摘要：高速公路电子收费系统能够缩短车辆通行时间、提高收费效率，逐渐成为我国高速公路收费的主要方式。本文详细介绍了电子收费系统的设计，并对其系统的软件进行了分析，以期能为类似高速公路电子收费系统设计提供参考。
关键词：高速公路；电子收费系统；设计
引言
随着我国经济的快速发展，交通行业建设得到了迅猛的发展，高速公路作为重要的交通设施，其建设也日益增加。当前，机动车数量急剧上升，导致高速公路交通流量快速增加，传统的收费方式已经无法满足高速公路的使用需求。而电子收费系统能够使得驾驶员通过收费站时无需停车，提高了行车的效率，带来了巨大的方便，成为了高速公路收费方式的发展趋势。基于此，笔者进行了相关介绍。
1 电子收费系统设计
1.1电子收费系统工作流程
当车辆行驶到收费站的附近时，磁阻式车辆传感器或摄像头探测到车辆驶入收费区，便立即通知路边车道阅读器进入工作状态，向发射查询电磁波，安装在车辆上的电子标签收费系统平时处理休眠状态，收到查询信号后，单片机被唤醒，同时向路边车道阅读器发送车辆卡号，建立连接。然后路边车道阅读器启动P C缴费系统，向电子标签发射信号，完成缴费任务。缴费任务完成后，可由路边车道阅读器输出驱动信号，开启路桥道闸系统，放行已经缴过费的车辆。
1.2电子收费系统的收费模型
电子标签在收费系统中作为认证身份的标志，车道阅读器读取车辆电子标签信息，与车道计算机通信，计算机再把当记录通过高速专营公司和资金结算中心，最终传给银行清算中心，银行根据记录从用户的计算机账户扣款，若超支，此车进入黑名单，并给收费站发送信息，收费站禁止该车辆通行。系统收费模型如图1所示，首先客户需要到银行办理开户手续，然后到代理商处办理自动收费的开户手续，并申请RFID卡；客服中心通知银行清算中心建立账户，然后通过资金清算中心下达账户情况；包括汽车出行记录等；给高速收费站和专营公司传送信息；实时监控车辆的使用情况。
图1 基于RFID技术的自动收费系统模型
1.3电子收费系统硬件组成
电子收费系统主要包括两部分，一部分是路边车道设计控制系统的信号发射与接收装置，即R F I D模式下的阅读器，通过无线方式读取车辆上的电子标签信息或写入信息到电子标签上；另一部分是安装在车辆上的电子标签，可以存储车辆的车牌号、账号、行驶里程或卡上余额等。
路边车道设备控制系统主要由阅读器和计算机组成。计算机主要运行车辆缴费软件，阅读器主要是接收检
测车辆传感器发来的信号，查询驶入车辆，与车辆中的电子标签建立无线连接，完成收费任务，开启通道。车辆上的电子标签可由由低功耗单片机与射频芯片组成，配合单片机软件完成缴费任务。
系统中，车道阅读器主要任务是将数据传递给计算机和监测是否有车载电子标签靠近。无线收发模块使用的是n R F24L01，n R F24L01最高工作速率可以达到2M，通过串行口与单片机通信，单片机还需要使用R S-485总线与计算机通信，因些车道阅读器需要双串口单片机，可以使用S T C12c5a系列做控制器，高速、低功耗、资源丰富，能适应对各类运动车辆的管理。
无线收发模块是车道阅读器的关键部分，考虑车辆需要在高速移动情况下实现电子收费，还需要考虑系统成本，体积和功耗等问题。因此系统使用基于2.4G H z的无线收地芯片nRF24L01。
车载标签中一般写有有特定格式的电子数据，在系统中，电子标签附着在待识别车体的前方车头处。车道阅读器能非接触地读取并识别车辆标签中所存存储的信息，因此能达到自动识别车辆的目标。当车辆的电子标签进入收费车道时，电子标签与阅读器之间在耦合通道内，根据时序关系，实现车辆数据的传递、数据的交换。阅读器通过频识别信号自动识别车辆并解码，数据被传输给计算机，再由计算机通过网络实现对车辆标签的信息的采集、远程传送和收费等管理功能。
车载标签需要设计小巧、轻巧、功耗低，因些需要选择低成本、低功耗的单片机如A T89S52作为电子标签的控制器。
图2 基于RFID技术的自动收费系统模型
2系统软件分析及流程图
每个高速路口的车道收费计算机，通过网络连接到控制中心，实现所有车辆的电子收费统一管理。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。
图3 计算机软件流程图
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；监控电子收费车道的工作情况；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。
车辆经过收费站车道时，由车道管理控制系统完成车辆数据采集和通行的实时管理控制，收费站监控管理系统对各自收费车道过车数据进行采集、分类汇总和处理，将每日过车记录通过专用网或公共网上传到路段管理中心，各路段管理中心最后再将数据汇总上传至路网结算、支付中心。
2.1计算机软件
收费站的计算机控制软件是比较复杂的，它需要完成数据的采集、处理、保存，以及根据数据内容进行控制等多种功能。分为以下四大功能模块：为用户提供操作直观简便的图形界面，方便用户查看和管理整个系统；将收集到的车辆信息保存至数据库中方便管理，以及为用户的管理操作提供数据库服务接口；负责通信协议的处理，数据库的打包、解包，以及错误检测；根据用户的要求将数据库中的数据打印，以及导出文本格式文件等功能。流程图如图3所示。
2.2车道阅读器软件
车道阅读器模块的软件设计主要分为NRF401初始化部分、查询车辆标签和R S-485总线协议部分。流程图如图4所示。
图4 车道阅读器软件流程图
2.3车载标签模块软件设计
车载标签模块根据车道阅读器的查询命令，在有效识别距离为1～15m内，回应设备信息。使用无线通信协议，车载标签流程图如图5所示。
图5 车载电子标签软件流程图
3.结语
综上所述，RFID技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，具有识别速度快、使用寿命长、应用范围广、穿透性强、安全性能良好等优点，在高速公路电子收费系统设计中具有良好的应用价值。本文通过利用RFID技术，设计了一款电子收费系统，该系统稳定性高、性能良好、性价比高，可在类似高速公路电子收费系统设计中推广。
参考文献
[1]高速公路电子不停车收费系统（ETC）应用及发展趋势探讨[J].石倩.中国新技术新产品.2016（12）
[2]高速公路电子监控系统应用探讨[J].刘浩.江西建材.2017（13）
论文作者:黄汉涌
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/26
标签：车道论文; 车辆论文; 阅读器论文; 收费系统论文; 电子标签论文; 电子论文; 收费站论文; 《建筑学研究前沿》2017年第28期论文;