CN102881052A

CN102881052A - 一种具有太阳能采集机制的路侧设备

Info

Publication number: CN102881052A
Application number: CN2012103591216A
Authority: CN
Inventors: 陈秋和; 李木旺; 罗淦恩
Original assignee: SHENZHEN XUNLANG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN XUNLANG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: CN102881052B

Abstract

本发明涉及一种具有太阳能采集机制的路侧设备，包括光伏能量采集与供电单元、微处理器及与所述微处理器相连接的微波射频通讯器和收发天线、联机数据通讯接口、人机界面处理单元、安全访问模块、检测器。同现有技术方案相比，本发明具备太阳能采集机制，通讯频点及协议采用积木式技术架构方案，具有节能环保、安装升级简便、兼容性强、易于推广普及的特点。产品适用于城市环境下各种智能交通及物联网应用，如停车场ETC系统、智能咪表、车位管理及其它基于RFID的人、车、物识别管理等。

Description

一种具有太阳能采集机制的路侧设备

技术领域

本发明涉及一种智能交通与物联网领域中的路侧设备(或称路侧单元、读写器)，特别是涉及一种具有太阳能采集机制的路侧设备。

背景技术

经过十多年来的不断发展，我国高速公路电子不停车收费(ElectronicToll Collection，简称ETC)随着国家标准的颁布实施及试点推广，目前已比较成熟规范，其快捷高效也得到广泛认可，这为下一步ETC走进城市打下了良好的基础。

据研究表明，因交通拥堵和管理问题，我国15座城市每天损失近10亿元财富；另有专家指出，汽车尾气是造成PM2.5超标的主要原因，应收取拥堵费以促进减少汽车出行数量。种种情况也表明，城市交通状况正每况愈下，不容乐观，而推动改善城市交通环境，离不开智能交通与物联网技术的深度融合、开发与应用。

目前，ETC向城市大规模推广应用，存在以下几个问题有待克服：1、升级建设停车场ETC系统，易受环境空间及成本因素制约，其配电布线及土建改造工程量、维护量较大；2、使用ETC设备来解决城市路边停车电子收费，目前几乎没有先例，可供参考借鉴的技术方案不多；3、现有ETC路侧设备不能兼容基于RFID的人、车、物识别管理，这大大限缩了设备的应用范围，也降低了设备安装使用率。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于避免上述现有技术方案的不足之处而提出一种具有节能

环保、安装简便、从单频点单协议，到多频点多协议均能有效融合的路侧设备(RoadSideEquipment，简称RSE)。

本发明解决所述的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

设计、使用一种具有太阳能采集机制的路侧设备，所述路侧设备包括：光伏能量采集与供电单元、微处理器及与所述微处理器相连接的微波射频通讯器和收发天线、联机数据通讯接口、人机界面处理单元、安全访问模块、检测器。

所述光伏能量采集与供电单元，包括：太阳能电池板、能量采集芯片、外部供电电源、内置后备电池、充电控制电路、储能器件与稳压电路。所述太阳能电池板的正极连接所述能量采集芯片的输入端，所述能量采集芯片的充电输出端连接所述充电控制电路的第一输入端，所述外部供电电源的正极(或交流电源火线)连接所述充电控制电路的第二输入端，所述内置后备电源的正极连接所述充电控制电路的第三输入端，所述充电控制电路的输出端连接储能器件的正极和所述稳压电路的输入端，所述稳压电路的输出端即为负载电源。所述光伏能量采集与供电单元主要作用为通过充电控制电路，按照太阳能、外部供电电源、内置后备电池这个自高至低的优先级顺序，对储能器件进行充电管理，所储存的电能通过稳压电路稳压后输出，以提供设备整体工作所需电能。

更进一步地，所述太阳能电池板，包括单晶硅、多晶硅或非晶硅太阳能电池板；所述能量采集芯片具有最大功率点跟踪、控制功能，具有监测所述储能器件正极电压，并向所述充电控制电路提供储能不足信号以切换充电源的功能；所述储能器件，包括超级电容、复合电容、可充电锂电池或薄膜电池。

所述微处理器，包括：低功耗单片机、射频收发一体化(SOC)单片机、智能卡安全芯片、FPGA、嵌入式ARM或DSP处理器。

所述微波射频通讯器和收发天线，是所述微处理器与外部设备、车载单元OBU、车载设备OBE、或RFID进行空中数据传递、实时认证、加密通讯或完成金融交易的通讯连接部件，包括：5.8GHz、5.8GHz和2.4GHz和300-928MHz特定频段、5.8GHz和300-928MHz特定频段、2.4GHz、300-928MHz特定频段、2.4GHz和300-928MHz特定频段、或5.8GHz和2.4GHz的无线通讯器及其配套收发天线，所述无线通讯器包括：收发器、收发及唤醒器、或特定无线通讯协议处理器。

所述联机数据通讯接口，是指所述微处理器与外部设备、上位机、后台系统等进行组网通讯、实时认证、加密通讯或完成金融交易的外部联接接口，包括：有线和/或无线数据通讯接口，所述有线数据通讯接口包括UART、USB或TCP/IP网络接口；所述无线数据通讯接口包括：ANT、ZigBee、GPRS或特定协议的无线网络通讯部件及其配套的收发天线。

所述安全访问模块，是一种用于进行安全计算与安全存取、实时认证、加密通讯或可以脱机完成金融交易的信息安全部件，包括：PSAM消费安全访问模块或ESAM嵌入式安全访问模块，和/或内置于所述微处理器的安全访问软硬件模块。

所述人机界面处理单元，包括：按键、指示灯、蜂鸣器或显示屏。

所述检测器，是一种安装于路侧设备内或外，能对特定目标，如人、车、物的存在与否和/或移动方向进行检测判断，通过有线或无线连接提供相关结果信息给所述微处理器，用以启动或关闭所述微波射频通讯器从而实现环保节能、准确控制的功能部件；所述无线连接须满足所述检测器与所述微波射频通讯器或所述联机数据通讯接口能够通讯对接这个先决条件。所述检测器包括：地磁检测器、红外检测器、超声波检测器、微波检测器、视频识别检测器或线圈地感。

同现有技术相比较，本发明一种具有太阳能采集机制的路侧设备，具有如下技术效果：1.电源系统使用了能量采集芯片，可采集低至微瓦级别的光伏能量，太阳能采集利用率高、采集量大，可作为设备日常供电的主要能源，额外添加一到两个备用电源，即可保证可靠供电，环保节能效益明显；2.在微波射频通讯器及安全访问模块组合设计上，能支持从单频点单协议到多频点多协议的积木式技术架构方案，产品升级容易、兼容性强、适应面广，尤其适合城市环境下的各种智能交通及物联网应用；3.兼具太阳能及无线网络通讯两大特色的路侧设备，体积将更小巧，安装更简单，大大降低了工程施工及安装维护难度，也使得产品更易于推广使用。

附图说明

图1是本发明路侧设备结构原理示意图；

图2是本发明路侧设备中的光伏能量采集与供电单元结构原理示意图；

图3是所述路侧设备RSE应用于路边停车电子收费系统原理方框示意图。

具体实施方式

如图1，本发明一种具有太阳能采集机制的路侧设备，包括：光伏能量采集与供电单元15、微处理器10及与所述微处理器10相连接的微波射频通讯器111和收发天线112、联机数据通讯接口121、人机界面处理单元13、安全访问模块14、检测器16。

如图2，所述光伏能量采集与供电单元15，包括：太阳能电池板151、能量采集芯片154、外部供电电源152、内置后备电池153、充电控制电路155、储能器件156与稳压电路157。所述太阳能电池板151的正极连接所述能量采集芯片154的输入端，所述能量采集芯片154的充电输出端连接所述充电控制电路155的第一输入端，所述外部供电电源152的正极(或交流电源火线)连接所述充电控制电路155的第二输入端，所述内置后备电源153的正极连接所述充电控制电路155的第三输入端，所述充电控制电路155的输出端连接所述储能器件156的正极和所述稳压电路157的输入端，所述稳压电路157的输出端即为负载电源。所述光伏能量采集与供电单元15的主要作用为通过充电控制电路155，按照太阳能151、外部供电电源152、内置后备电池153这个自高至低的优先级顺序，对储能器件156进行充电管理，所储存的电能通过稳压电路157稳压后输出，以提供设备整体工作所需电能。

进一步地，所述太阳能电池板151，包括单晶硅、多晶硅或非晶硅太阳能电池板。由于多晶硅在户外或半户外使用环境下，发电能力强，性价比高，作为最优，使用多晶硅太阳能电池板。

进一步地，所述能量采集芯片154具有最大功率点跟踪、控制功能，具有监测所述储能器件正极电压，并向所述充电控制电路155提供储能不足信号以切换充电源的功能。

进一步地，所述储能器件156，包括超级电容、复合电容、可充电锂电池或薄膜电池，由于超级电容充放电循环寿命较长，漏电流较低，性价比高，作为最优，选用超级电容作为储能器件。

所述微处理器10，包括：低功耗单片机、射频收发一体化(SOC)单片机、智能卡安全芯片、FPGA、嵌入式ARM或DSP处理器，作为最优，选用较高性价比的射频收发一体化(SOC)单片机作为微处理器。

所述人机界面处理单元13，包括：按键、指示灯、蜂鸣器或显示屏。

所述微波射频通讯器111和收发天线112，是所述微处理器10与外部设备、车载单元OBU、车载设备OBE、或RFID进行空中数据传递、实时认证、加密通讯或完成金融交易的通讯连接部件，包括：5.8GHz、5.8GHz和2.4GHz和300-928MHz特定频段、5.8GHz和300-928MHz特定频段、2.4GHz、300-928MHz特定频段、2.4GHz和300-928MHz特定频段、或5.8GHz和2.4GHz的无线通讯器及其配套收发天线；所述无线通讯器包括：收发器、收发及唤醒器、或特定无线通讯协议处理器。

所述联机数据通讯接口121，是指所述微处理器10与外部设备、上位机、后台系统等进行组网通讯、实时认证、加密通讯或完成金融交易的外部联接接口，包括：有线和/或无线数据通讯接口，所述有线数据通讯接口包括UART、USB或TCP/IP网络接口；所述无线数据通讯接口包括：ANT、ZigBee、GPRS或特定协议的无线网络通讯部件及其配套的收发天线122。

所述安全访问模块14，是一种用于进行安全计算与安全存取、实时认证、加密通讯或可以脱机完成金融交易的信息安全部件，包括：PSAM消费安全访问模块或ESAM嵌入式安全访问模块，和/或内置于所述微处理器的安全访问软硬件模块。

所述检测器16，是一种安装于路侧设备内或外，能对特定目标，如人、车、物的存在与否和/或移动方向进行检测判断，通过有线或无线连接提供相关结果信息给所述微处理器10，用以启动或关闭所述微波射频通讯器111从而实现环保节能、准确控制的功能部件；所述无线连接须满足所述检测器16与所述微波射频通讯器111或所述联机数据通讯接口121能够通讯对接这个先决条件。所述检测器16包括：地磁检测器、红外检测器、超声波检测器、微波检测器、视频识别检测器或线圈地感。

为了对以上四项作出合理优选，现以小区人员/车辆出入口管理以及路边停车电子收费两个具体应用为例，进一步详述实施过程。

1、小区人员/车辆出入口管理

该典型案例多见于工厂、学校、住宅区等对人员/车辆进出有管理要求的场合，该情况人员优选使用2.4GHz有源RFID卡，车辆优选使用单频点单协议的5.8GHz ETC车载单元OBU，那么在上述各项优选基础上，即可继续优选具有433MHz无线连接的地磁检测器(用以检测车辆)和有线连接的红外检测器(用以检测车辆和人员)作为检测器16；优选5.8GHz收发器和收发天线，2.4GHz收发器和收发天线，和433MHz收发及唤醒器和收发天线作为微波射频通讯器111和收发天线112；优选2.4GHz低功耗的ANT无线网络通讯接口部件及其配套的收发天线作为联机数据通讯接口121和收发天线122；优选可以脱机完成金融交易的PSAM消费安全访问模块和内置于所述微处理器10的安全访问软硬件模块作为安全访问模块14；对于人员/车辆处理量较大的应用场合，可以优选外部供电电源及内置后备电池作为路侧设备的备用电源。

本实例中路侧设备的工作过程为：

由于检测器16中的地磁检测器能检测车辆而不能检测人员，因此若微处理器10通过微波射频通讯器111中的433MHz收发及唤醒器接收到地磁检测器判定有车到达的信号时，即启动微波射频通讯器111中的5.8GHz收发器，结合安全访问模块14中的PSAM跟车载单元OBU做通讯握手与一系列的车辆信息处理，包括认证、记录、收费等等，与ETC收费处理过程类同，在此不再赘述；

若微处理器10收到检测器16中红外检测器发出的人员/车辆到达信号，但没有收到地磁检测器判定有车到达的信号时，则确定为人员到达信号，此时即启动微波射频通讯器111中的2.4GHz收发器，结合安全访问模块14中内置于所述微处理器10的安全访问软硬件模块，跟RFID做通讯握手与一系列的人员信息处理，包括认证、记录等等；如若也同时收到地磁检测器判定有车到达的信号时，则可以使用时分复用和/或频分复用的方法作出兼顾处理。

工作时，微处理器10实时自动采集、分析、处理数据，作出相应控制与处理，包括：通过所述人机界面处理单元13向目标对象反馈处理结果，和/或按业务要求提取、组织数据，以流水形式经联机数据通讯接口121和收发天线122中的ANT无线网络通讯接口部件及其配套的收发天线上传至上位机、或后台系统。

为了减少能耗，净化空中电磁环境，可以设定当微处理器10收到检测器16输出目标不存在信号时，关闭微波射频通讯器111中已经启动的有关部件即可。

2、路边停车电子收费

该实例是一种新型便民措施，将会是未来城市智能交通建设的一个重点内容。传统的路边停车收费，主要使用咪表计时、人工刷卡收费的方式，建设与使用成本高，维护繁杂，社会认知接受度也低，不少地方是在使用与废弃之间反复。随着ETC应用由高速公路走向城市，本发明一种具有太阳能采集机制的路侧设备，由于具有功耗、成本、安装维护简便等优势，能够实现以下两种解决方案：a.对于单频点单协议的5.8GHz ETC车载单元OBU，车辆的到达与离开可以直接使用上述第一个实例所提供的方法来处理，区别在于在处理车辆离开时，微处理器10增加一个进行计费与扣费的处理步骤即可；b.对于多频点多协议，即同时具有5.8GHz、2.4GHz和300-928MHz特定频段收发器的ETC车载设备OBE，则有以下针对性优选实施方法：

优选具有433MHz无线连接的地磁检测器作为检测器16，用以检测车辆；优选小范围内通讯效果较好的2.4GHz收发器和收发天线，和绕射能力及通讯作用距离较长的433MHz收发及唤醒器和收发天线，作为微波射频通讯器111和收发天线112；优选2.4GHz低功耗的ANT无线网络通讯接口部件及其配套的收发天线作为联机数据通讯接口121和收发天线122；优选可以脱机完成金融交易的PSAM消费安全访问模块作为安全访问模块14；优选内置后备电池作为路侧设备的备用电源，不使用外部供电电源做为备用电源。

图3为本实例路侧设备RSE应用于路边停车电子收费系统原理方框示意图，图中接口设备82对应路侧设备RSE1一侧，使用ANT无线网络通讯接口部件及其配套的收发天线相对接，接口设备82对应后台系统100一侧，使用GPRS无线对接，上位机81与接口设备82有线连接。图中IC卡、或车辆后台绑定的银行账户，均可用于本例作电子支付。

本实例中路侧设备RSE1的工作过程为：

当微处理器10通过微波射频通讯器111中的433MHz收发及唤醒器接收到地磁检测器判定有车到达的信号时，即启动微波射频通讯器111中的2.4GHz收发器，结合安全访问模块14中的PSAM，跟车载设备OBE3做通讯握手及认证，成功后由路侧设备RSE1反馈开始计费信息到车载设备OBE3，车载设备OBE3收到后以声光提示司机，并在车载设备OBE3的液晶显示屏上显示“P”表示登录认证成功并已开始计时收费，同时，微处理器10关闭微波射频通讯器111中的2.4GHz收发器以减少能耗。

当停泊的车辆离开时，微处理器10通过微波射频通讯器111中的433MHz收发及唤醒器接收到地磁检测器判定车辆离开的信号时，则微处理器10根据费率表以及停车时间等收费要件，计算收费金额，并通过微波射频通讯器111中的433MHz收发及唤醒器，结合安全访问模块14中的PSAM，跟车载设备OBE3完成收费交易，使用IC卡的可现场自动扣费，使用绑定后台账户的则以交易流水上传后台系统100进行后台扣费，完成后由车载设备OBE3以声光信号形式提示司机，并在车载设备OBE3的液晶显示屏上显示收费金额。

在车辆到达与离开这两个工作过程，微处理器10实时自动采集、分析、处理数据，并按业务要求提取、组织数据，-以流水形式经联机数据通讯接口121和收发天线122中的ANT无线网络通讯接口部件及其配套的收发天线，通过接口设备82上传至上位机81、或后台系统100，整个停车电子收费过程从开始到结束全自动完成，无须任何人工操作。

本发明路侧设备，在上电工作过程中，光伏能量采集与供电单元15承担着能量采集、能量转存、充电控制、稳压供电的作用。同时，能量采集芯片154和/或充电控制电路155具备实时监测储能器件156正极电压变化的机制，所以在通常情况下，完全可以利用太阳能电池板151作为主要供电，一旦发现储能不足，立即切换到备用电源供电，而备用电源又优先使用外部供电电源152，只有在外部供电电源152没电时，才切换到由内置后备电池153供电，直到判定储能充足后，充电控制电路155才切换回太阳能电池板151供电，该管理机制保证了设备能够长时间不间断可靠运行。

Claims

1.一种具有太阳能采集机制的路侧设备，其特征在于，包括：光伏能量采集与供电单元、微处理器及与所述微处理器相连接的微波射频通讯器和收发天线、联机数据通讯接口、人机界面处理单元、安全访问模块、检测器。

2.如权利要求1所述的一种具有太阳能采集机制的路侧设备，其特征在于：所述光伏能量采集与供电单元，包括：太阳能电池板、能量采集芯片、外部供电电源、内置后备电池、充电控制电路、储能器件与稳压电路。所述太阳能电池板的正极连接所述能量采集芯片的输入端，所述能量采集芯片的充电输出端连接所述充电控制电路的第一输入端，所述外部供电电源的正极(或交流电源火线)连接所述充电控制电路的第二输入端，所述内置后备电源的正极连接所述充电控制电路的第三输入端，所述充电控制电路的输出端连接储能器件的正极和所述稳压电路的输入端，所述稳压电路的输出端即为负载电源。所述光伏能量采集与供电单元主要作用为通过充电控制电路，按照太阳能、外部供电电源、内置后备电池这个自高至低的优先级顺序，对储能器件进行充电管理，所储存的电能通过稳压电路稳压后输出，以提供设备整体工作所需电能。

3.如权利要求2所述的一种具有太阳能采集机制的路侧设备，其特征在于：所述太阳能电池板，包括单晶硅、多晶硅或非晶硅太阳能电池板；所述能量采集芯片具有最大功率点跟踪、控制功能，具有监测所述储能器件正极电压，并向所述充电控制电路提供储能不足信号以切换充电源的功能；所述储能器件，包括超级电容、复合电容、可充电锂电池或薄膜电池。

4.如权利要求1至3之任一项所述的一种具有太阳能采集机制的路侧设备，其特征在于：所述微处理器，包括：低功耗单片机、射频收发一体化(SOC)单片机、智能卡安全芯片、FPGA、嵌入式ARM或DSP处理器。

5.如权利要求1至3之任一项所述的一种具有太阳能采集机制的路侧设备，其特征在于：所述微波射频通讯器和收发天线，是所述微处理器与外部设备、车载单元OBU、车载设备OBE、或RFID进行空中数据传递、实时认证、加密通讯或完成金融交易的通讯连接部件，包括：5.8GHz、5.8GHz和2.4GHz和300-928MHz特定频段、5.8GHz和300-928MHz特定频段、2.4GHz、300-928MHz特定频段、2.4GHz和300-928MHz特定频段、或5.8GHz和2.4GHz的无线通讯器及其配套收发天线，所述无线通讯器包括：收发器、收发及唤醒器、或特定无线通讯协议处理器。

6.如权利要求1至3之任一项所述的一种具有太阳能采集机制的路侧设备，其特征在于：所述联机数据通讯接口，是指所述微处理器与外部设备、上位机、后台系统等进行组网通讯、实时认证、加密通讯或完成金融交易的外部联接接口，包括：有线和/或无线数据通讯接口，所述有线数据通讯接口包括UART、USB或TCP/IP网络接口；所述无线数据通讯接口包括：ANT、ZigBee、GPRS或特定协议的无线网络通讯部件及其配套的收发天线。

7.如权利要求1至3之任一项所述的一种具有太阳能采集机制的路侧设备，其特征在于：所述安全访问模块，是一种用于进行安全计算与安全存取、实时认证、加密通讯或可以脱机完成金融交易的信息安全部件，包括：PSAM消费安全访问模块或ESAM嵌入式安全访问模块，和/或内置于所述微处理器的安全访问软硬件模块。

8.如权利要求1至3之任一项所述的一种具有太阳能采集机制的路侧设备，其特征在于：所述人机界面处理单元，包括：按键、指示灯、蜂鸣器或显示屏。

9.如权利要求1至3之任一项所述的一种具有太阳能采集机制的路侧设备，其特征在于：所述检测器，是一种安装于路侧设备内或外，能对特定目标，如人、车、物的存在与否和/或移动方向进行检测判断，通过有线或无线连接提供相关结果信息给所述微处理器，用以启动或关闭所述微波射频通讯器从而实现环保节能、准确控制的功能部件；所述无线连接须满足所述检测器与所述微波射频通讯器或所述联机数据通讯接口能够通讯对接这个先决条件。所述检测器包括：地磁检测器、红外检测器、超声波检测器、微波检测器、视频识别检测器或线圈地感。