威研制出了Q-free0自動(dòng)不停車收費(fèi)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將一張塑料磁卡粘貼在車輛的前窗玻璃上，當(dāng)車輛到達(dá)自動(dòng)收費(fèi)口時(shí)，無(wú)線掃描設(shè)備通過(guò)“詢問(wèn)”，接受來(lái)自過(guò)往車輛上磁卡發(fā)出的電子回答，系統(tǒng)的主計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)所有磁卡編號(hào)和通過(guò)次數(shù)，并自動(dòng)記錄通過(guò)收費(fèi)口的車輛，然后和負(fù)責(zé)賬款的系統(tǒng)通信聯(lián)系，確定收費(fèi)金額，計(jì)算機(jī)圖像抓拍系統(tǒng)將非法通過(guò)的車輛拍攝下來(lái)，警察和銀行部門根據(jù)相應(yīng)賬單進(jìn)行處罰。廈門市路橋管理有限公司于1998年8月從挪威引進(jìn)了該套自動(dòng)化收費(fèi)系統(tǒng)，并于2000年應(yīng)用于廈門海滄大橋。此外，法國(guó)、英國(guó)、意大利等國(guó)家還推出了基于視頻、環(huán)形線圈、紅外和微波技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)。1.2.2不停車收費(fèi)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況近年來(lái)，我國(guó)各個(gè)地區(qū)均先后提出了實(shí)施不停車收費(fèi)的規(guī)劃。RFID可以通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，無(wú)需可見(jiàn)光源，具有穿透性，可以透過(guò)外部材料直接讀取數(shù)據(jù)，讀取距離遠(yuǎn)，無(wú)需與目標(biāo)接觸就可以獲取數(shù)據(jù)。這些優(yōu)點(diǎn)使它可以應(yīng)用在智能交通領(lǐng)域，從而大大簡(jiǎn)化過(guò)程，提高效率。在射頻識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)不停車收費(fèi)系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控，高效、準(zhǔn)確的管理，車輛進(jìn)出可以不停車，免伸手。目前，不停車收費(fèi)系統(tǒng)在我國(guó)也有了較為成熟的開發(fā)和應(yīng)用。1994年底，廣東佛山大橋管理站在國(guó)內(nèi)首次開發(fā)成功了1套基于微波檢測(cè)技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)，該系統(tǒng)于1995年1月1日試開通，1997年廣州市開始實(shí)施全市路橋“一卡通”不停車收費(fèi)推廣工程，系統(tǒng)于1999年1月1日投入運(yùn)行。此外深圳機(jī)荷、梅觀高速公路也實(shí)施了不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)。在北京、上海等地的機(jī)場(chǎng)高速公路也先后實(shí)施了電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)，其中北京機(jī)場(chǎng)高速公路收費(fèi)站采用的是美國(guó)AMTECH公司的產(chǎn)品，而上海機(jī)場(chǎng)高速路則是使用日本豐田的路邊設(shè)備和單、雙片式車載機(jī)及世界上最先進(jìn)的雙界面卡。2007年底，包括京通快速路在內(nèi)的全市n條高速路全部聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，除在主要收費(fèi)站開通不停車收費(fèi)系統(tǒng)外，所有的收費(fèi)口還同步開通IC卡收費(fèi)功能，普通公交一卡通也能輕松刷卡。1.3文章內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排第1章首先分析了本文的研究背景及研究意義，其次，介紹了國(guó)內(nèi)外不停車收費(fèi)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。第2章提出了不停車收費(fèi)系統(tǒng)的架構(gòu)，并分析了其工作流程。第3章首先介紹了射頻識(shí)別系統(tǒng)的原理，然后介紹了基于NRF401的射頻系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。第4章對(duì)不停車收費(fèi)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì),完成了系統(tǒng)軟件總體框架的設(shè)計(jì)和分析。第5章對(duì)課題研究進(jìn)行了總結(jié)。第二章基于RFID不停車收費(fèi)系統(tǒng)的論述2.1不停車收費(fèi)系統(tǒng)的概述不停車收費(fèi)系統(tǒng)是一種能實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)的全天候智能型分布式計(jì)算機(jī)控制、處理系統(tǒng)，是電子技術(shù)、通信和計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、傳感技術(shù)、交通工程和系統(tǒng)工程的綜合產(chǎn)物。不停車收費(fèi)的關(guān)鍵是利用車載智能識(shí)別卡與收費(fèi)站車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的無(wú)線電收發(fā)器之間，通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、獲取車輛的類型和所屬用戶等相關(guān)數(shù)據(jù)，并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制指揮車輛通行，其費(fèi)用通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，從用戶所在數(shù)據(jù)庫(kù)中專用賬號(hào)自動(dòng)繳納[5]。當(dāng)車輛通過(guò)擁有不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)的收費(fèi)站時(shí)，ETC系統(tǒng)自動(dòng)完成所過(guò)車輛的登記、建檔、收費(fèi)的整個(gè)過(guò)程。在不停車的情況下收集、傳遞、處理該汽車的各種信息。這些信息包括車型、車牌號(hào)、車輛的顏色、銀行的賬號(hào)、車主姓名等。圖2一1為不停車收費(fèi)系統(tǒng)的工作示意圖。不停車收費(fèi)系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了解決現(xiàn)今生活中人工收費(fèi)站手工操作收費(fèi)效率低、時(shí)間長(zhǎng)，從而導(dǎo)致收費(fèi)站成為高速公路流量瓶頸的問(wèn)題。因此，不停車收費(fèi)系統(tǒng)，首先具有收費(fèi)時(shí)間短、收費(fèi)效率高且出錯(cuò)率低的特點(diǎn);其次，降低成本，提高系統(tǒng)的安全性，從而使整個(gè)系統(tǒng)有可推廣性;再則，由于不停車收費(fèi)，不能得到在交納費(fèi)用后即時(shí)得到電腦票據(jù)，因此整個(gè)系統(tǒng)收費(fèi)服務(wù)具有透明性，能處理交費(fèi)復(fù)查要求，讓使用者用得放心。2.2不停車收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)中，必須體現(xiàn)下述原則[6]:1.系統(tǒng)的先進(jìn)性。為適應(yīng)21世紀(jì)技術(shù)發(fā)展及未來(lái)應(yīng)用需要，系統(tǒng)應(yīng)建立在先進(jìn)的軟硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)之上，設(shè)計(jì)采用最新的結(jié)構(gòu)技術(shù)和策略保證系統(tǒng)的性能在設(shè)計(jì)時(shí)最優(yōu)，在今后隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而提高。圖2一1為不停車收費(fèi)系統(tǒng)的工作示意圖[11]2.系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是當(dāng)今世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展潮流，一個(gè)開放的系統(tǒng)可以充分利用世界上各種產(chǎn)品的優(yōu)秀特性，在最小的系統(tǒng)開銷下，方便地?cái)U(kuò)充整個(gè)系統(tǒng)的功能，充分保證系統(tǒng)的靈活性，并且隨著新技術(shù)的發(fā)展，將新技術(shù)集成于系統(tǒng)之中。3.規(guī)范性。統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化是系統(tǒng)取得成功的必要條件。總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)乃至接口的設(shè)計(jì)都要遵循國(guó)際及國(guó)家通用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并將規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化貫穿于系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)及項(xiàng)目生命周期的每一個(gè)階段之中。4.繼承性。高速公路網(wǎng)“一卡通”收費(fèi)系統(tǒng)作為國(guó)內(nèi)公路交通領(lǐng)域推行新型收費(fèi)方式的項(xiàng)目，必須充分考慮已建和在建高速公路系統(tǒng)的收費(fèi)特征，繼承和兼容原有收費(fèi)管理中的經(jīng)驗(yàn)和精華，并使之貫穿到新的一卡通收費(fèi)系統(tǒng)中。5.安全性。通過(guò)一個(gè)功能強(qiáng)大的安全控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中的任何對(duì)象及環(huán)節(jié)進(jìn)行保護(hù)，滿足國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，即實(shí)現(xiàn)個(gè)人認(rèn)證、訪問(wèn)控制、設(shè)置權(quán)限、通信認(rèn)證等，以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。6.模塊化。在系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該把按照實(shí)際的功能分解為若干易于處理的系統(tǒng)，然后在各個(gè)系統(tǒng)中劃分不同的功能模塊。2.3不停車收費(fèi)系統(tǒng)的功能分析和設(shè)計(jì)實(shí)際聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的不停車收費(fèi)系統(tǒng)在多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的ETC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將它們互聯(lián)起來(lái)，對(duì)所有ETC收費(fèi)單位進(jìn)行統(tǒng)一管理、聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)。需要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括:采集收費(fèi)數(shù)據(jù);管理收費(fèi)車道的交通;建立車道控制系統(tǒng)與后臺(tái)管理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口;實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi);建立完善的結(jié)算、拆分方法;提供業(yè)主內(nèi)部管理功能;滿足客戶、管理部門的查詢要求[7]。通過(guò)分析系統(tǒng)功能需求，提出模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2一2所示。圖2一2聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下不停車收費(fèi)系統(tǒng)功能模塊[11]由圖2一2可知，聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的不停車收費(fèi)系統(tǒng)涵蓋客戶服務(wù)系統(tǒng)、收費(fèi)管理系統(tǒng)和收費(fèi)站管理系統(tǒng)[8]，即3個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)及13個(gè)功能模塊構(gòu)成。1.運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)管理系統(tǒng)是聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的核心層，各收費(fèi)中心利益的實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)該營(yíng)運(yùn)中心來(lái)完成的，它不僅是整個(gè)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的超級(jí)監(jiān)控中心，同是也是個(gè)收費(fèi)中心的授權(quán)認(rèn)證結(jié)算中心，各收費(fèi)業(yè)主將自身收益的分配交給營(yíng)運(yùn)管理中心負(fù)責(zé)。主要完成以下功能:匯集各個(gè)不停車收費(fèi)系統(tǒng)提供的收費(fèi)信息;監(jiān)控省或更大范圍內(nèi)所有收費(fèi)站管理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài);發(fā)行、管理和維護(hù)電子標(biāo)簽的用戶信息;管理和維護(hù)電子標(biāo)簽的中央賬戶信息[8]。2.收費(fèi)管理系統(tǒng)收費(fèi)管理系統(tǒng)是收費(fèi)系統(tǒng)的中央管理系統(tǒng)，收費(fèi)站的上級(jí)部門，管理旗下的所有收費(fèi)站。由于授權(quán)營(yíng)運(yùn)中心負(fù)責(zé)交通費(fèi)的收集與分配，收費(fèi)中心從這些工作中解脫出來(lái)，從邏輯上看，它是連接下屬收費(fèi)站與營(yíng)運(yùn)管理中心系統(tǒng)的紐帶和中轉(zhuǎn)站。它對(duì)下屬收費(fèi)站進(jìn)行監(jiān)控，并收集收費(fèi)站上傳的原始收費(fèi)數(shù)據(jù)、違章車輛等信息，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、匯總，適時(shí)地向營(yíng)運(yùn)管理中心傳送。同時(shí)接受營(yíng)運(yùn)管理中心分發(fā)的信息，轉(zhuǎn)發(fā)到下屬收費(fèi)站，轉(zhuǎn)發(fā)信息包括:費(fèi)率表、車類轉(zhuǎn)換表、黑灰名單及待注銷的電子標(biāo)簽等[8]。3.收費(fèi)站管理系統(tǒng)收費(fèi)站監(jiān)控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與通行的車輛通信、讀寫車載電子標(biāo)簽的信息并進(jìn)行計(jì)費(fèi)處理、控制車道的交通設(shè)備;監(jiān)控ETC車道的工作情況;將車道控制機(jī)上傳的原始過(guò)車記錄上傳到上級(jí)部門(收費(fèi)中心)，接收收費(fèi)中心下傳的最新費(fèi)率表、車輛轉(zhuǎn)換表、黑灰以及待注銷的電子標(biāo)簽名單，并將這些信息下傳到車道控制機(jī)內(nèi);此外還要進(jìn)行本收費(fèi)站內(nèi)的數(shù)據(jù)處理，包括:記錄查詢、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、人員管理。2.4不停車收費(fèi)系統(tǒng)的工作流程車主到客戶服務(wù)中心或代理機(jī)構(gòu)購(gòu)置車載電子標(biāo)簽，交納儲(chǔ)值。由發(fā)行系統(tǒng)向電子標(biāo)簽輸入車輛識(shí)別碼(ID)與密碼，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中存人該車輛的全部有關(guān)信息(如識(shí)別碼、車牌號(hào)、車型、顏色、儲(chǔ)值、車主姓名、電話等)。發(fā)行系統(tǒng)通過(guò)通信網(wǎng)將上述車主、車輛信息輸入收費(fèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。車主將標(biāo)識(shí)卡貼在車內(nèi)前窗玻璃上即可[9]。1.收費(fèi)車輛進(jìn)入到ETC車道工作區(qū)。2.車道控制系統(tǒng)的射頻讀寫器和射頻天線(統(tǒng)稱電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備)向車道的特定區(qū)域發(fā)車微波信號(hào)，喚醒電子標(biāo)簽。3.電子標(biāo)簽發(fā)射出本身數(shù)據(jù)信息，如:發(fā)卡商(發(fā)卡銀行)編號(hào)、車輛的車牌號(hào)、車類參數(shù)、電子標(biāo)簽號(hào)等標(biāo)識(shí)信。4.車道控制系統(tǒng)讀寫器接受被喚醒的電子標(biāo)簽發(fā)射的數(shù)據(jù)，分析出車輛的標(biāo)識(shí)信息(車牌號(hào)碼、車輛類型參數(shù)和入口收費(fèi)站號(hào))。5.對(duì)進(jìn)入收費(fèi)車道的車輛進(jìn)行電子標(biāo)簽合法性的校驗(yàn)，并根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行下一步操作。6.違章車輛的圖像抓拍。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)攝像機(jī)，如系統(tǒng)檢測(cè)到違章車輛(無(wú)電子標(biāo)簽、非法電子標(biāo)簽和黑名單上的電子標(biāo)簽)，通過(guò)存儲(chǔ)設(shè)備保留該車輛的圖像。違章車輛數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖像按時(shí)間順序存儲(chǔ)，并以電子標(biāo)簽的信息(車牌、電子標(biāo)簽號(hào)等)作為索引查詢。7.根據(jù)車類參數(shù)決定收費(fèi)車輛類型和收費(fèi)金額，將電子標(biāo)簽號(hào)、車牌號(hào)、過(guò)車時(shí)間、車道號(hào)等信息組成過(guò)車記錄，上傳到收費(fèi)站監(jiān)控系統(tǒng)。8.接收收費(fèi)站監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)下傳的數(shù)據(jù)，對(duì)車道控制機(jī)中的相應(yīng)信息進(jìn)行更新，這些信息包括黑名單、優(yōu)惠名單、費(fèi)率表等。9.系統(tǒng)復(fù)位，等待下一收費(fèi)車輛的到來(lái)。銀行收到匯總好的各路公司的收費(fèi)信息后，從各個(gè)用戶的賬號(hào)中，扣除通行費(fèi)和算出余額，撥入相應(yīng)公司賬號(hào)。與此同時(shí)，銀行核對(duì)各用戶賬戶剩余金額是否低于預(yù)定的臨界閩值，如低于，應(yīng)及時(shí)通知用戶補(bǔ)交，并將此名單(灰名單)下發(fā)給全體收費(fèi)站。如灰名單用戶不補(bǔ)交金額，繼續(xù)通行，導(dǎo)致剩余金額低于危險(xiǎn)門限值.則應(yīng)將其劃歸無(wú)效電子標(biāo)簽，編入黑名單，并通知各收費(fèi)站，拒絕無(wú)效電子標(biāo)簽在高速公路電子收費(fèi)車道通行[9]。收費(fèi)結(jié)算中心設(shè)有用戶服務(wù)機(jī)構(gòu)，向用戶出售標(biāo)識(shí)卡、補(bǔ)收金額和接待客戶查詢。后臺(tái)有一套金融運(yùn)行規(guī)則和強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，處理事后收費(fèi)等事項(xiàng)。2.5小結(jié)本章先闡述了不停車收費(fèi)系統(tǒng)的概念和設(shè)計(jì)原則，然后對(duì)不停車系統(tǒng)進(jìn)行了功能分析和設(shè)計(jì)，最后，詳細(xì)闡述了不停車收費(fèi)系統(tǒng)的工作流程。為下面的進(jìn)一步工作做好準(zhǔn)備。第三章射頻識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)不停車收費(fèi)系統(tǒng)采用RFID技術(shù)，通過(guò)路側(cè)天線與車載射頻標(biāo)簽之間的無(wú)線通信，在不需要司機(jī)停車和其他收費(fèi)人員采取任何操作的情況下，自動(dòng)完成收費(fèi)處理全過(guò)程。因此，射頻識(shí)別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)系統(tǒng)的非常重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。3.1射頻識(shí)別技術(shù)原理射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)利用電磁感應(yīng)、無(wú)線電波進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目標(biāo)并交換數(shù)據(jù)。應(yīng)注意RF有很多工作頻段，工作原理也不盡相同，有的工作于近場(chǎng)，可用電磁感應(yīng)描述，有的必須用電磁波發(fā)射來(lái)解釋遠(yuǎn)場(chǎng)狀態(tài)。國(guó)際上最流行的EC/ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的射頻卡與讀寫器之間通過(guò)電感藕合方式來(lái)完成讀寫通信。當(dāng)讀寫器對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作時(shí)，讀寫器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成:一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后，由卡的UC回路產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)能量來(lái)供給芯片工作。另一部分是指令和數(shù)據(jù)信號(hào)，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、存儲(chǔ)等，并返回信號(hào)給讀寫器。讀寫器一般由單片機(jī)、專用智能模塊組成，并配有與PC的通信接口等，以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。圖3一1為RFID的基本模型示意圖。圖3一1RFID的基本模型示意圖[11]3.2射頻識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)1.器件的選擇(1).無(wú)線射頻芯片選型無(wú)線射頻芯片是整個(gè)射頻系統(tǒng)的核心部件，基于高速公路應(yīng)用的需求，考慮方案成本低，體積小，功耗低，通信距離遠(yuǎn)，集成度高，外圍元件少，加工容易，數(shù)據(jù)傳輸率高，傳輸時(shí)間短，接口簡(jiǎn)單，開發(fā)方便等因素，本文選擇了nRF401射頻芯片，其依據(jù)是：a.發(fā)射功率:在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。nRF401的發(fā)送功率達(dá)到10dBm，在同類產(chǎn)品中的性價(jià)比較高。b.通信距離:nRF401的最高數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到20kbit/s，接收靈敏度高達(dá)-105dBm，在開闊的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m[5]。c.功耗:作為高速公路收費(fèi)中使用的車載標(biāo)簽，一般貼放于汽車的擋風(fēng)玻璃上，要滿足形狀小巧、輕便等要求。因此應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品，nRF401的工作電流在同等發(fā)射功率下是較小的。d.數(shù)據(jù)傳輸速度:現(xiàn)有的無(wú)線射頻芯片，數(shù)據(jù)的傳輸大多采用曼徹斯特編碼，雖然滿足數(shù)據(jù)可靠性傳輸?shù)囊螅诰幊躺蠒?huì)需要較高的技巧和經(jīng)驗(yàn)，需要更多的內(nèi)存和程序容量，最重要的是曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率的三分之一，無(wú)法適應(yīng)高速數(shù)據(jù)通信的需要。nRF401是采用與單片機(jī)串口相連傳輸數(shù)據(jù)的芯片，應(yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，傳送的效率很高，而且采用有線方式的串口傳輸，數(shù)據(jù)的誤碼率也非常低。(2).車道閱讀器主控制器選型系統(tǒng)中，車道控制器主要負(fù)責(zé)兩方面的工作:一方面與主控機(jī)PC交換數(shù)據(jù)，另一方面實(shí)施監(jiān)測(cè)車載標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。由于無(wú)線部門使用的是nRF401芯片，通過(guò)串口與單片機(jī)相連，而連接RS485總線也要占用一個(gè)單片機(jī)串口資源，因此閱讀器部分至少需要連兩個(gè)串行接口。實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用winbond公司的W77E58作為這一部分的主控制芯片[10]。W77E58內(nèi)含兩個(gè)增強(qiáng)型串口和32kB大容量Flash存儲(chǔ)器，最高工作頻率可達(dá)40MHz，完成一條指令最快只需要4個(gè)機(jī)器周期，并提供了12個(gè)內(nèi)外部中斷，兩級(jí)優(yōu)先級(jí)，可以適應(yīng)更多的需求。本系統(tǒng)中，主要利用了W77E58的雙串口的特點(diǎn)，串行口0經(jīng)過(guò)RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片與遠(yuǎn)端上位PC機(jī)進(jìn)行通信，串行口1與nRF401芯片連接。(3).車載標(biāo)簽控制器選型由于車載標(biāo)簽有著形狀小巧、輕便、功耗低等要求，本文選擇低成本、低功耗的AT89552作為標(biāo)簽的控制器[10]。AT89552是一個(gè)通用的低功耗，高速8位CMOS單片機(jī)，其功能函數(shù)和管腳定義都和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51兼容，提供8kB的EEPROM，256bit片內(nèi)RAM，32個(gè)I/0口，3個(gè)優(yōu)先級(jí)和一個(gè)全雙工的UART串口。另外，由于AT89552的靜態(tài)邏輯設(shè)計(jì)使得它的工作頻率范圍從0開始，支持兩種節(jié)電模式:Idle模式和Power-down模式。2.無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)使用nRF401進(jìn)行無(wú)線通信開發(fā)，通信質(zhì)量與模塊的RF性能息息相關(guān)，因此nRF401通信模塊的硬件設(shè)計(jì)部分是十分重要的。nRF401的射頻天線使用的是外接天線，該外部天線使用差分方式連接至nRF401的ANTI和ANTZ端，天線端推薦負(fù)載阻抗為400?。功率放大器輸出是兩個(gè)開路輸出三極管，配置成差分放大電路，功率放大器的VDD必須通過(guò)集電極負(fù)載，當(dāng)采用差分環(huán)形天線時(shí)，VDD必須通過(guò)環(huán)形天線的中心輸入。在設(shè)計(jì)中，由于發(fā)射和接收頻率的誤差應(yīng)該在30kHz以下，因此對(duì)外接參考晶振有一定的要求，其穩(wěn)定性應(yīng)大于正負(fù)35ppm，否則會(huì)對(duì)接收精度有較大的影響。外接VCO電感應(yīng)選用高頻電感，工作頻率下Q值應(yīng)在45以上，精度為2%，實(shí)際應(yīng)用中使用5%精度的外接電感，系統(tǒng)仍能正常工作，但通信距離受到影響[10]。圖3—2為原理圖。3.閱讀器模塊設(shè)計(jì)閱讀器模塊由于要使用兩個(gè)串口分別對(duì)上層和下層通信，因此主控制器使用的是W77E58單片機(jī)，其中串口0通過(guò)RS一485總線接口與主控制機(jī)相連，串口1則負(fù)責(zé)連接nRF401通信模塊，使用無(wú)線通信與各個(gè)標(biāo)簽通信。閱讀器模塊使用Maxim公司的MAX485芯片組成RS一485接口電路，其中單片機(jī)的P1.0、Pl.1引腳控制MAX485的DE端和RE端。RXD、TXD引腳接入RS一485網(wǎng)絡(luò)。Pl.2一Pl.6作為nRF401控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)雙排針與nRF401模塊相連。此外，還預(yù)留了一個(gè)4針接口，與單片機(jī)系統(tǒng)的RXD、TXD以及VDD、VSS相連，方便系統(tǒng)調(diào)試和串口監(jiān)控。閱讀器模塊的電路如圖3一3所示，其中圖(a)是單片機(jī)W77E58外圍電路及雙排針原理圖，圖(b)是MAX485外圍電路設(shè)計(jì)原理圖。圖3—3(a)單片機(jī)W77E58外圍電路及雙排針原理圖圖3—3(b)MAX485外圍電路設(shè)計(jì)原理圖4.標(biāo)簽?zāi)K設(shè)計(jì)標(biāo)簽?zāi)K通過(guò)無(wú)線接口響應(yīng)上層控制器發(fā)送的查詢請(qǐng)求，回送其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息。其主控制芯片使用Atmel公司的節(jié)能型51系列CPUAT89552，工作電壓為3.3V。設(shè)計(jì)上使用單片機(jī)內(nèi)部串口連接nRF401通信模塊，PI.0一PI.2依次作為nRF401的控制端CS、PWR_UP和TXEN。此外，為了保存汽車的各種有用信息，單片機(jī)系統(tǒng)還使用了串行E2PROMAT24C10保存數(shù)據(jù)，該芯片使用SPI總線，單片機(jī)的Pl.3和Pl.4分別作為時(shí)鐘控制端SCL和數(shù)據(jù)傳送端SDA。圖3-2nRF401的通信模塊的原理圖圖3-4標(biāo)簽?zāi)K原理圖3.3小結(jié)本章綜述了射頻識(shí)別技術(shù)的原理，并重點(diǎn)介紹了基于nRF401射頻芯片的射頻系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)中，利用具有雙串口的W77E58單片機(jī)作為閱讀器模塊的控制單元，利用其兩個(gè)串口分別與主控制PC機(jī)和nRF401通信模塊相連。在標(biāo)簽?zāi)K中選用性價(jià)比較高、功耗較低的51兼容單片機(jī)AT89552作為其控制器，并通過(guò)串口與無(wú)線通信模塊連接。第四章基于RFID不停車收費(fèi)系統(tǒng)的軟件流程4.1ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)車輛在高速公路出入時(shí)軟件系統(tǒng)的交易流程設(shè)計(jì)如圖4-1IC卡OBURSUIC卡OBURSU計(jì)算機(jī)VST送PC廣播BST信息檢查IC卡確認(rèn)驗(yàn)證，請(qǐng)求OBU信息回送VST有IC卡OBU信息送PC請(qǐng)求OBU信息讀IC卡信息確認(rèn)，要IC卡信息回送OBU信息返回IC卡信息IC卡信息送PC請(qǐng)求IC卡信息寫站信息和消費(fèi)信息確認(rèn)，寫站信息和消費(fèi)返回IC卡信息信息發(fā)送站信息和返回結(jié)果消費(fèi)信息返回結(jié)果返回結(jié)果圖4-1ECT一次交易流程圖ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)主要應(yīng)包含：系統(tǒng)硬件初始化設(shè)計(jì)、OBU喚醒部分設(shè)計(jì)、OBU主控單元軟件、RSU單元功能實(shí)現(xiàn)軟件、RSU與車道計(jì)算機(jī)通訊接口功能實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)等。ETC系統(tǒng)是一個(gè)基于射頻技術(shù)的通信系統(tǒng)，并且是基于短程無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。ETC需要對(duì)DSRC協(xié)議的各個(gè)層次要求進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，對(duì)隨時(shí)可能接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)要對(duì)系統(tǒng)中的中斷快速響應(yīng)。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)最重點(diǎn)考慮的因素，微處理器的速度影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。由于本文中的ETC系統(tǒng)較為復(fù)雜，各種響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)有所不同，想要在一定時(shí)間內(nèi)做出快速響應(yīng)，就必須設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的、完善的軟件結(jié)構(gòu)，本文研究設(shè)計(jì)中使用了函數(shù)隊(duì)列調(diào)度結(jié)構(gòu)。在函數(shù)隊(duì)列調(diào)度結(jié)構(gòu)中，當(dāng)最高優(yōu)先級(jí)的設(shè)備發(fā)生中斷時(shí)，系統(tǒng)剛剛執(zhí)行最長(zhǎng)的任務(wù)代碼函數(shù)，此時(shí)就發(fā)生了最壞的情況，其響應(yīng)時(shí)間等于最長(zhǎng)任務(wù)代碼的執(zhí)行時(shí)間。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用串口中斷和定時(shí)器中斷，更多的是對(duì)各個(gè)層次的輪詢操作，操作有很強(qiáng)的層次性，比如RSU要發(fā)送一個(gè)幀，要先后經(jīng)歷應(yīng)用層、LLC子層、MAC子層、