基于RFID的不停車收費(fèi)系統(tǒng)研究

針對(duì)提高公路收費(fèi)道口通行能力， 減少公路收費(fèi)道口車輛阻塞的目的， 設(shè)計(jì)研發(fā)了基于RFID 的不停車收費(fèi)系統(tǒng)，采用了無(wú)線射頻識(shí)別（RFID） 、自動(dòng)車輛識(shí)別（AVI） 、自動(dòng)車型分類（AVCS）、短程通信、逃費(fèi)抓拍等技術(shù)，通過(guò)安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上的電子標(biāo)簽與在收費(fèi)站ETC 車道上的微波天線之間的專用短程通訊， 利用計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺(tái)結(jié)算處理，從而達(dá)到車輛通過(guò)路橋收費(fèi)站不需停車就能交納費(fèi)用的目的。通過(guò)烏昌高速公路收費(fèi)站應(yīng)用證明： ETC 車道通行能力比普通車道提高4～6 倍，有效的提高了收費(fèi)道口通行能力與收費(fèi)效率。

　　ETC （ElectrONic Toll Collection） 不停車收費(fèi)系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)的路橋收費(fèi)方式。通過(guò)安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上的車載電子標(biāo)簽與在收費(fèi)站ETC 車道上的微波天線之間的微波專用短程通訊，利用計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺(tái)結(jié)算處理，從而達(dá)到車輛通過(guò)路橋收費(fèi)站不需停車而能交納路橋費(fèi)的目的。ETC 是國(guó)際上正在努力開發(fā)并推廣的一種用于公路、大橋和隧道的電子自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，該技術(shù)在國(guó)外已有較長(zhǎng)的發(fā)展歷史，美國(guó)、歐洲等許多國(guó)家和地區(qū)的電子收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)局部聯(lián)網(wǎng)并逐步形成規(guī)模效益。我國(guó)以IC 卡、磁卡為介質(zhì)， 采用人工收費(fèi)方式為主的公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)方式無(wú)疑也受到這一潮流的影響。

　　不停車收費(fèi)技術(shù)特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環(huán)境下采用。在傳統(tǒng)采用車道隔離措施下的不停車收費(fèi)系統(tǒng)通常稱為單車道不停車收費(fèi)系統(tǒng)，在無(wú)車道隔離情況下自由交通流下的不停車收費(fèi)系統(tǒng)通常稱為自由流不停車收費(fèi)系統(tǒng)。實(shí)施不停車收費(fèi)，可以允許車輛高速通過(guò)（幾十公里以至100 多公里），故可大大提高公路的通行能力；公路收費(fèi)走向電子化，可降低收費(fèi)管理的成本，有利于提高車輛的營(yíng)運(yùn)效益； 同時(shí)也可以大大降低收費(fèi)口的噪聲水平和廢氣排放。由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以縮小收費(fèi)站的規(guī)模，節(jié)約基建費(fèi)用和管理費(fèi)用。另外，不停車收費(fèi)系統(tǒng)對(duì)于城市來(lái)說(shuō)， 不僅僅是一項(xiàng)先進(jìn)的收費(fèi)技術(shù)， 它還是一種通過(guò)經(jīng)濟(jì)杠桿進(jìn)行交通流調(diào)節(jié)的切實(shí)有效的交通管理手段。對(duì)于交通繁忙的大橋、隧道， 不停車收費(fèi)系統(tǒng)可以避免月票制度和人工收費(fèi)的眾多弱點(diǎn)，有效提高這些市政設(shè)施的資金回收能力。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成

　　1.1 系統(tǒng)原理

　　1）射頻自動(dòng)識(shí)別不停車收費(fèi)系統(tǒng)不需要專門的收費(fèi)員進(jìn)行操作，它利用微波自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，完全通過(guò)設(shè)備本身來(lái)完成對(duì)通行車輛的收費(fèi)工作[2]。

　　2）存儲(chǔ)有車型、車號(hào)、金額、有效期等信息的射頻電子標(biāo)簽卡被安裝在汽車前方擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的左下角。當(dāng)持卡車輛進(jìn)入不停車收費(fèi)車道時(shí)，車輛感應(yīng)器的“ENteR LOOP”線圈產(chǎn)生來(lái)車信號(hào)，激發(fā)射頻自動(dòng)識(shí)別讀寫器讀取該車射頻電子標(biāo)簽卡上的信息（車型、車號(hào)、剩余金額和有效期等），同時(shí)光柵、高度檢測(cè)器和軸數(shù)檢測(cè)器等車型差別設(shè)備，自動(dòng)檢測(cè)來(lái)車的實(shí)際車型。射頻自動(dòng)識(shí)別原理如圖1 所示。

圖1 射頻自動(dòng)識(shí)別原理

　　3）從車載射頻電子標(biāo)簽卡讀取的信息，以及車型判別設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)均被送到車道控制計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析比較，如電子卡中所記錄的車型與設(shè)備所判別的車型一致、卡中車號(hào)不在黑名單內(nèi)、應(yīng)繳金額小于等于剩余金額、車輛通過(guò)時(shí)間在卡的有效期范圍內(nèi)，則該卡被認(rèn)為是有效卡； 如前述4 項(xiàng)比較中， 有一項(xiàng)不符合， 則該卡被認(rèn)為是無(wú)效卡。

　　4）如來(lái)車所持射頻電子標(biāo)簽卡為有效卡，則通行信號(hào)燈由紅色變?yōu)榫G色，偏叉信號(hào)燈呈綠色直行標(biāo)志，自動(dòng)欄桿抬起；當(dāng)來(lái)車駛離EXIT LOOP 的檢測(cè)范圍后，通行信號(hào)燈由綠色變?yōu)榧t色， 偏叉信號(hào)燈熄滅， 自動(dòng)欄桿關(guān)閉。駛離EXITLOOP 的檢測(cè)范圍后，通行信號(hào)燈由綠色變?yōu)榧t色，偏叉信號(hào)燈熄滅，自動(dòng)欄桿關(guān)閉。

　　5）如來(lái)車所持射頻電子標(biāo)簽卡為無(wú)效卡，則通行信號(hào)燈呈紅色， 偏叉信號(hào)燈呈黃色左轉(zhuǎn)通行標(biāo)志， 自動(dòng)欄桿關(guān)閉； 當(dāng)來(lái)車左行駛離無(wú)卡車輛轉(zhuǎn)向人工收費(fèi)車道的車輛感應(yīng)器的“ESC LOOP” 線圈的檢測(cè)范圍后，偏叉信號(hào)燈熄滅；如來(lái)車沒有轉(zhuǎn)向人工收費(fèi)道（有些場(chǎng)合不設(shè)此轉(zhuǎn)向旁道），而依然向前行駛，當(dāng)其抵達(dá)車輛感應(yīng)器線圈“ENTER LOOP的”檢測(cè)范圍時(shí)，警鈴報(bào)警，將有收費(fèi)員前來(lái)人工收費(fèi)處理后，人工放行。

　　6）射頻電子標(biāo)簽卡的銷售和費(fèi)用結(jié)算均在收費(fèi)中心（即購(gòu)卡中心）進(jìn)行[3]。為適應(yīng)不同用戶的需要，一般發(fā)行兩種電子卡，一種是預(yù)付費(fèi)電子標(biāo)簽卡，一種是信用式電子標(biāo)簽卡。

　　7）預(yù)付費(fèi)電子標(biāo)簽卡，顧名思義是必須先付費(fèi)后通行的電子卡，該卡的發(fā)行面向整個(gè)社會(huì)。用戶僅需直接到購(gòu)卡中心購(gòu)買存有一定金額的電子卡， 即可使用不停車收費(fèi)車道。

　　在每次使用時(shí)， 系統(tǒng)將自動(dòng)從電子卡中扣除該車的應(yīng)繳金額。該電子卡可以重復(fù)使用，當(dāng)卡中剩余金額很少或沒有時(shí)，用戶可以到購(gòu)卡中心重新存入一定的金額到電子卡中，以保證其繼續(xù)有效。

　　8）信用式電子標(biāo)簽卡，是一種允許用戶先通行后付款的電子卡，該卡的發(fā)行對(duì)象主要是一些由銀行信用卡為結(jié)算手段的用戶， 或企業(yè)形象很好的國(guó)家機(jī)關(guān)和企事業(yè)單位，費(fèi)用結(jié)算采用銀行托收的方式。系統(tǒng)原理及流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)原理及流程

1.2 RFID 防碰撞算法

　　RFID 防碰撞算法對(duì)于提高車輛跟蹤可靠性是關(guān)鍵技術(shù)，本系統(tǒng)采用的為行鏈路多標(biāo)簽沖突檢測(cè)算法[4]， 此算法僅需在電子標(biāo)簽中配置1 個(gè)8 位寄存器、1 個(gè)l 位“O”、“l(fā)”隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器和2 個(gè)4 位加減l 計(jì)數(shù)器以及少量選擇電路就能實(shí)現(xiàn)最多達(dá)1 048 576 個(gè)標(biāo)簽的仲裁。仿真表明本算法產(chǎn)生的碰撞概率明顯小于二進(jìn)制數(shù)算法，同時(shí)通過(guò)寄存器高位的靈活設(shè)置， 還能有效解決低標(biāo)簽密度時(shí)空傳率高的問(wèn)題，從而進(jìn)一步降低了碰撞概率。算法步驟：

　　1）被動(dòng)方標(biāo)簽中設(shè)計(jì)一個(gè)4+4 位的寄存器（Rel）和1 個(gè)“0”、“l(fā)”隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器（RGI），隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生兩組隨機(jī)數(shù)，分別加載到寄存器高位和低4 位。其中高位加載的位數(shù)M 可以動(dòng)態(tài)設(shè)為1、2、3 或4。

　　2）主動(dòng)方讀寫器向所有處在等待態(tài)的標(biāo)簽發(fā)送初始化命令。標(biāo)簽因此進(jìn)入仲裁態(tài)，用RGI 產(chǎn)生4 比特隨機(jī)數(shù)，加載到Rel 高4 位R7 R4，低4 位R3 R0 全部清零。

　　3）讀寫器等待一定時(shí)間后發(fā)送允許回傳命令。

　　4）Rel 為全零的標(biāo)簽向讀寫器回傳標(biāo)簽ID。

　　5）如果當(dāng)前只有一個(gè)標(biāo)簽回傳ID，讀寫器正確讀取該ID，則發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“低位減l”?；貍髁薎D 的標(biāo)簽接收到該命令后，進(jìn)入確認(rèn)態(tài)，其他高4 位為全零的標(biāo)簽Re1 低4 位減1，回到步驟4）重復(fù)操作。

　　6）如果當(dāng)前有多個(gè)標(biāo)簽回傳ID，讀寫器通過(guò)CRC 校驗(yàn)或碼長(zhǎng)校驗(yàn)，檢測(cè)到錯(cuò)誤的ID 號(hào)，則發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“寄存器加1”。接收到讀寫器這個(gè)命令后，所有在仲裁態(tài)且Rel 為全零的標(biāo)簽由RGI 產(chǎn)生1 比特隨機(jī)數(shù)和寄存器上的數(shù)相加后重新載入到寄存器中；其他仲裁態(tài)且Rel 高4位為零而低4 位不為零的標(biāo)簽Rel 加1，回到步驟4）重復(fù)操作。

　　7）如果當(dāng)前沒有標(biāo)簽回傳ID，讀寫器等待一定時(shí)間后發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“低位減1”。所有在仲裁態(tài)且高4為全零的標(biāo)簽Rel 低4 位減1，回到步驟4）重復(fù)操作。

　　8）低4 位減1 操作重復(fù)L 次（L 是一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，由系統(tǒng)設(shè)定，經(jīng)驗(yàn)值為4）后，讀寫器認(rèn)為所有在仲裁態(tài)且寄存器高4 位為零的標(biāo)簽都已經(jīng)被正確讀取，則發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“高4 位減l”，回到步驟4）。

　　9）標(biāo)簽接收到附加“高位減l”參數(shù)的確認(rèn)命令后，所有Rel 高4 位不為零的標(biāo)簽高4 位減l， 回到步驟4 重復(fù)操作；在被要求高位減1 前已為零的標(biāo)簽則回到等待態(tài)。

　　10）重復(fù)2M 次高位減1 操作后，讀寫器認(rèn)為所有在仲裁態(tài)的標(biāo)簽都已經(jīng)被讀取，則仲裁過(guò)程停止，所有還處于仲裁態(tài)的標(biāo)簽返回等待態(tài)。

圖3 防碰撞算法實(shí)現(xiàn)電路

　　算法仿真：仿真結(jié)果如圖4 所示，可以看到當(dāng)標(biāo)簽總數(shù)為20 時(shí)，如果把高位寄存器的位數(shù)從4 降到1，則平均碰撞次數(shù)從5.5 回落到1.4。而當(dāng)標(biāo)