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和分析。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。
关键词：不停车收费系统；射频识别技术；智能交通

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。
    当车辆通过拥有不停车收费系统(Electronic Toll Collection，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。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，收费系统对进入高速公路的每一辆车的车型进行识别并判断类型，确认其进出口地址，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。5．8 GHz的工作频率是目前的主流频率，很有可能成为国际标准频率。然而由于现在国内市场上还没有成型的5．8 GHz射频模块，故本文的射频识别系统拟选用915MHz的射频模块进行实验研究，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，电子标签被辐射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，因此读写器还可以接收一些其他信息，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，所以本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口也可为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接口以便控制栏杆、声光报警、红绿灯、显示屏等车道设备；具有Flash存储器。
3．3 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、传输速率等，因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等。
    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协议的各个层次要求进行协调处理，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，本文研究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子层、MAC子层、物理层等过程，是遵循一定的顺序。

5 系统测试
    本课题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。测试结果如表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通信的准确度降低，系统成功率也因此降低，这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、有效提高通行能力、大大提升服务水平、简化收费管理、降低环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和服务水平。