基于RFID的高速公路不停车收费系统的研究与设计

摘　要：针对射频识别（RFID）技术应用的广泛前景，设计了一种基于RFID的高速公路不停车收费系统。该系统集无线通信、计算机网络及信息处理、自动控制等技术于一体，应用于高速公路收费管理、车辆控制与人员管理，具有使车辆进出有序、手续简便、速度快、管理自动化、收费公正合理、应收费用不流失以及减少管理人员等特点，保证了车辆安全和交通方便。 

0 引　言

随着我国经济的迅猛发展，我国的公路建设得到了飞速发展，高速公路通车里程不断增加，一些省公路网格局基本形成。在通车公路里程增加的同时，交通流量也在不断增加，但是收费方式还很原始，严重地制约了高速公路向现代化方向的发展，存在很多弊端，为了保证车辆安全和交通方便，迫切需要采用自动化程度高、方便快捷的收费管理系统，提高收费站的通行效率。

无线射频识别（Radio Frequency Identification ,RFID）是面世于20世纪30年代末，兴起于90年代的一项自动识别技术。基本的RFID系统至少包含读写器（Reader）和电子标签（Tag）。电子标签由芯片与天线组成，每个标签具有惟一的电子编码，标签附着在物体上以标识目标对象。RFID读写器的主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的识别信息进行处理，以达到交互数据的目的。它能够实现多目标、运动目标的非接触式识别，并且可以加密、解密，己经被广泛地应用于工农业生产、管理、生活等各个领域。

RFID技术允许利用无线电波对多个电子标签成批阅读和进行远程阅读，其意义远远超过取代条形码。

1 不停车收费系统

1.1 不停车收费系统与传统收费系统的比较

传统的收费系统主要有两种方式：完全人工收费和计算机辅助收费。前者采用人工对车型进行判别，额度计算，这种收费方式没有监督，漏洞较大，而且平均收费时间长，车辆流速无法提高。后者采用人工判别车型及收费，机器辅助检测、监督，计算机管理。这种方式是目前我国高速公路推广使用的一种较为先进的收费方式，可对收费全过程进行监控管理，当出现进出口车型判别不一致、人机歧义、免费车辆的判别不一致或收费员所收费额与控制中心计算机计算费额不一致时，均可通过中央控制室的计算机和视、音频监控设备的记录信息进行有效的判定。但在这种方式下，仍需要停车收费，交通流量增加时，收费路口成为整个交通控制网络的瓶颈。

要解决以上问题，首先高速公路要采用新的收费技术，提高收费站的通行效率。基于RFID的电子不停车收费系统是一个集中了无线电通信、计算机网络及信息处理、自动控制等多项高新技术在公路自动收费综合系统中的应用。

它利用车载电子标签自动与安装在路侧或门架上的微波天线进行信息交换，中心控制计算机根据电子标签中存储的信息识别出标签的使用者，然后自动从标签使用者的银行账号中扣除通行费。

1.2 不停车收费系统的性能特点

不停车收费系统的主要特点如下：

（1）可以不停车收费，从而大幅度提高了车道收费站的处理效率和收费公路的疏通能力；

（2）无论车辆行驶里程长短，均能做到收费公平合理；

（3）除收费公路的起点外，主线一般不再设收费站，故能最大限度地提高车辆通行速度，发挥公路的使用效益，避免人为造成的多次停车；

（4）路桥收费的自动管理，减轻了工作人员的劳动强度；采用电子收费也可以减少收费员出错的机会和参与舞弊的机会，堵住收费漏洞，节约大量的人力和物力；

（5）通过实时采集的收费数据，交通部门能及时掌握完整的路桥车流信息、收费情况，从而能够进行交通流量的合理分配、整体疏导、管理，为新建路桥提供科学依据；

（6）如果形成联网收费，则避免了该类系统重复开发，大大方便了车主及业主。车主凭一张电子标签就能在联网收费区域实现不停车缴费；将路费的结算工作交给第三方，也极大减轻了业主的工作负担。 　

2　基于RFID技术的不停车收费系统

2.1 系统组成与各部分功能

不停车电子收费系统功能包括：收费数据采集、管理收费车道的交通、车道控制机与后台结算网络的数据接口、业主内部管理功能、查询系统。不停车电子收费系统结构如图１所示。  

图1　不停车电子收费系统结构

收费管理中心是整个收费管理系统的控制和监视中心。各收费中心利益的实现都通过运营中心来完成。收费中心主要接收和下载收费运行参数。通信网络负责在收费系统与发行系统之间、以及各站口的收费系统之间传输数据。

2.2 收费站的主要功能

收费站采用智能型远距离非接触收费机，当车辆驶抵收费站时，通过读取车辆上配备的电子标签的数据，收费站的收费机将数据写入卡片并上传给收费站的微机，可使惟一车辆收到信号，车辆在驶至下个收费站时，经过卡片和收费站机的相互认证，并将电子标签上的相关信息发给收费站的收费机。经收费机无线接收系统核对无误后完成一次自动收费，并开启绿灯或其他放行信号，控制道闸抬杆，指示车辆正常通过。如收不到信号或核对该车辆通行合法性有误，则维持红灯或其他停车信号，指示该车辆属于非正常通行车辆，同时安装的高速摄像系统能将车辆的有关信息数据快速记录下来并通知管理人员进行处理。车主的开户、记账、结账和查询，可利用计算机网络进行账务处理，通过银行实现本地或异地的交费结算。

收费计算机系统包括一个可记录存储多达20万部车辆的数据库，可以根据收费接收机送来的识别码、入口码等进行检索、运行与记账，并可将运行结果送到执行机构。执行机构包括可显示车牌号、应交款数、余额数等。

2.3 不停车收费系统车道的过车工作流程

当车辆进入自动收费车道并驶过在车道处设置的地感线圈时，地感线圈就会产生感应而生成一个脉冲信号，由这个脉冲信号启动射频识别系统；由读写器的控制单元控制天线搜索是否有电子标签进入读写器的有效读写范围。如果有则向电子标签发送读命令，读取电子标签内的数据信息，送给计算机，由计算机处理完毕后再由车道后面的读写器写入电子标签，打开道闸放行并在车道旁的显示屏上显示此车的收费信息。

3　基于RFID技术的不停车收费系统设计

完整的不停车收费系统车道系统框图如图2所示。ARM嵌入式系统主要完成总体控制，MSP430单片机主要负责车辆缴费信息的显示，二者互为冗余且都可以控制整个系统，一旦一方出现异常，另一方即可发出报警信息，在故障排除前代其行使职责，以保证不停车收费系统车道的正常工作。 

图2　不停车收费系统车道系统框图

3.1 车辆检测器的设计

车辆检测器是高速公路交通管理与控制的主要组成部分之一，是交通信息的采集设备。它通过数据采集和设备监控方式，在道路上实时地检测交通量、车辆速度、车流密度和时空占有率等各种交通参数，这些都是智能交通系统中必不可少的参数。检测器检测到的数据通过通信系统传送到本地控制器中或直接上传至监控中心计算机中，作为监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的主要依据。

设计中主要使用车辆检测器作为整个系统的启动开关，当道路检测器检测到有车辆进入时，就发送一个电信号给RFID读写器的主控CPU，由主控CPU启动整个视频识别系统，对来车进行识别，并完成自动收费。常用的车辆检测器种类很多，有电磁感应检测器、波频车辆检测器、视频检测器等，具体的有环形地感线圈检测器、磁阻检测器、微波检测器、超声波检测器、红外线检测器等，其中，地感线圈检测器和超声波检测器都可做到高精度检测并且受环境以及天气的影响较少，更加适用于不停车收费系统。

但是，超声波检测器必须放在车道的顶部，而读写器的天线也需要放置在车道比较靠上的位置，二者就有可能会互相影响，且超声波检测器价格更高，故在性价比上要逊于地感线圈，更重要的是，地感线圈的技术更加成熟，因此系统采用的是地感线圈检测器。

地感线圈的原理结构如图３所示，其工作原理是在地面下埋设环形电感线圈，这样，当有车经过时就会引起电路谐振频率的上升，只要检测到此频率随时间变化的信号，就可以检测出是否有车辆通过。

环形线圈的尺寸可随需要而定，每车道埋设一个，计数精度可达到±2％。 

图3　地感线圈的原理结构图

3.2 双核冗余控制设计

考虑到不停车电子收费系统需要常年在室外环境下工作，一般会受到各种恶劣天气的影响以及各种污染的侵蚀，所以系统采用了双核控制的策略嵌入式系统和单片机的冗余控制。这一策略的具体内容是，平时二者都处于工作状态，嵌入式系统负责总体控制，单片机负责大屏幕的显示，相互通信时都先检查对方的工作状态，一旦某一个CPU 状态异常，另一个就立即启动设备异常报警，并暂时接管其工作以保证整个系统的正常工作，直到故障排除恢复正常状态。

这种冗余设计的实现主要是通过两套控制系统完成，即嵌入式系统和MSP430单片机各有一套控制板，可以与射频收发芯片进行信息交换，都可以采集地感线圈的脉冲信号，都可以控制道闸、红绿灯、声光报警、显示屏等车道设备。这两者之间采用RS485信号，每次通信时都先检测对方的工作状态，如果发现异常则紧急启动本控制系统中的备用控制程序。

3.3 电子标签与阅读器

设计中的电子标签与阅读器的核心模块是TI公司的CC1100，射频卡（简称RFID卡、RF卡）是基于射频识别技术的智能卡，是一种以无线方式传送数据的集成电路卡片，它具有数据处理及安全认证功能等特有的优点。读写器也称收发器或询问器，它由发射单元、接收单元、信号处理控制单元和电源等组成。它通过天线向射频卡发送射频调制信号（也称询问信号），同时通过天线接收从射频卡返回的载有射频卡中信息的射频调制信号（也称应答信号），经处理后传给智能控制设备。

4　结　语

无论从交通工程的角度，还是从智能运输系统的角度看，先进的电子收费技术对于我国公路运营管理效率和公路通行服务水平提高都有很大的潜力，根据国家关于信息技术推进传统产业技术进步的总体思路，电子收费技术逐步在我国得到应用和采纳是必然的。对射频技术在高速公路收费中的应用做了较深入的探讨，为解决高速公路收费问题提供了有益的参考。

参考文献:
[1]. MSP430 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MSP430_490166.html.
[2]. RS485 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.
[3]. CC1100 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/CC1100_1132259.html.