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基于RFID的ETC前端系统的设计与实现.pdf

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东j大学硕士论丈 搪要基于RF I D的ETC前端系统的设计与实现摘 要随着我国国民经济的发展以及高速公路路网的形成,电子不停车收费技术fElectronic Toll Collection,简称ETC在高速公路收费系统中得到越来越广泛的应用。此系统能够最大限度地缓解收费站处的收费瓶颈,避免因收费效率低而引起的交通堵塞和车辆延误,而且达到高速公路通行快速、便捷的目的。基于无线射频技术Radio Frequency Identification,简称RFID的ETC系统是智能交通系统的重要组成部分,其基本思路是车辆在不需要停车的状态下完成车辆与地面收费设施之向j的无线数据通信,从而进行车辆的识别和收费数据交换,实现不停车收费。ETC系统出前端系统和后台服务系统两部分组成,前端采用车道隔离措施的ETC系统通常称为单车道电子收费系统。作者亲身参与了ETC项目的实施,并在此基础上结合研究生所学专业编写了此文。本论文首先对ETC前端系统中应用的RFID技术进行了分析和研究,涵盖了标准和交互原理等,着重讨论了RFID的耦合方式。其次,对用户的需求进彳亍分析,明确设计目标,提出了ETC前端系统的整体设计方案。在硬件详细设计和实现中,应用了模块化设计思想,优化了设备的技术指标,满足了前端系统分项功能的实现。在软件设计和实现部分,对基于5.8GHz RFID通信频率的专用短程通信协议Dedicated Short RangeCommunication,简称DSRC各层做了详细的技术要求,同时设计了ETC前端系统入口出口的工作流程,并实现了满足该流程的车道控制软件的应用。最后,对所做的工作进行总结,并提出了有待完善的问题,同时展望了系统应用的前景。关键词 高速公路;RFID;ETCDSRC万方数据东j大学硕士论文 AbstractDesign and Implementation of ETC Frontend SystemBased on RFIDAb stractWith the development of national economy and the ation of expressway network,the electronic toll collection technology fElectronic Toll Collection,E,l、Cin the expresswaytoll system has been widely applied.This system can ease bottleneck of the toll collection inthe greatest degree,and avoid traffic janqt and vehicle delay caused by inefficient tollcoIiection.SO as to nlake the vehicle pass the highway rapidly and conveniently.The ETC system is an important component in the intelligent transportation system,which is based on the Radio Frequency IdentificationRadio Frequency Identification,RFID,the basic idea of the system is the nonparking vehicles completed the process of chargingbetween vehicle’S identification and ground wireless data communications facilities,theretbrecould be achieve the non.parking charges.ETC system consists of two parts front‘end systemand back.Omce service system,the frontend using the ETC lane isolation systems are oftenreferred to as singlelane electronic toll collection system.The author has been personally involved in the cution of the ETC project during thework exDerience and the research of the thesis has combined with graduated studies basis onthe article.Firstly。this paper progressive approach to the front of the ETC system,the RFIDtechnology in the application of a comprehensive study,1t has covering the standards andDrinciples of such interactions,and has focusing on the discussed the coupling of the RFID.Secondlv,analysis the needs of users and clear design the objectives by the overall ETCfront.end system scheme.Thirdly,in the design and implementation of hardware part,it hasapplied the idea of modular design to optimize the technical specifications of equipment,satislying the frontend system sub.function.In the design and implementation of softwareDan.the communication frequency of 5.8Gltz RFIDbased Dedicated Short RangeCommunication ProtocolDedicated Short Range Communication,DSRC,each layers indetail the technical requirements,and proposed ETC frontend system enters and exits theworkflow.and implementation of the lane to meet the process control software application·Finailv,this paper summarizes the work,and puts forward the problems need to be improvedand looks forward to the prospects of the system applications.Key WordsExpressway;Radio Frequency Identification,;Electronic Toll CollectionDedicated Short Range CommunicationIII万方数据东北大学硕士论文 目 录目 录独创声明.I摘 要IIAbstract..III第1章绪论11.1课题研究的背景和意义..11.2国内外研究及应用情况一21.2.1国外ETC研究及应用情况.21.2.2国内ETC研究及应用情况.31.3论文的组织结构..4第2章无线射频识别技术52.1 RFID概述.52.2国内外RFID技术的标准现状52.3 RFID的交互原理72.3.1 RFID的基本交互原理.72,3.2 RFID的工作频率.82.4 RFID的耦合方式82.4.1电感耦合方式82.4.2反向散射耦合方式.102.5 RFID相关的物理电磁场理论..112.6 RFID技术的数据传输方式与协议..13第3章前端系统总体设计193.1前端系统的设计目标193.2前端系统的总体架构193.2.1自动车辆识别系统193.2.2自动车型分类系统223.2.3图像抓拍系统223.3前端系统功能的设计223.3.1车辆识别功能设计.223.3.2车辆检测功能设计.233.3-3设备控制功能设计233.3.4计费功能设计243.3.5设备诊断功能设计253.3.6图像抓拍功能设计25TV万方数据东二大学硕士论文 目 录第4章前端系统的硬件设计与实现274.1车道构成274.2车道设备技术指标294.2.1车辆识别设备294.2.2车辆检测设备344.2.3交通控制设备344.2.4车牌识别设备38第5章前端系统的软件设计与实现。415.1软件总体设计415.2 DSRC协议描述425.2.1 DSRC协议模型.435.2.2物理层445.2.3数据链路层465.2.4应用层535.3前端系统流程设计5653.1 ETC车道入口流程565.3.2 ETC车道出口流程605.3.3 ETC车道特殊交易事件635.4 ETC车道软件设计与实现635.4.1 ETC入口电子收费635.4.1.1『F常卡电子收费过车流程.635.4.1.2入口特殊情况及处理方法.655.4.2 ETC出口电子收费665.4.2.1正常电子收费过车流程一665.42.2出口特殊情况及处理方法.68第6章结束语7l6.1全文总结716.2本文不足及未来发展方向71参考文献73致 谢.75V万方数据东北大学硕士论文 第1童绪论第1章绪论1.1课题研究的背景和意义智能交通系统Intelligent Transportation Systems,ITS是目前世界交通运输领域的前沿研究课题,也是我国交通科技发展的重点方向,其核心是针对同益严重的交通需求和环境保护压力,采用信息技术、电子通讯技术、自动控制技术、计算机技术及网络技术等对传统交通运输系统进行深入的改造,以提高系统资源的使用效率、系统安全性,减少资源的消耗和环境污染一。目前,智能交通在我国主要应用于三大领域1公路交通信息化,包括高速公路建设、省级国道公路建设公路交通领域目前热点的项目主要集中在公路收费,其中又以软件为主。公路收费项目分为两部分,联网收费软件和计重收费系统。此外,联网不停车收费ETC是未来高速公路收费的主要方式。2城市道路交通管理服务信息化兼容和整合是城市道路交通管理服务信息化的主要问题,因此,综合性的信息平台成为这一领域的应用热点。除了城市交通综合信息平台,一些纵向的比较有前景的应用有智能信号控制系统、电子警察、车载导航系统等。3城市公交信息化目前国内的公交系统信息化应用还比较落后,智能公交调度系统在国内基本处于空白阶段,也是方案商可以重点发展的领域。在地域分布上,国内的各大城市特别是南方沿海地区对于智能交通的发展都非常重视。电子不停车收费系统Electronic Toll Collection,简称ETC,俗称不停车收费系统是ITS领域中的一个重要领域,是国际上正在努力丌发并推广的一种用于公路、大桥和隧道的自动收费系统,特别适于高速公路或交通繁忙的桥梁和隧道采用_。。在这种收费系统中,车辆需要安装一个系统可唯一识别的称之为电子标签的设备OBU,且在收费站的车道上设置可读/写该电子标签的读写器RSU和相应的计算机收费系统。车辆通过收费站点时,驾驶员不必停车交费,只需以系统所允许的速度通过,车载电子标签便可自动与安装在路侧或门架上的标签读写器进行信息交换,收费计算机收集通过车辆信息,并将收集到的信息上传给后台服务器,服务器根据这些信息识别出道路使用者,然后自动从道路使用者的帐户中扣除通行费。如果当前用户存在问题如没有标签、交易失败或账户会颧不足等,当事者将被拦截或者将汽车牌照拍照并储存,便于进行事后处理。电子收费系统不仅仅一项可实现公路收费电子化的先进收费系统,而且电子收费的实施具有更深远的社会意义和经济效益,具体体现为一1 一万方数据东二大学硕士论文 篱1童绪论1电子收费可以使用户以不停车的形式在收费口上完成通行费的收取,减轻了由于停车和启动带来的交通噪声和路面磨损;节约能源,保护环境,包括避免车辆怠速运转时油料不完全燃烧带来的环境污染以及停车次数减少降低车辆燃油消耗量。2F乜子收费使收费车道通1.z--J/日a已已力大幅度提高,可在一定程度上缓解站区车辆拥堵现象,并避免了因大规模扩建战区所需的土地征收及其他投入,节约建设成本。3电子收费实现的是无人值守的非现金交易,这样, 一则可以为用户提供方便快捷的服务;二则可以节省高速公路管理者的人工费用和运行费用。随着全国交通事业的迅猛发展,高速公路不停车收费ETC系统的需求也逐年增加。虽然目前国内已经有相当一部分的高速公路建立起了不停车收费系统,但距离全面建设与应用还有很大差距。未来高速路联网收费将是ETC进一步发展过程中需要考虑的问题,而为此统一相关技术与通信标准也将成为未来发展中需要解决的问题。1.2国内外研究及应用情况1.2.1国外ET0研究及应用情况美国、欧洲、R本很早就针对电子收费系统中的研发技术、工程实施、标准规范进行了深入的研究。各发达国家在ETC技术应用推进和联网收费方面都经历了较为漫长的过程,也成功建设了一些典型的电子收费系统。。葡萄牙的Via Varde电子收费系统可以算作欧洲最具代表意义的联网电子收费系统之一。葡萄牙的高速公路电子收费系统运营管理由Via Varde公司承担,专门负责信息采集和统计处理;全国道路收费清算中心由SIBS公司承担,该公司是葡萄牙银行联合体设立的一家服务公司。Via Varde公司将交易统计及有关数据上传给SIBS公司,由SIBS公司负责电子不停车收费用户的银行信用支付和不同高速公路运营商之间的通行费结算。收费系统采用封闭式和开放式相结合的模式。事实己证明,Via Varde电子收费系统是既有利于道路使用者又有利于道路运营商的有效收费手段。根据运营报表统计数据,人工收费车道MIC的平均通行能力为200辆/小时,电子收费车道的平均通行能力为1500辆/d,时,1条ETC车道的通行能力是MIC车道通行能力的7倍。该ETC车道的显著特点是没有自动栏杆,车辆能以不低干80km/h的速度通行。如果没Via Varde系统,运营公司将不得不多修建2000多条人工收费车道以解决收费拥堵问题。,挪威是最早将电子不停车收费应用于道路收费的国家。挪威公路局运营的覆盖全国各大城市的AUTOPASS系统从20世纪80年代末期开始建设,历时近20多年,是在挪威10余年电子收费经验的基础上发展的。自2002年后,挪威所有新建的电子收费系统都将采用AUTOPASS系统。系统使用Qfree公司的技术和产品,主要特点是遵循欧洲的CEN标准,采用可读写的电子标签,5.8GHz通信频率,系统设备具有较好的价格性能比。目前,挪威使用的该系统实现了收费道路的全国联网,已有超过10个的道路收费运营公司应用该系统,有大约250条无自动栏杆的电子不停车收费车道,以及120万一r一万方数据东北大学硕士论文 务1童绪论张以上ALTOPASS电子标签投入使用。在美国,电子不停车收费方式已经成为美国回收公路投资和养护费用的高效率手段,最著名的联网运行电子不停车收费系统是E--Zpass系统。1997年7月,“E.Zpass”工程的最终运行方案丌始付诸实施和运行。从E.Zpass系统开通起,ETC的交易量持续增长,截止1998年12月,仅经过1年半的时间,共计23条专用ETC车道的电子不停车收费网络就承担了整个月平均交易量的43%,高峰时段甚至达到55%.60%。网络化运行的电子不停车收费系统效益和吸引力充分体现出来。E.Zpass系统采用了专用车道,混合车道两种模式,都有收费员值班。E.Zpass专用车道规定时速不超过5英里的限制,并有相应的标志牌提示,以便于给收费人员和道路使用者确保一个安全的收费环境。另外美国基本上是采用开放式收费制式构成的网络。在H本,已建立起了全世界最大规模的联网电子不停车收费系统.其系统使用的是接触式CPU卡加5.8GHz的主动式电子标签;车道设置双ETC天线,自动栏杆为双向打开的高速栏杆,车道无人值守,具有很高的安全性和车道通行能力;有完善的密钥扩散机制和电子标签发行流通体系;同时与银行的信用结算体系保持了很好的衔接;但其人工收费系统与电子收费系统是完全分离的,而且车道系统投资和电子标签成本不很高。Fj本的电子收费系统是很成功的,主要原因是首先R本有统一的电子收费规范,标准的规范使得不同运营主体的收费道路的电子收费系统均能互联互通,从而可以实现用户在全国的收费道路上一卡通行。其次,同本采用基于5.8GHz的主动式双向通信系统,信息传输量大,符合应用发展的需求。再次,F1本采用“双片式”收费技术,适应发展的世纪需求,既考虑到了未来的发展,又考虑到了IC卡的使用范围扩展。1.2.2国内ET0研究及应用情况中国高速公路从20世纪80年代中期开始起步,几十年来,高速公路建设突飞猛进,取得了前所未有的成就,到2005年底高速公路通车里程超过30000公里。通车里程增加的同时,车流量也在猛增,当交通量达到一定水平,人工收费或半自动人工收费方式会越来越不适应交通发展的需要,收费站因车辆排队缴费成为道路的一个个瓶颈。我国从1996年丌始着手研制并且推广不停车收费系统,广东省早在1998年就建立了基于915MHz的20余条车道并投入使用。2007年3月17 R,中国交通部正式发布了中国高速公路电子收费应用的国家标准--GB/T20851电子收费专用短程通信,明确了5.8GHz的通信频率。同年10月,发布了收费公路联网收费技术要求,统一了不停车收费系统的建设标准。一系列相关标准和要求的颁布,为各省的联网收费规模化建设奠定了基础。到目前为止,交通部组织开展的京津冀和长三角区域高速公路联网不停车收费示范工程进展顺利,已经在北京、上海、江苏、江两等地开通运营,截止2009年1月,丌通ETC车道的数在240条左右。一‘一万方数据东二匕大学硕士论文 箬1童绪论1.3论文组织与结构根据自己参与不停车收费系统项目的实际情况,结合电子与通信工程硕士研究生专业的研究方向,编写了此论文。本文的主要内容安排如下第1章绪论。阐述了课题研究的背景和意义,国内外不停车收费系统研究及应用情况,并对本文的思路与结构做了简要阐述。第2章无线射频识别技术。这章主要介绍了RFID方面的相关内容,包括基本概念,RFID的技术标准,RFID的交互原理,射频的祸合方式,相关的物理电磁场理论,RFID技术的数据传输方式与协议。第3章前端系统的设计。这章主要描述了前端系统的总体设计。其中内容包括前端系统设计目标,前端系统的总体架构,功能设计等。第4章前端系统的硬件设计与实现。这章主要是根据前端系统设计的要求,对设备比较集中的车道配置情况进行了介绍,并对车辆识别、车辆检测、交通控制等设备的技术指标做详细的要求。第5章前端系统软件的设计与实现。这章主要分两个大部分,第一部分对RFID技术所应用的DSRC协议的各层做出了详细的技术要求,第二部分是对基于DSRC协议的前端系统车道工作流程提出了设计,并在车道软件上得以实现。。第6章结束语。总结了本论文所完成的工作,提出了不足的地方,并对ETC系统的发展作出展望。~4万方数据东大学硕士论文 第2童无线射频识别技术第2章无线射频识别技术2。1 RF l D概述基于雷达后向散射Back Scattering通信原理而丌发出来的无线射频识别RadioFrequency Identification,RFID技术是一种无线的、非接触方式的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号空间耦合电感或电磁耦合的传输特性,实现对被识别物体所携带信息的自动化提取与识别。早在第二次世界大战期间就被应用于战斗机的敌我识别中。随着20世纪80~90年代计算机与Intemet技术的快速发展与普及,大量的人工业务从离线Off-line的分散处理方式逐渐向在线On.1ine的集中处理方式转变,从而极大地提高了生产、执行以及管理的效率。近些年来,随着集成电路技术、自动识别技术、网络技术、无线通信技术,特别是在无线传感器网络等技术的飞速发展,以及企业对移动实时商务、精细化管理和个性化产品的全生命周期管理的迫切需求下,RFID技术被推到了企业信息化建设与应用的最前沿,成为近几年发展起来的最令人兴奋的前沿科技和应用项目之。RFID射频识别的特点为1它是通过电磁耦合的方式实现的非接触的自动识别技术。它需要利用无线电频率资源,必须遵守无线电频率使用的众多规范。2它存放的识别信息是数字化的,因此通过编码技术可以方便地实现多种应用,如身份识别、商品货物识别、动物识别、工业过程监控和收费等。3它可以容易地对多应答器、多阅读器进行组合建网,以完成大范围的系统应用,并构成完善的信息系统。4它涉及计算机、无线数字通信、集成电路、电磁场等众多学科,是一个新兴的融合多种技术的领域‘’。2.2国内外RF I D技术的标准现状目前,RFID还没有形成统一的全球化标准,市场上有多种标准并存,但随着全球各行业RFID的大规模应用,RFID标准的统一已经得到业界的广泛认同。RFID系统主要由数据采集、数据传输遗迹后台数据库网络应用系统三大部分组成。目前已经发布或者是『F在制定中的标准主要是数据采集相关的,其中包括电子标签与读写器之间的空气接口、渎写器与计算机之间的数据交换协议、RFID标签与读写器的性能一致性测试规范以及RFID标签的数据内容编码标准等。数据传输过程中,目前也有一些有线和无线网络通信协议与标准提供应用支持。后台应用系统目前尚未形成正式的国际标准,只有少数产业联盟制定了一些规范,现阶段还在不断的演变中。RFID标准的内容主要包括以下几类一.1一万方数据东北大学硕士论文 篝2童无线射频识别技术◆ 技术标准如符号、射频识别技术、IC卡标准等◆ 数据内容标准如编码格式、语法标准等◆ 一致性标准如印刷质量、测试规范等标准;◆ 通信标准如空气接口标准、通信协议标准等;◆ 安全标准如数据加密、安全协议和隐私保护等;◆ 应用标准如船运标签、产品包装标准等。目前,针对RFID技术,全球共形成五大标准化组织,分别代表了国际上不同的团体或国家利益,并且RFID标准争夺的核心主要在RFID标签的数据内容编码标准这一领域。其中EPCglobal是由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准组织联合成立,全球大概有866家成员。UID则是由同本提供的一种RFID编码和技术规范,并已得到了400多家R本企业的大力支持。而AIM和ISO/IEC则代表了欧美国家对RFID技术的规范性要求;IP.x是由IPICO公司主导提出的一套RFID技术标准,目前其成员主要是以非洲、大洋洲、亚洲等地国家为主。比较而言,EPCglobal由于综合了美国和欧洲厂商,实力相对较强,应用所覆盖的范围也较为广泛。。。1EPCglobalEPCglobal是由UCC和EAN联合发起成立的非盈利性机构,全球最大的零售商沃尔玛连锁集团和英国Teseo等100多家美国和欧洲的流通企业都是EPC的成员,同时也得到了美国IBM、微软、惠普、SAP、BEA、SUN等公司以及Auto.ID全球实验室所提供技术和研究支持。此组织除了发布工业标准外,还负责EPCglobal的号码注册管理,EPCglobal系统是一种基于EAN和UCC编码的系统。作为产品与服务流通过程信息的代码化表示,EAN和UCC编码具有一整套涵盖了贸易流通过程中各种有形或无形产品所需要的全球唯一的标识代码,例如交易项目、物流单元、位置、资产、服务关系等标识。EAN和UCC标识代码是固定结构、无含义、全球唯一的全数字形代码,且该标识代码随着产品或服务的产生在流通源头建立,并贯穿该产品或服务的交易全过程。在EPC标签信息规范中可采用64位、96位和256位的电子产品编码。2同本UID主导R本的RFID标准研究与应用的组织是T引擎论坛T.Engine Forum,该论坛已经拥有近500家成员,其中绝大多数成员为同本的厂商,如NEC、同立、东芝等,但是也有极少数成员来自国外的著名厂商,如微软、三星、LG和SKT。2002年12月UID识别中心J下式成立,它具体负责研究和推广自动识别的相关核心技术,即在所有的物品上植入微型芯片,组建网络进行通信。UID的核心是赋予现实世界中任何物理对象唯一的统一的识别号Ucode。它包含了128位的编码内容,提供了3401036的编码空问。并且町以用128位为单元进一步扩展至256位、384位、512位。Ucode的最大的优势在于能够包容现有编码体系的编码设计,并可兼容多种编码,其中包括JAN,UPC,ISBN以及IPv6地址,甚至是电话号码。Ucode标签具有多种形式,包括条码、射频标签、智6万方数据
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