基于非接觸式IC卡的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    引言

    公路是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的血脈，而高速公路可稱得上是其中的動(dòng)脈血管。高速公路的通暢與否直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)能否健康快速的發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車(chē)輛的數(shù)量大副攀升，因此對(duì)高速公路的要求也不斷的提高，傳統(tǒng)的高速公路計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)的問(wèn)題也充分地暴露了出來(lái)，特別是主要干線公路交通擁擠、行車(chē)緩慢等問(wèn)題越來(lái)越突出。目前在我國(guó)大多數(shù)高速公路的道路收費(fèi)仍處于純?nèi)斯な召M(fèi)的半原始狀態(tài)，效率低，需要大量人力，收費(fèi)站的建成和運(yùn)營(yíng)成本就消耗了相當(dāng)一部分資金，而且大量收費(fèi)站車(chē)輛交費(fèi)需要完全停止。在交通高峰時(shí)期，收費(fèi)站成為高速公路的“瓶頸”，這些突出問(wèn)題已造成高速公路不“高速”。同時(shí)車(chē)輛的頻繁剎車(chē)、啟動(dòng)也造成了能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，同時(shí)也加快了車(chē)輛部件的磨損，帶來(lái)交通隱患。因此我們針對(duì)目前我國(guó)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了基于AVR單片機(jī)的高速公路收費(fèi)管理系統(tǒng)，通過(guò)模擬運(yùn)行，該系統(tǒng)能大大提高收費(fèi)站的工作效率，節(jié)省人力、財(cái)力，同時(shí)也減輕了司機(jī)因頻繁剎車(chē)、啟動(dòng)剎車(chē)交費(fèi)帶來(lái)的不便及車(chē)輛不必要的消耗及磨損。

    1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

    1．1 ATmegal28簡(jiǎn)介

    ATmegal28是AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CUriOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmegal28的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS／MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。其具有128k字節(jié)的系統(tǒng)可編程flash，4k字節(jié)的EEPROM，4k字節(jié)的sRAM，53個(gè)通用I／O線，32個(gè)通用工作寄存器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTc，4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，兩個(gè)USART，面向字節(jié)的兩線接口TWI，8通道10位ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，SPI串行端口以及六種可通過(guò)軟件選擇的省電模式等特點(diǎn)。

    1．2系統(tǒng)硬件

    系統(tǒng)由電源模塊、IC卡讀寫(xiě)識(shí)別模塊、驅(qū)動(dòng)顯示模塊、控制桿執(zhí)行模塊和上位機(jī)通訊模塊等組成。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源支持，通訊模塊負(fù)責(zé)和上位機(jī)進(jìn)行通訊，傳遞重要的數(shù)據(jù)，IC卡讀寫(xiě)模塊用于建立與非接觸式lc卡的物理連接通路，完成與IC卡的通訊，從卡上讀取數(shù)據(jù)并將處理完的數(shù)據(jù)重新寫(xiě)入IC卡，執(zhí)行模塊用來(lái)執(zhí)行上位機(jī)的各種指令，包括放行控制等功能。驅(qū)動(dòng)顯示模塊是系統(tǒng)與用戶交流的紐帶，它一方面提示用戶進(jìn)行相應(yīng)的操作，另一方面對(duì)車(chē)輛是否放行給出顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。 

    汽車(chē)進(jìn)入自動(dòng)收費(fèi)車(chē)道時(shí)，當(dāng)持有效的IC卡在BDXIC--2讀寫(xiě)卡識(shí)別模塊識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，讀寫(xiě)卡模塊讀有效IC卡，并把讀的信號(hào)送入ATmegal28單片機(jī)中，單片機(jī)將信息進(jìn)行處理同時(shí)和上位機(jī)進(jìn)行通訊，并在上位機(jī)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)lc卡上的費(fèi)用進(jìn)行減操作，同時(shí)修改該卡ID所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，完成上述操作后．單片機(jī)給繼電器控制信號(hào)，控制直流電動(dòng)機(jī)抬起控制桿，并顯示放行指示信號(hào)，車(chē)輛可快速通過(guò)。

    1．3讀寫(xiě)卡和通訊模塊

    非接觸式IC卡，又名射頻卡或感應(yīng)卡，是世界上近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了IC卡無(wú)源和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。本設(shè)計(jì)中采用北斗星數(shù)碼公司開(kāi)發(fā)的BDX—IC--2非接觸IC卡讀寫(xiě)模塊，該模塊具有體積小，外接電路簡(jiǎn)單，通常情況下僅需在ANTEl和ANTE2兩管腳接一個(gè)1．45mH的電感天線，其發(fā)射頻率約為125kHz士2％，讀寫(xiě)距離最大為80mm，屬于串行異步通訊模式，波特率為4800 bit／s，RXD和TXD兩管腳分別接ATmegal28第一個(gè)USART的PD2和PD3兩管腳。同時(shí)BDXIC一2模塊的TCON和GND兩管腳接地即可。

    在通訊模塊中選擇電壓型串口通訊MAX232芯片，接線上MAX232的T1IN(TDXl)和R10UT(RXDl)兩管腳分別接ATmegal28第二個(gè)USART的PEl和PE0兩管腳，R1IN和T10UT管腳等組成與上位機(jī)的串口通訊端子。1．4驅(qū)動(dòng)及顯示模塊本模塊包括兩部分：LED顯示和控制桿操作兩部分。由于LED點(diǎn)陣不僅可以顯示數(shù)字而且還可以顯示箭頭、符號(hào)等特殊字符。同時(shí)也因?yàn)榭刂坪?jiǎn)單方便，比起LED數(shù)碼管和液晶有著特殊的優(yōu)點(diǎn)，因此，選用兩個(gè)8×8LED高亮點(diǎn)陣作為顯示指示信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣上選擇3個(gè)74HC245，其中兩個(gè)作為列控制，一個(gè)作為行控制。

    接線上ATmegal28的PA口(PA0至PA7)，PC口(PC0至PC7)和PF口(PF0至PF7)依次接3個(gè)74HC245的B口(B1至B8)，為了控制方便，74HC245的DIR管腳直接接地，即信號(hào)流從74HC245的B口流向A口。 

    在控制桿執(zhí)行操作上選用如圖2所示的信號(hào)放大控制電路?？刂茥U執(zhí)行電路由普通的晶體管和兩個(gè)AGY23299型固態(tài)繼電器組成，它們共同完成帶有減速器的直流電動(dòng)機(jī)A的正、反轉(zhuǎn)控制。正常情況下，控制桿放下并顯示紅燈z信號(hào)。當(dāng)有車(chē)持有效lC卡通過(guò)時(shí)，完成自動(dòng)交費(fèi)后顯示綠燈箭頭標(biāo)志放行。由于在目前情況下最有效的收費(fèi)方式應(yīng)為IC卡預(yù)付費(fèi)方式，若持有無(wú)效IC卡或卡上余額不足時(shí)，則汽車(chē)可通過(guò)收費(fèi)站的輔道進(jìn)入人工收費(fèi)口進(jìn)行交費(fèi)。 

    2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    軟件基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)并采用VB編寫(xiě)界面，其管理界面如圖3所示。 

    同時(shí)該軟件也以網(wǎng)絡(luò)連接為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)收費(fèi)站的統(tǒng)一管理。各收費(fèi)站將采集到的ID號(hào)及各種信息在中央主機(jī)中查找中央數(shù)據(jù)庫(kù)，完成操作后返回信息供各收費(fèi)站PC機(jī)作放行及扣費(fèi)依據(jù)。各收費(fèi)站PC機(jī)處理完成后再次將信息發(fā)到中央主機(jī)，完成對(duì)該ID對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息的修改，從而完成整個(gè)收費(fèi)過(guò)程，其收費(fèi)流程如圖4所示。 

    3 系統(tǒng)安全性的保障措施

    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最基本的IC卡收費(fèi)，但這樣的系統(tǒng)并不是一個(gè)完全安全實(shí)用的系統(tǒng)。因?yàn)樯婕暗劫Y金的安全，勢(shì)必需要更多的手段和措施來(lái)保障系統(tǒng)的資金安全和運(yùn)行穩(wěn)定，這里我們給出了以下3種安全性措施。

    (1)IC卡加密：首先IC卡上并不直接存儲(chǔ)用戶的存款余額，而只是存儲(chǔ)用戶的ID號(hào)，用戶的存款余額是存儲(chǔ)在中心數(shù)據(jù)庫(kù)中的。這樣便做到了重要信息的物理隔離。其次，用戶所使用的IC卡是經(jīng)過(guò)加密的，使用了64位的二進(jìn)制密碼來(lái)保證存取的安全性。

    (2)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)：通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶重要信息如：車(chē)牌號(hào)、ID號(hào)、存款余額、車(chē)型等重要信息的有效保護(hù)。除了系統(tǒng)管理員以外，一般收費(fèi)人員及用戶是無(wú)法直接接觸這些數(shù)據(jù)的，這樣極大地提高了IC卡收費(fèi)系統(tǒng)的資金及運(yùn)行安全性。

    (3)安全校驗(yàn)碼：為防止在高速公路的行駛過(guò)程中，不同車(chē)輛司機(jī)互換、收費(fèi)人員人為作弊及使用偽造的IC卡，我們?cè)谑召M(fèi)系統(tǒng)中引入了安全校驗(yàn)碼的概念。其原理為：在司機(jī)進(jìn)入高速公路入口刷卡時(shí)，由系統(tǒng)隨機(jī)生成一個(gè)隨機(jī)碼，并將其寫(xiě)入IC卡和數(shù)據(jù)庫(kù)，這一隨機(jī)碼是計(jì)算機(jī)內(nèi)部自動(dòng)生成的，是對(duì)所用人保密的。當(dāng)車(chē)輛駛離高速公路再次刷卡時(shí)，系統(tǒng)要檢查這一安全校驗(yàn)碼是否與入口時(shí)一致，是否與車(chē)牌號(hào)相對(duì)應(yīng)，若不符，馬上報(bào)警并扣留該車(chē)輛。這一措施在很大程度上杜絕了司機(jī)、收費(fèi)人員、不法分子的作弊企圖，有效地提高了系統(tǒng)的安全性。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    無(wú)論從交通工程還是從智能運(yùn)輸系統(tǒng)的角度看，先進(jìn)的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)公路運(yùn)營(yíng)和公路通行服務(wù)都起著非常重要的作用。隨著高速公路事業(yè)的迅速發(fā)展，電子收費(fèi)技術(shù)會(huì)逐步在我國(guó)應(yīng)用和完善。本文把非接觸式IC卡技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，依托網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套電子收費(fèi)系統(tǒng)，為解決我國(guó)高速公路目前的收費(fèi)狀況提供了有益參考。