基于RFID的不停車收費系統(tǒng)研究

針對提高公路收費道口通行能力， 減少公路收費道口車輛阻塞的目的， 設計研發(fā)了基于RFID 的不停車收費系統(tǒng)，采用了無線射頻識別（RFID） 、自動車輛識別（AVI） 、自動車型分類（AVCS）、短程通信、逃費抓拍等技術，通過安裝在車輛擋風玻璃上的電子標簽與在收費站ETC 車道上的微波天線之間的專用短程通訊， 利用計算機聯網技術與銀行進行后臺結算處理，從而達到車輛通過路橋收費站不需停車就能交納費用的目的。通過烏昌高速公路收費站應用證明： ETC 車道通行能力比普通車道提高4～6 倍，有效的提高了收費道口通行能力與收費效率。

　　ETC （ElectrONic Toll Collection） 不停車收費系統(tǒng)是目前世界上最先進的路橋收費方式。通過安裝在車輛擋風玻璃上的車載電子標簽與在收費站ETC 車道上的微波天線之間的微波專用短程通訊，利用計算機聯網技術與銀行進行后臺結算處理，從而達到車輛通過路橋收費站不需停車而能交納路橋費的目的。ETC 是國際上正在努力開發(fā)并推廣的一種用于公路、大橋和隧道的電子自動收費系統(tǒng)，該技術在國外已有較長的發(fā)展歷史，美國、歐洲等許多國家和地區(qū)的電子收費系統(tǒng)已經局部聯網并逐步形成規(guī)模效益。我國以IC 卡、磁卡為介質， 采用人工收費方式為主的公路聯網收費方式無疑也受到這一潮流的影響。

　　不停車收費技術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系統(tǒng)通常稱為單車道不停車收費系統(tǒng)，在無車道隔離情況下自由交通流下的不停車收費系統(tǒng)通常稱為自由流不停車收費系統(tǒng)。實施不停車收費，可以允許車輛高速通過（幾十公里以至100 多公里），故可大大提高公路的通行能力；公路收費走向電子化，可降低收費管理的成本，有利于提高車輛的營運效益； 同時也可以大大降低收費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，可以縮小收費站的規(guī)模，節(jié)約基建費用和管理費用。另外，不停車收費系統(tǒng)對于城市來說， 不僅僅是一項先進的收費技術， 它還是一種通過經濟杠桿進行交通流調節(jié)的切實有效的交通管理手段。對于交通繁忙的大橋、隧道， 不停車收費系統(tǒng)可以避免月票制度和人工收費的眾多弱點，有效提高這些市政設施的資金回收能力。

　　1 系統(tǒng)設計原理及構成

　　1.1 系統(tǒng)原理

　　1）射頻自動識別不停車收費系統(tǒng)不需要專門的收費員進行操作，它利用微波自動識別技術，完全通過設備本身來完成對通行車輛的收費工作[2]。

　　2）存儲有車型、車號、金額、有效期等信息的射頻電子標簽卡被安裝在汽車前方擋風玻璃內側的左下角。當持卡車輛進入不停車收費車道時，車輛感應器的“ENteR LOOP”線圈產生來車信號，激發(fā)射頻自動識別讀寫器讀取該車射頻電子標簽卡上的信息（車型、車號、剩余金額和有效期等），同時光柵、高度檢測器和軸數檢測器等車型差別設備，自動檢測來車的實際車型。射頻自動識別原理如圖1 所示。

圖1 射頻自動識別原理

　　3）從車載射頻電子標簽卡讀取的信息，以及車型判別設備所采集到的數據均被送到車道控制計算機內進行分析比較，如電子卡中所記錄的車型與設備所判別的車型一致、卡中車號不在黑名單內、應繳金額小于等于剩余金額、車輛通過時間在卡的有效期范圍內，則該卡被認為是有效卡； 如前述4 項比較中， 有一項不符合， 則該卡被認為是無效卡。

　　4）如來車所持射頻電子標簽卡為有效卡，則通行信號燈由紅色變?yōu)榫G色，偏叉信號燈呈綠色直行標志，自動欄桿抬起；當來車駛離EXIT LOOP 的檢測范圍后，通行信號燈由綠色變?yōu)榧t色， 偏叉信號燈熄滅， 自動欄桿關閉。駛離EXITLOOP 的檢測范圍后，通行信號燈由綠色變?yōu)榧t色，偏叉信號燈熄滅，自動欄桿關閉。

　　5）如來車所持射頻電子標簽卡為無效卡，則通行信號燈呈紅色， 偏叉信號燈呈黃色左轉通行標志， 自動欄桿關閉； 當來車左行駛離無卡車輛轉向人工收費車道的車輛感應器的“ESC LOOP” 線圈的檢測范圍后，偏叉信號燈熄滅；如來車沒有轉向人工收費道（有些場合不設此轉向旁道），而依然向前行駛，當其抵達車輛感應器線圈“ENTER LOOP的”檢測范圍時，警鈴報警，將有收費員前來人工收費處理后，人工放行。

　　6）射頻電子標簽卡的銷售和費用結算均在收費中心（即購卡中心）進行[3]。為適應不同用戶的需要，一般發(fā)行兩種電子卡，一種是預付費電子標簽卡，一種是信用式電子標簽卡。

　　7）預付費電子標簽卡，顧名思義是必須先付費后通行的電子卡，該卡的發(fā)行面向整個社會。用戶僅需直接到購卡中心購買存有一定金額的電子卡， 即可使用不停車收費車道。

　　在每次使用時， 系統(tǒng)將自動從電子卡中扣除該車的應繳金額。該電子卡可以重復使用，當卡中剩余金額很少或沒有時，用戶可以到購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)行對象主要是一些由銀行信用卡為結算手段的用戶， 或企業(yè)形象很好的國家機關和企事業(yè)單位，費用結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 防碰撞算法對于提高車輛跟蹤可靠性是關鍵技術，本系統(tǒng)采用的為行鏈路多標簽沖突檢測算法[4]， 此算法僅需在電子標簽中配置1 個8 位寄存器、1 個l 位“O”、“l(fā)”隨機數產生器和2 個4 位加減l 計數器以及少量選擇電路就能實現最多達1 048 576 個標簽的仲裁。仿真表明本算法產生的碰撞概率明顯小于二進制數算法，同時通過寄存器高位的靈活設置， 還能有效解決低標簽密度時空傳率高的問題，從而進一步降低了碰撞概率。算法步驟：

　　1）被動方標簽中設計一個4+4 位的寄存器（Rel）和1 個“0”、“l(fā)”隨機數產生器（RGI），隨機數產生器產生兩組隨機數，分別加載到寄存器高位和低4 位。其中高位加載的位數M 可以動態(tài)設為1、2、3 或4。

　　2）主動方讀寫器向所有處在等待態(tài)的標簽發(fā)送初始化命令。標簽因此進入仲裁態(tài)，用RGI 產生4 比特隨機數，加載到Rel 高4 位R7 R4，低4 位R3 R0 全部清零。

　　3）讀寫器等待一定時間后發(fā)送允許回傳命令。

　　4）Rel 為全零的標簽向讀寫器回傳標簽ID。

　　5）如果當前只有一個標簽回傳ID，讀寫器正確讀取該ID，則發(fā)送確認命令，附加命令參數“低位減l”?；貍髁薎D 的標簽接收到該命令后，進入確認態(tài)，其他高4 位為全零的標簽Re1 低4 位減1，回到步驟4）重復操作。

　　6）如果當前有多個標簽回傳ID，讀寫器通過CRC 校驗或碼長校驗，檢測到錯誤的ID 號，則發(fā)送確認命令，附加命令參數“寄存器加1”。接收到讀寫器這個命令后，所有在仲裁態(tài)且Rel 為全零的標簽由RGI 產生1 比特隨機數和寄存器上的數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 位不為零的標簽Rel 加1，回到步驟4）重復操作。

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

　　8）低4 位減1 操作重復L 次（L 是一個系統(tǒng)參數，由系統(tǒng)設定，經驗值為4）后，讀寫器認為所有在仲裁態(tài)且寄存器高4 位為零的標簽都已經被正確讀取，則發(fā)送確認命令，附加命令參數“高4 位減l”，回到步驟4）。

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

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

圖3 防碰撞算法實現電路

　　算法仿真：仿真結果如圖4 所示，可以看到當標簽總數為20 時，如果把高位寄存器的位數從4 降到1，則平均碰撞次數從5.5 回落到1.4。而當標