CN1048600C

CN1048600C - 采用射频识别器的道路收费系统

Info

Publication number: CN1048600C
Application number: CN96122383A
Authority: CN
Inventors: 郑杰民; 陈英佐; 肖甘泉; 张林杰; 李凯; 陈鹏
Original assignee: Guangdong Prov Electronic Tech Research Inst
Current assignee: Guangdong Prov Electronic Tech Research Inst
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 2000-01-19
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: CN1161604A

Abstract

一种采用射频识别器的道路收费系统，它由识别器、微波天线、微波发射机、通讯接收机、收费计算机、数字显示屏、交通信号灯、电动栏杆、摄像装置相互连接构成，其连接关系为射频识别器通过微波及高频电磁波信号分别与入口码写入设备、出口站收费设备连接，入口码编码器通过编码线与发射机连接，发射机与微波天线连接，通讯接收机与收费计算机连接，收费计算机分别与数字显示屏、交通灯、电动栏杆、摄像装置、发行计算机连接。本系统耗电小、造价低、作用距离大、适用于多入口、多出口高速公路。

Description

采用射频识别器的道路收费系统

本发明是一种采用射频识别器的道路收费系统，属射频识别无线电通讯技术，特别涉及射频识别电子收费系统。

国内现有的高速公路、桥梁、隧道等交通设施的可以不停车收费的道路电子收费系统，一般都采用计算机记账，它们的区别主要在于车辆上使用哪种远距离通讯技术。其中有的使用红外技术(如CN2077141U号专利申请)，而红外发射需要较大的电流，因此功耗太大；有的使用应答器(如CN2138812Y号专利申请)，而其应答器没有电源节能控制，且它安装在车辆的底部，安装不方便；还有的使用无线电接收和发射器(如CN1109988A号专利申请)，其无线电接收和发射器也没有电源节能控制，并且其结构复杂、体积较大；当然也有“计费系统”，最后要靠人工收费，根本不属自动收费系统。上述的专利申请技术都没有写入功能，在通过高速公路的入口站时，不能记录(写入)入口编码，不适用于按里程收费的多入口、多出口的高速公路的收费。国外的道路电子收费系统大多采用射频识别器，射频识别技术，即RFID技术，它的基本原理是使用识别器TAG(又称应答器)发射带有识别码(ID码)的电磁波来表明身份，这个识别码由一个带有发射机和接收机的读码器READER(又称问询器)读出。按识别器上是否带有电源而分为无源和有源两类。无源识别器体积虽小，但它的电能要靠读码器发射的电磁波来供给，因此作用距离小，一般只在几十厘米之内。有源识别器的作用距离虽然较远，可达到几十米，但它的电池容量也有限，需要定时更换电池，不够方便，且体积也较大。同时存在前后车辆及相邻车道的同频干扰以及国外道路电子费系统价格昂贵的问题。

本发明的目的就是为了克服和解决现有国内道路电子收费系统存在的只计费而靠人工收费、不属于自动收费系统或功耗太大、安装不方便、结构复杂、体积较大、不适用于按里程收费的多入口、多出口的高速公路以及国外道路电子收费系统需要定时更换电池、不够方便、体积大、价格昂贵以及存在前后车辆和相邻车道同频干扰的问题，研究发明一种不需更换电池、作用距离较大、造价低、能较好克服前后车辆和相邻车道的同频干扰，适用于多入口、多出口的高速公路使用的采用射频识别器的道路收费系统及射频识别器的实现方法。

本发明是通过下述方案来实现的：采用射频识别器的道路收费系统的整体结构方框图如图1所示，它由射频识别器1、入口码写入设备、出口站收费设备、射频识别器发行计算机13共同连接构成，其中：入口码写入设备由微波天线2、微波发射机3、入口码编码器4相互连接构成，出口站收费设备由微波天线5、微波发射机6、通讯接收机7、收费计算机8、数字显示屏9、交通信号灯10、电动栏杆11、摄像装置12相互连接构成，其相互连接关系为：射频识别器1通过接收入口码写入射备及出口站收费设备发射的微波信号以及自己发射的高频电磁波信号分别与入口码写入设备，出口站收费设备相电气连接，入口码写入设备中的入口码编码器4通过编码讯号线与微波发射机3相电气连接，微波发射机3通过微波讯号线与微波天线2相电气连接，微波天线2通过发射微波讯号和射频识别器接收微波讯号而相互电气连接，出口站收费设备中的微波发射机6通过微波讯号线与微波天线5相电气连接，微波天线5通过发射微波讯号和射频识别器1接收微波讯号而相互电气连接，射频识别器1通过发射高频电磁波讯号和通讯接收机7接收高频电磁波讯号而相互电气连接，通讯接收机7通过数据讯号线与收费计算机8相电气连接，收费计算机8分别通过显示讯号线、交通灯讯号线、电动栏杆控制讯号线、摄像控制讯号线分别与数字显示屏9、交通信号灯10、电动栏杆11、摄像装置12相电气连接，收费计算机8通过计算机网络与射频识别器发行计算机13相互电气连接。本系统的工作原理和性能如下：车主到射频识别器发行站预缴一定费用，领取写有某个标识码(相应于车主的车牌号码)的射频识别器1，发行站把预缴费用数额、标识码、车牌号码等数据存入射频识别器发行计算机13的数据库内。车主将该射频识别器贴于车前挡风玻璃内表面，便立即可以使用；当装有射频识别器的车辆进入高速公路某一入口站，站内入口码写入设备的微波发射机3将通过微波发射天线2发射一个微波电磁场，它的强度足以打开射频识别器的电源开关使射频识别器工作。这个微波电磁场受到入口编码器4的调制，因而带有高速公路入口码，射频识别器能够接收这入口码并写入内部的EEPROM中。射频识别器写入后立即自行关断电源；当装有射频识别器的车辆驶出高速公路某一出口站时，出口站收费设备的微波发射机6将通过微波发射天线5发射微波电磁场，以打开射频识别器的电源开关使射频识别器工作，这个电磁场没有编码信号。射频识别器会自动把EEPROM内存储的高速公路入口码和自己的标识码通过射频以密码方式发射出去，然后自行关断电源；在出口站，数字通讯接收机7收到射频识别器发来的信号，进行接收、纠错、解码、解密并送至收费计算机8，计算机自动查阅车主帐户的存款额，并按不同车种和不同路程的收费标准，在已预缴的费用中扣减。数字显示屏9将显示车号、车型、应收款与结余金额，让司机与收费站人员均一目了然；当车主帐户的结余金额足够支付过站的费用时，出站口交通信号灯10亮绿灯，电动栏杆11高举，给予放行。若结余金额已不多，处于警告值以下时，则黄灯亮，提示注意补充储值，仍予以放行。若结余金额不足或已无余款时，红灯亮，栏杆放下，不予放行。对于敢予冲红灯的车辆，将由站上摄像装置12自动摄下车牌号，并由计算机系统记录冲红灯的时间，以便追究其责任。各个出口站收费设备的收费计算机8与射频识别器发行计算机13通过计算机网络相联接；整套系统最多可以有1至100万个射频识别器；0至256套入口码写入设备；1至256套出口收费设备；一个或多个射频识别器发行计算机。不论装有射频识别器的车辆是驶入还是驶出收费站的专用车道，都可以保持高达80公里/小时的速度过站；标识码的长度为20bit，亦即本系统可以管理100万辆车。入口码长度为8bit，亦即出、入口数目可达256个；射频识别器由3.6V锂电池供电，其容量不小于1000毫安时。射频识别器不工作时不耗电，由入口码写入设备或出口站收费设备激活转入工作状态，每次工作不超过0.2秒，然后自动关闭。高速公路入口站的入口码写入设备能在10米的距离内把入口码写入射频识别器内；本射频识别器通过电磁波与出口站收费设备的通讯接收机实行双向数字通讯，有纠错和保密功能，通讯距离可达10米。调制方式为FM，载频采用48MHz频段。

本射频识别器的外形结构示意图如图2所示，它由电路板14、铭牌15、识别器盒上盖16、识别器盒盒座17、高容量电池18共同连接构成，其相互位置及连接关系为：射频识别器电路板14通过螺钉固装于识别器盒盒座17内，铭牌15粘贴于识别器盒上盖16上，高容量电池18装置于识别器盒盒座17左下角内，识别器盒上盖16卡接于识别器盒盒座17上；射频识别器电路方框原理图如图3所示，它由微带接收天线、捡波器、放大整形器、电池、电源开关、微控制器和EEPROM、调频发射器、微带发射天线共同连接构成，其相互连接关系为：微带接收天线通过微波讯号线与捡波器相电气连接，检波器通过低频信号线与放大整形器相电气连接，电源通过电源线与电源开关相电气连接，放大整形器通过数字讯号线分别与电源开关、微控制器和EEPROM相电气连接，微控制器和EEPROM通过调制讯号线与调频发射器相电气连接，调频发射器通过高频讯号线与微带发射天线相电气连接；射频识别器的电路原理图如图4所示，图中：L0为微带接收天线，捡波器由电容C₀～C₂，二极管D₁～D₂、电阻R₃并串联连接构成，放大整形器由三极管T₂、电阻R₂、R₄串并联连接构成，B₀为电池，电源开关由三极管T₁、电阻R₁、电容C₁₂并串联连接构成，微控制器和EEPROMYP由单片微机U₁、EEPROMU₂、电容C₉～C₁₁、晶体X₂并联连接构成，调频发射器由三极管T₃、T₄，变容二极管D₃、晶体X₁、电感L₁、L₂、电容C₃～C₈、电阻R₅～R₉并串联连接构成，A₁为微带发射天线。射频识别器的实现方法如下：接收入口码写入设备的写入命令，把入口码写入其内部的EEPROM，并接受通讯机的询问，报告自身的识别码和入口码，以使计算机自动收费；作为射频识别器的电源总开关的三极管T₁平常处于关断状态，电池B₀不耗电，射频识别器的接收天线L₀接收微波载频信号后，通过二极管D₁和D₂进行倍压捡波，当信号足够强时，便能使三极管T₂和T₁导通，使射频识别器进入工作状态；若微波载频带有足够强的入口编码信号，表示入口码写入设备发出了写入命令，三极管T₂会对它进行放大、整形成为方波送至微控制器(即单片微机)U₁，单片微机U₁对该方波信号进行纠错、解码、解密，并把所得到的入口编码写入EEPROM(U₂)；若微波载频上没有调制信号，表示通讯接收机正在询问，单片微机U₁就首先通过电阻R₆输出高电平使三极管T₃导通并产生振荡。同时，单片微机U₁从EEPROM(U₂)读出入口编码和射频识别器的识别码，再经过编码和加密后通过电阻R₅送到变容二极管D₃实现调频，经过三极管T₄把振荡级的输出信号放大后通过发射天线发射出去。每个识别器的识别码是唯一的，是在发行射频识别器的时候，由发行计算机写进其EEPROM中去的，入口码是由入口码写入设备发布命令写入的。发射过程只维持0.2秒，单片微机U₁即通过R₆输出低电平使三极管T₃截止停止振荡，单片微机U₁本身也进入停机状态。

入口码写入射备中的入口码编码器的电路原理图如图5所示，其工作原理如下：入口码的设定是通过8个DIP开关SW1～SW8来完成，8个DIP开关的不同位置的组合有256个，因此相应有256个不同的入口码，微处理器IC₁的8个输入端分别与8个DIP开关SW₁～SW₈相连接，IC₁能把这并行输入信号转换为异步串行输出讯号，从输出端OUT输出到微波调频发射机。

本采用射频识别器的道路收费系统与现有技术相比具有如下的优点和有益效果：(1)本系统能适用于多入口、多出口的高速公路的自动收费。现有用于道路电子收费系统的有源识别器只能报告它自己的识别码，而不能报告它从那个入口进入，不适合多入口、多出口的高速公路的收费要求。目前国内使用的自动收费系统只适用于单入口、单出口的桥梁、隧道等场合。而本发明的射频识别器还具有写入功能，在通过高速公路的入口站时能接收并写入(记录)站内发射的入口编码，而在通过高速公路的出口站时能读(报告)已写入的入口码和它自己的识别码，从而使收费站的计算机能按照不同里程和不同车类的收费标准扣减该车的预付款；(2)本系统体积小、安装方便、具有电能节能控制不需更换电池。现有的有源识别器平常不工作时虽然处于“休眠”状态，等待读码器去“换醒”，但这时其集成件仍要消耗一定的电流，因此在使用了一定时间后，必须更换电池。而本发明的射频识别器在平常不工作时处于关闭状态，完全不消耗电流，只有在车辆通过收费站时，由站上的高频发射机发射信号打开射频识别器的电源开关，并且仅仅工作0.2秒就自动关闭，这就极大地延长了电池寿命，可不更换电池。其具体分析如下：现有的有源射频识别器平常不工作时每小时仍要消耗5微安左右的电流，故每天即使不工作也要消耗电量为0.005mA×24H＝0.12mAH，再加上工作时的耗电，其总耗电量肯定大于0.12mA。而本射频识别器工作电流为20mA，每次工作最多0.2秒，以每天工作10次计算，所消耗总电量是：20mA×(0.2+3600)H＝0.011mAH，可见本射频识别器比现有的有源识别器的耗电量减少10倍以上，而本射频识别器内的电池容量为1000mAH，按上述的耗电量计算，可见该电池可使用的时间为1000÷0.011＝90909天＝249(年)，即使考虑电池的漏电，按电池生产厂家的数据，使用寿命也有30年以上，因此可以说无需更换电池；(3)现有的无源识别器作用距离只在几十厘米以内，而本射频识别器的作用距离可达10米；(4)采用本射频识别器的收费系统能较好地克服前后车辆及相邻车道的同频干扰问题；(5)本收费系统造价低，较之引进美国的单入口、单出口的收费系统，本系统的单价仅为其1/2～1/3。

下面对说明书附图进一步说明如下：图1是采用射频器识别器的道路收费系统整体结构方框图；图2是本发明的射频识别器的外形结构图；图3是本射频识别器的电路方框原理图；图4是本射频识别器的电路原理图；图5为入口码编码器的电路原理图；图6是本射频识别器的工作程序流程图。图2中，14为射频识别器电路板，15为铭牌、16为射频识别器盒的上盖，17为射频识别器盒的盒座，18为射频识别器的高容量电池。

本发明的实施方式如下：(1)可选购GC904电台作为本系统的微波发射机3、6；可选购TSJ3通讯接收机作为本系统的通讯接收机7；可选购金长城586微机作为本系统的收费计算机8和射频识别器发行计算机13；可选购TWX5型超高亮度LED数字显示屏作为本系统的数字显示屏9；可选购ELBEX EXC90型摄像装置作为本系统的摄像装置12；(2)按图5所示，绘制入口码编码器印刷电路板，再筛选元器件进行安装和简单调试，其中IC1可选AT89C2051型集成电路、X₃可选6MHz晶体；(3)按图4所示，绘制射频识别器的印刷电路板，再筛选元器件进行安装和调试，其中：单片微机可选AT89C2051型，EEPROM U₂可选24LCOIB型，晶体三极管T₁可选8550型，T₂可选8050型，T₃、T₄可选1730型，电池B₀可选TOSHIBA ER3V锂电池，X₁可选48MHz晶体，X₂可选6MHz晶体；按图2所示用注塑方法制造射频识别器盒，并把射频识别器电路板装进盒内；(4)按图1所示和上面说明书所述的连接关系进行电气连接，便能很好实现本收费系统。然后按6所示的程序流程图设计射频识别器的工作程序流程，便能实现本射频识别器的工作程序。

Claims

1、一种采用射频识别器的道路收费系统，其特征在于：它由射频识别器(1)、入口码写入设备、出口站收费设备、射频识别器发行计算机(13)共同连接构成，其中：入口码写入设备由微波天线(2)、微波发射机(3)、入口码编码器(4)相互连接构成，出口站收费设备由微波天线(5)、微波发射机(6)、通讯接收机(7)、收费计算机(8)、数字显示屏(9)、交通信号灯(10)、电动栏杆(11)、摄像装置(12)相互连接构成，其相互连接关系为：射频识别器(1)通过接收入口码写入设备及出口站收费设备发射的微波信号以及自己发射的高频电磁波讯号分别与入口码写入设备，出口站收费设备相互电气连接，入口码编码器(4)通过编码讯号线与微波发射机(3)相电气连接，微波发射机(3)通过微波讯号线与微波天线(2)相电气连接，微波天线(2)通过发射微波讯号和射频识别(1)接收微波讯号而相互电气连接，出口站收费设备中的微波发射机(6)通过微波讯号线与微波天线(5)相电气连接，微波天线(5)通过发射微波讯号和射频识别器(1)接收微波讯号而相互电气连接，射频识别器(1)通过发射高频电磁波讯号和通讯接收机(7)接收高频电磁波讯号而相互电气连接，通讯接收机(7)通过数据讯号线与收费计算机(8)相互电气连接，收费计算机(8)分别通过显示讯号线、交通灯讯号线、电动栏杆控制讯号线、摄像控制讯号线分别与数字显示屏(9)、交通信号灯(10)、电动栏杆(11)、摄像装置(12)相互电气连接，收费计算机(8)通过计算机网络与射频识别器发行计算机(13)相互电气连接。

2、按权利要求1所述的采用射频识别器的道路收费系统，其特征在于所述的射频识别器由电路板(14)、铭牌(15)、识别器盒上盖(16)、识别器盒盒座(17)、高容量电池(18)共同连接构成，其相互位置及连接关系为：射频识别器电路板(14)通过螺钉固装于识别器盒盒座(17)内，铭牌(15)粘贴于识别器盒上盖(16)上，高容量电池(18)装置于识别器盒盒座(17)左下角内，识别器盒上盖(16)卡接于识别器盒盒座(17)上；其中电路由微带接收天线、捡波器、放大整形器、电池、电源开关、微控制器和EEPROM、调频发射器、微带发射天线共同连接构成，其相互连接关系为：微带接收天线通过微波讯号线与捡波器相电气连接，捡波器通过低频信号线与放大整形器相电气连接，电源通过电源线与电源开关相电气连接，放大整形器通过数字讯号线分别与电源开关、微控制器和EEPROM相电气连接，微控制器和EEPROM通过调制讯号线与调频发射器相电气连接，调频发射器通过高频讯号线与微带发射天线相电气连接。

3、按权利要求2所述的采用射频识别器的道路收费系统，其特征在于所述的射频识别器电路中的L₀为微带接收天线，捡波器由电容C₀～C₂、二极管D₁～D₂、电阻R₃并串联连接构成，放大整形器由三极管T₂、电阻R₄串并联解构成，B₀为电池，电源开关由三极管T₁、电阻R₁、电容C₁₂并串联连接构成，微控制器和EEPROM由单片微机U₁、EEPROMU₂、电容C₉～C₁₁、晶体X₂并联连接构成，调频发射器由三极管T₃、T₄、变容二极管D₃、晶体X₁、电感L₁、L₂、电容C₃～C₈、电阻R₅～R₉并串联连接构成，A₁为微带发射天线。

4、按权利要求1所述的采用射频识别器的道路收费系统，其特征在于所述的射频识别器的实现方法为：接收入口码写入设备的写入命令，把入口码写入其内部的EEPROM，并接受通讯机的询问，报告自身的识别码和入口码，以使计算机自动收费；作为射频识别器的电源总开关的三极管T₁平常处于关断状态，电池B₀不耗电，射频识别器的接收天线L₀接收微波载频信号后，通过二极管D₁和D₂进行倍压捡波，当信号足够强时，便能使三极管T₂和T₁导通，使射频识别器进入工作状态；若微波载频带有足够强的入口编码信号，表示入口码写入设备发出写入命令，三极管T₂会对它进行放大、整形成为方波送至微控制器(即单片微机)U₁，单片微机U₁对该方波信号进行纠错、解码、解密，并把所得到的入口编码写入EEPROM(U₂)；若微波载频上没有调制信号，表示通讯接收机正在讯问，单片微机U₁就首先通过电阻R₆输出高电平，使三极管T₃导通并产生振荡。同时，单片微机U₁从EEPROM(U₂)读出入口编码和射频识别器的识别码，再经过编码和加密后通过电阻R₅送到变容二极管D₃实现调频，经过三极管T₄把振荡级的输出信号放大后通过射频天线发射出去，每个识别器的识别码是唯一的，是在发行射频识别器的时候，由发行计算机写进其EEPROM中去的，入口码是由入口码写入设备发布命令写入的；发射过程只维持0.2秒，单片微机U₁即通过R₆输出低电平使三极管T₃截止，停止振荡，单片微机U₁本身也进入停机状态。