论文总字数：21851字

目 录

1.绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外现状 1

1.2.1国外现状 1

1.2.2国内现状 2

1.3研究的意义 2

1.4研究内容 2

2.ETC系统简介简介及相关技术介绍 4

2.1 ETC系统简介 4

2.2 ETC系统组成及工作原理 4

2.3 系统相关专用名词介绍 5

2.4 系统相关技术介绍 5

2.4.1 专用短程通信 5

2.4.2 车辆自动识别技术 5

2.4.3 射频识别技术 5

2.5 本章小结 6

3.需求分析及硬件设计 7

3.1 电子不停车系统需求分析 7

3.2 硬件设计 7

3.2.1 终端原理图 9

3.2.2 发送端原理图 11

3.3 设计相关配件简介 12

3.3.1 MSP430单片机的介绍 12

3.3.2 NRF24L01无线模块的介绍 13

3.3.3步进电机的介绍 13

3.4 本章小结 13

4.软件设计 14

4.1 软件开发环境介绍 14

4.2 程序设计 14

4.2.1数据发送端程序流程 14

4.2.2数据接收端工作流程 15

4.3 本章小结 17

5.调试与检测 18

5.1硬件焊接 18

5.2功能检测 19

5.3 本章小结 19

6.全文总结与展望 20

6.1 总结 20

6.2 展望 20

参考文献 20

致谢 21

电子不停车收费系统的设计

王禹舜

, China

ABSTRACT :

Electronic Toll Collection System (ETC) is a particularly important part of the Intelligent Transportation System. Such a system can be implemented in a vehicle charge card without stopping the high-speed access, while automatic networking facility can save unnecessary human resources, simply complete the maintenance and periodic inspection, traffic management to reduce costs required, thereby saving due to excessive vehicle labor costs need to wait too long time caused by the angle of congestion. Research on the ETC system is of great significance for the development of modern transportation.

In this paper, the design of an ETC system, the first system the desired function needs analysis, system requirements can achieve wireless remote reading vehicle information, the identification information after data information to the terminal, the terminal by matching information database for deduction fees and the information store, and then give the release, and the balance is less blacklist users and users to make prompt and does not allow its passage, in order to achieve non-stop automatic toll collection. According lane functional needs analysis request, the ETC system hardware and software design in detail, including an onboard unit (OBU) design, the roadside unit (RSU) design, display module design, high-speed rail design design and terminal system. In nRF24L01 wireless module as a vehicle-mounted unit for MSP430 microcontroller as the roadside unit, to a stepping motor as the high railing, through RFID technology to access remote database and display charge information on the display in order to achieve the basic functions of the ETC system. Finally, the system debugging and testing to determine the system can complete the demand function, and stable operation, to meet the basic application requirements ETC system technology.

Key worth: ETC；Smart Transportation；RFID；On Board Unit；Road Side Unit

1.绪论

1.1研究背景

交通是国家经济发展的关键所在，俗话说“想致富，先修路”,交通在现代经济发展中有着突出的先导性和基础性。近年我国各项与有关民生发展的相关配套的建设正在逐步增加，而高速公路的建设也是其中的重点之一，高速公路的路况在一定程度上反映了一个国家的经济实力和国际竞争力。目前，高速公路可满足正常情况下的日常运作，但在一些特殊路段，或者节假日期间，车流量很大，在收取过路费的过程中，车辆必须排队办理一些缴费手续，由此造成拥堵现象是必然的结果。传统的收费流程车辆必须先停车，然后按照车型、吨位、行程等计算并缴纳费用才能被放行，这样的收费方式效率很低，也是造成拥堵现象的原因所在，这使车辆在收费站的滞留时间增加，也造成了过往车辆的多余油耗，因此使本就存在问题的尾气污染更加严重^[1]。通过智能交通——不停车收费系统（Toll Collection Electronic System, ETC）就可以实现不停车收费，从而使车辆高效便捷通过收费站，缓解由于停车收费造成的高速公路拥堵现象。

1.2国内外现状

1.2.1国外现状

随着生活的智能化，智能交通的发展也不落后，而ETC系统在国际上也早已在逐步的开发并推广普及，将其应用到桥梁、隧道和公路上，从而良好的节约了高峰路段的拥堵问题。

在美国，这种先进的收费方式早已被投入使用，作为回收系统养护费用和公路投资成本的最高端的手法，ETC系统当之无愧，其中最为出色的ETC系统为E-Zpass 系统。E-Zpass系统自1997年7月开始实施并运作。自E-Zpass系统全面开放后，ETC系统的使用量迅速上升，终止于1998年12月。仅仅一年半的时间中，虽然只有有23条收费车道选用了ETC车道，但它们所承担每月的交易量却达到了43%，如果在高峰期，更是可以达到55%~60%^[2]。这是在ETC系统还未完全普及的情况下，由此可以清楚的看出ETC系统的工作效率之高。

在美国ETC系统取得了如此高的成绩，欧洲也紧跟其后，开始了对于ETC系统的研究，并在一定规模上得到了良好的实施。葡萄牙开通的 Via Varde系统可以作为欧洲ETC系统的代表之一。它没有完全使用ETC车道，而是采用了ETC车道与人工车道（MTC）结合的收费方式^[3]。在车次实践中，对车道的车流量做出了详细的统计，普通的MTC车道平均可以通过200辆车/小时，而采用ETC系统进行收费的车道，每小时的通车辆竟然可以达到1500辆。7倍多的惊人差距，使我们可以清晰的看出ETC系统在效率方面的优势，这节约了困扰人们多年的停车收费拥堵问题，如果只使用MTC人工车道，要修建2000多个车道才能达到这种效果。

继欧洲之后，亚洲各国也不甘落后，ITS技术引起了日本政府的高度重视，而ETC系统就是其中的重点之一。在1999年日本正式开始了对ETC系统的建设，实施地点自然是车流程最大的首都东京。在东京成功运营的一年取得了良好的成绩，而后在大阪、名古屋等地的高速公路也相继开始了ETC车道的建设与实施，共有400多个ETC车道被建设在了100个高速公路收费站中^[4]。其车道配置了高速栏杆，可实现无人值守自动收费，超高的安全性也使得车辆能够高效顺畅的通过收费站，但ETC车道的建设也有消耗资金过大的问题。

在国外很多国家，可以说ETC系统的实施都做得非常成功，充分的展现了其快捷高效的特性，但国外的道路状况与中国并不完全相同，其运营模式和技术特点在我国未必试用。我国在ETC车道系统的建设上需结合国内道路使用的特点，并进行深入的分析和评估。

1.2.2 国内现状

2007年初，长三角ETC系统的领头示范工程正式开始建设。2007年1月25日，交通部为了讨论ETC系统的收费标准在北京召开了会议，也通过此次会议，决定了长三角ETC系统的联网收费工程。

国内的ETC系统一般使用非接触式IC卡和电子标签进行收费，这种先进的ETC系统收费方式在近年采开始流行，这种系统主要使用射频短程无线通讯技术和IC卡技术来实现IC中同行费用的收取和车辆信息的记录，这种收费方式的ETC系统反应速度快，收费方式简单便捷，可以实现远距离自动收费，但最重要的是安全性和保密性都达到了一定的高度，可以保证用户信息与财产的安全，且收费标准统一，这也成为了国内ETC系统发展的方向^[5]。目前，非接触式IC卡被国内很多研究机构和企业进行着研究，目前已经出现了一些比较完善的产品，并投入使用。

1.3研究的意义

电子不停车收费是以后高速公路收费的发展趋势，它有着人工收费无法比较的优势：

1. 车辆通行效率可以得到显著的提升，利用网络进行电子收费，实现无纸化自动收费，收费通行的速度为人工收费的5~7倍^[6]。
2. 管理效率得到提升，无需人工值守，只需远程监控和定期维护，由此所需人力资源大幅度减少，节约收费成本。
3. 环保，排队等待每辆车要经过多次的起停，而起停的状态是耗油量最大的，不停车收费可以避免这种情况的发生，降低了尾气排放量，显示了一定的环保作用。
4. 国家、城市形象提升，路况侧面反映了一个地区的综合实力，路况好，技术先进，可以对地域形象有所提升。

1.4研究内容

1. 针对ETC系统的研究现状，提出了系统应用技术要求，对其ETC系统管理中心间的业务流程和交互接口进行介绍和描述。
2. 对电子不停车收费系统进行功能上的需求分析，即需要使用无线传感器识别通过收费路口的车辆信息，能够访问远程终端，查询数据库，对识别到的用户进行收费和记录，实现不停车自动收费。
3. 在需求分析的基础上，对ETC系统的软硬件总体结构进行设计：主要包括无线发射模块的设计，读写器的设计、终端数据库和收费计算的设计、显示模块设计设计，并对其进行了实现。
4. 最后，对完成的ETC系统进行测试，使得本文设计的ETC车道系统可以实现预期功能，完成不停车自动收费。

2.ETC系统简介简介及相关技术介绍

2.1 ETC系统简介

究竟什么是ETC系统？ETC系统是目前世界上最先进的车辆收费系统，是智能交通的一种体现，它可适用于交通拥堵的桥遂和高速公路收费口，车主只需在车窗上安装非接触式IC卡或者电子标签，将用户信息存储在电子标签中，并在用户账户中存有过路所需金额，车辆过往收费口时不需要停车，就可以实现自动收费。

图2-1 ETC车道示意图

2.2 ETC系统组成及工作原理

ETC系统主要构成部分有车辆的自动识别系统、中心管理系统和其他相关设施等。其中车辆自动识别系统由以下三个装置组成：1.OBU（On board unit, 车载单元）2.RSU (Road side unit, 路侧单元)^[8] 3.环路感应器^[9], 这三个装置都实现的功能各不相同，它们被安置于不同的位置，相互协调工作。OBU里存储着相关车辆信息和用户信息，由于这些信息需要被RSU良好的识别，所以一般安装在比较明显的位置上，如挡风玻璃处，每当有车辆行驶而来，环路感应器都会对其作出感情，从而唤醒RSU而对车辆发出特定信号，进行访问，RSU一般被装置在收费车道的路边，以方便收发数据信息，当OBU收到RSU所发来的特定信号，会对其作出回应，这是双向的数据交互就开始了。RSU在收到这些信息后，会想这些数据信息发往中心管理系统，中心管理系统就是系统的终端，终端里配有大型数据库，并具有运算和记录的能力，用户信息和车辆信息都被存储在这个大型数据库中，当它接收到RSU识别的数据信息用，与终端所存储的信息进行匹配，匹配成功后，而后通过计算得出结果，决定是否允许进行接下来的操作，比如高速栏杆是否起落放行，对车辆绑定的IC卡账号进行扣费等。

2.3 系统相关专用名词介绍

1车载单元（OBU）：也可称为电子标签，它可以存储用户信息以及车辆的车型、车牌、尺寸等数据信息，并可以对这些数据信息进行良好的保护，在有车辆通行时与RSU进行信息的交互并为控制收费站的计算机提供车辆信息，同时RSU也会读取ETC收费卡内储存的存储信息，从而实现ETC系统的自动缴费。

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