CN105976441A - 一种公路收费运维系统 - Google Patents

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戴新荣
张靖
田旭
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何俊
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    • G07B15/00—Arrangements or apparatus for collecting fares, tolls or entrance fees at one or more control points
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Abstract

本发明涉及一种公路收费运维系统，包括控制系统，控制系统分别连接存储单元、通信单元、收费设备和运维设备，收费设备和运维设备上同时安装传感单元用于数据的采集和传输；传感单元包括依次连接的传感器模块、传感器节点、zigbee模块和协调器节点，协调器节点与控制系统相连；传感器模块包括电流传感器、温度传感器和振动传感器。本发明通过传感单元和通信单元将收费管理系统的所有设备之间实现信息互连，有效提升了收费站点的工作效率和公路收费系统的信息化管理水平。

Description

一种公路收费运维系统
技术领域
本发明涉及一种公路收费领域，具体是一种公路收费运维系统。
背景技术
当前高速公路的收费管理普遍采用半自动收费方式，即在高速公路的入口设置自动取卡装置，而在高速公路的出口建设收费站及收费亭，采用人工收费方式。收费站的设计与施工特点是需要在狭小的空间内放置收费亭和车道，同时安装自动栏杆机、视频监控、地磁感应车检器、车道控制机、报警系统等各类设备。现有的公路收费系统结构松散，各设备之间彼此孤立，各个收费站的运维信息无法及时有效的传递给总管理平台，不利于实时在线管理。同时，现有收费系统结构需人工控制，收费人员工作强度大，工作效率低下，且易造成车辆拥堵，进而对公路交通运行产生不利影响。
发明内容
基于上述原因，本发明的目的是提供一种公路收费运维系统，基于信息物理系统技术将所有设备紧密联系在一起，形成一个自动化管理控制平台。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种公路收费运维系统，包括收费站点管理系统，收费站点管理系统用于本地站点运维管理、数据存储以及向远端总公司管理系统远程数据发送；收费站点管理系统包括控制系统，控制系统分别连接存储单元、通信单元、收费设备和运维设备，收费设备和运维设备上同时安装传感单元用于数据的采集和传输；所述传感单元包括依次连接的传感器模块、传感器节点、zigbee模块和协调器节点，协调器节点与控制系统相连；传感器模块包括电流传感器、温度传感器和振动传感器，电流传感器用于检测收费设备和运维设备主电路的电流，温度传感器用于检测收费设备和运维设备电机温度，振动传感器用于监测收费设备和运维设备的机械振动。
作为上述技术方案的进一步设置：
所述运维系统还包括与收费站点管理系统无线连接的远端总公司管理系统，远端总公司管理系统用于时时监控各收费站点管理系统的运行状态和操作指令的下发；所述控制系统还连接有实时数据采集组件和报警模块，实时数据采集组件分别与收费设备和运维设备相连。
所述收费设备包括栏杆机、车牌识别设备、车道控制机、收卡装置、发卡装置、地磁车检器、报警灯和显示屏。
所述运维设备包括照明系统、门禁系统、环境调节系统和设备维护系统。
所述zigbee模块包括CC2530芯片，CC2530芯片还连接有CC2591功放芯片。
所述传感器模块中的温度传感器使用一线式数字温度传感器DS18B20，振动传感器使用数字振动传感器ADIS16220，电流传感器使用C2-500型霍尔电流传感器。
所述传感器节点中的电源采用12V锂电池供电，采用LM7805芯片将12V转换为5V，再通过LM117芯片将5V转换为3.3V。
所述协调器节点包括分别与CC2530芯片连接的电源模块、串口模块、JTAG接口调试模块、LED显示模块和按键控制模块；天线接口模块与CC2591功放芯片相连。
所述串口模块使用RS-232接口或RS-485接口与控制系统相连，且串口模块采用MAX3232CSE芯片进行电平转换。
所述JTAG接口调试模块使用Header 5X2排针，一端通过IDC口与CC2530的IDC口连接，另一端通过USB口与控制系统相连。
本发明通过传感单元和通信单元将收费管理系统的所有设备之间实现信息互连，可实时远程监视各收费站点设备的运行状态、工作负荷，以便制定相应的设备维护和人员管理计划；同时，各收费站点的收费设备和运维设备由站点的控制系统自动控制，可以实时掌握站点设备的运行情况并及时报警提醒；本发明有效提升了收费站点的工作效率和公路收费系统的信息化管理水平。
以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。
附图说明：
图1为本发明收费站点管理系统结构框图；
图2为图1中传感单元与收费设备中的栏杆机连接原理框图；
图3为图2中协调器节点的结构原理框图。
具体实施方式：
结合图1至图3所示，本发明提供的一种公路收费运维系统，包括收费站点管理系统和远端总公司管理系统，收费站点管理系统用于本地站点的运维管理、数据存储以及向远端总公司管理系统远程数据发送，远端总公司管理系统用于时时监控各收费站点管理系统的运行状态和操作指令的下发；收费站点管理系统包括控制系统1，控制系统1分别连接存储单元3、通信单元2、收费设备6、运维设备7、实时数据采集组件5和报警模块4，实时数据采集组件5分别与收费设备6和运维设备7相连，用于获取相关设备的实时数据采集，收费设备6和运维设备7上同时安装传感单元8用于数据的采集和传输。
其中，收费设备6由传统的车道收费设备构成，包括栏杆机、车牌识别设备、车道控制机、人工半自动收卡装置、无人值守式发卡装置、地磁车检器、报警灯和显示屏；运维设备7包括照明系统、门禁系统、环境调节系统和设备维护系统。照明系统包括用于收费亭内照明的吸顶灯和应急照明；门禁系统用于收费人员进出收费亭的管理，可以采用刷卡设备或指纹识别设备；环境调节系统用于调节收费亭内的空气环境，包括一体式轿厢空调和新风系统；设备维护系统用于设备的维护和安装。
如图2所示，传感单元8包括依次连接的传感器模块、传感器节点82、zigbee模块83和协调器节点84，协调器节点84与控制系统1相连。传感器模块用于监测收费设备6和运维设备7中相关设备的数据采集以及对所采集的数据进行A/D转换，本发明运维系统中主要通过传感器模块采集运行设备的温度、振动和主电路的电流三个物理量，以此来监视设备的运行状况。因此传感器模块中的传感器主要选择温度传感器812、振动传感器813和电流传感器811来实现，为了进一步说明所选择传感器的作用，图2中以三种传感器与收费设备6中的栏杆机的连接结构为例来说明，其中电流传感器811对栏杆机的电动机611温度进行采样，其采用美国DALLA公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20，它可以将采集到的模拟信号直接转换成串行数字信号送给传感器节点82中的微控制器，只需要一条数据线就可以对 DS18B20 进行读出或写入信息。DS18B20 具有体积超小、硬件成本地、抗干扰能力强、精度高、附加功能强等优点，可以很好的满足本发明的要求。而振动传感器813用于对栏杆机的齿轮箱612采集振动信息，振动传感器813采用美国亚德诺公司生产的数字振动传感器ADIS16220，ADIS16220 集合了先进的 iMEMS 检测技术与信号处理、数据捕获、便捷的 SPI（串行外设接口）端口，其可以利用 SPI 和数据缓冲结构来访问宽带传感器上的数据，因此它是一款很智能化的传感器。另外，其数据采集系统内置时钟驱动，22kHz 的传感器谐振和 100.2kSPS 采样速率可以针对大多数机械设备的振动信号监测提供充分响应。机电设备的动力来源是电动机，因此采用电流传感器811来采集栏杆机电动机611主电路的电流，电流传感器811选用南京正角的C2-500型霍尔电流传感器。
因收费设备6和运维设备7中所含的设备种类繁多，收费现场环境复杂，每套设备需要监测的参数不一，因此传感单元8中采用zigbee模块83来建立无线传感器网络连接，以满足现场设备的监测要求。zigbee模块83一方面接收传感器节点82发送的设备运行参数，通过协调器节点84发送给控制系统1；另一方面也可以通过协调器节点84接收控制系统1的命令信息，通过zigbee模块83发送给各个传感器节点82，使传感器根据命令作相应动作。其中，zigbee模块83的核心芯片采用TI公司的CC2530芯片，其中 CC2530 结合了 RF 收发器、8051 微处理器、8KB 的 RAM ，32/64/128/256 KB 内存，其内部也已经集成了大量必要电路（实时时钟、看门狗、ADC、USART 等），因此只需要增加少量的外围电路就可以满足系统的无线通信需求。因需要监测的设备分布较广、数量较多，而 CC2530 芯片本身的通讯距离有限，因此需要增加与之连接的功放芯片，来进一步增加节点的通信距离，这样不仅可以减少 CC2530 无线网络的层数及中间节点的数量而且可以增加无线网络通信的稳定性。TI 公司的CC2591 功放芯片可以很好地满足节点无线模块低功耗、微型化的应用要求。CC2591 模块集成了可将输出功率提高+22dBm 的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高+6dB 的低噪声放大器，从而显著扩大了无线系统信号的覆盖范围。
传感器节点82中的电源模块主要给 CC2530 芯片以及前端的传感器模块供电，由于数据采集模块为无线传输，传感器节点82所安置的地点一般不宜经常更换电池，因此要尽可能采用低功耗的设计方案，延长电池的使用时间。该系统中的 CC2530 芯片、振动传感器 ADIS16220 和温度传感器 DS18B20 都可以采用 3.3V 供电，而霍尔电流传感器的工作电压为 12V，因此我们采用 12V 锂电池供电，并采用 LM7805 芯片将 12V 转换为 5V，再通过 LM117 电压调节芯片将 5V 转为 3.3V。
上述方案中的协调器节点84结构如图3所示，包括分别与CC2530芯片831连接的电源模块841、串口模块845、JTAG接口调试模块842、LED显示模块844、按键控制模块843，天线接口模块846与CC2591功放芯片832相连。其中串口模块845采用 RS-232接口 或者 RS-485接口与控制系统1相连；JTAG 接口调试模块842的功能是可以通过仿真器与控制系统1相连来对 CC2530 芯片831进行程序的烧写及调试；LED 显示模块844则是用指示灯的方式来显示通讯启停状态；按键控制模块843的功能是实现与传感器节点82的通讯及复位。
上述协调器节点84中的电源模块841与传感器节点82的电源相同，也是采用 LM7805 芯片将 12V 转换为 5V，再通过 LM117 电压调节芯片将 5V 转为3.3V。
串口模块845可以实现协调器节点84与控制系统1之间的通信，可以将由微处理器发出的并行数据转换为连续的串行数据流并且发送出去，同时还可以将接收到的串行数据流转换为并行数据并反馈给微处理器。考虑到串行接口比较耗电，因此只有在协调器节点84中才采用串口电路，这样可以最大降低传感器节点82的功耗，使其具有更长的连续工作时间。由于 CC2530芯片831 所使用的 TTL 电平是以电平的高低来表示逻辑状态，而串行通信中使用的 RS-232 通信是用正负电压来表示逻辑状态，所以二者的电平表达方式不同，需要外接接口电路进行电平匹配。因此，在协调器节点84的串口模块845的设计中，采用 MAX3232CSE 芯片进行电平转换。
JTAG 技术是一种嵌入式的调试技术，专门用于芯片内部测试以及进行系统仿真调试。CC2530芯片831 提供了可以进行在线调试和烧录程序的两线接口。JTAG接口调试模块842使用Header 5X2排针，一端通过IDC口与CC2530芯片831的IDC口连接，另一端通过USB口与控制系统1相连。JTAG接口调试模块842允许对片上闪存进行编程、访问存储器内容，以及在线对程序进行调试等，程序在 IAR EW 中编译好后，通过JTAG接口调试模块842可以将程序烧录到 CC2530 芯片831中。
本发明通过各收费站点的控制系统1自动完成对各设备的控制，如栏杆机的起落、车牌识别系统的运行、开启照明系统和环境调节系统等，通过传感单元8对各设备的运行状态进行监测，发生故障时通过报警模块4予以提醒，以便及时采取措施进行维护管理；通过实时数据采集组件5采集诸如门禁系统的进出信息，方便实时了解收费站点工作人员的出勤情况，为考核提供依据；采集发卡机和收卡机卡夹内卡片的数量信息，数量不足时通过报警模块4予以提醒，便于收费站点工作人员和远端总公司调度人员及时补充调配，保证车辆的顺畅通行。以上采集数据均保存于各收费站点管理系统的存储单元3内，并由各收费站点管理系统无线发送给远端总公司管理系统，形成各收费站点与总公司的信息连通，有助于提升信息化管理工作。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种公路收费运维系统，其特征在于：包括收费站点管理系统，收费站点管理系统用于本地站点运维管理、数据存储以及向远端总公司管理系统远程数据发送；收费站点管理系统包括控制系统，控制系统分别连接存储单元、通信单元、收费设备和运维设备，收费设备和运维设备上同时安装传感单元用于数据的采集和传输；所述传感单元包括依次连接的传感器模块、传感器节点、zigbee模块和协调器节点，协调器节点与控制系统相连；传感器模块包括电流传感器、温度传感器和振动传感器，电流传感器用于检测收费设备和运维设备主电路的电流，温度传感器用于检测收费设备和运维设备电机温度，振动传感器用于监测收费设备和运维设备的机械振动。
2.根据权利要求1所述的一种公路收费运维系统，其特征在于：所述运维系统还包括与收费站点管理系统无线连接的远端总公司管理系统，远端总公司管理系统用于时时监控各收费站点管理系统的运行状态和操作指令的下发；所述控制系统还连接有实时数据采集组件和报警模块，实时数据采集组件分别与收费设备和运维设备相连。
3.根据权利要求1所述的一种公路收费运维系统，其特征在于：所述收费设备包括栏杆机、车牌识别设备、车道控制机、收卡装置、发卡装置、地磁车检器、报警灯和显示屏。
4.根据权利要求1所述的一种公路收费运维系统，其特征在于：所述运维设备包括照明系统、门禁系统、环境调节系统和设备维护系统。
5.根据权利要求1所述的一种公路收费运维系统，其特征在于：所述zigbee模块包括CC2530芯片，CC2530芯片还连接有CC2591功放芯片。
6.根据权利要求1所述的一种公路收费运维系统，其特征在于：所述传感器模块中的温度传感器使用一线式数字温度传感器DS18B20，振动传感器使用数字振动传感器ADIS16220，电流传感器使用C2-500型霍尔电流传感器。
7.根据权利要求1所述的一种公路收费运维系统，其特征在于：所述传感器节点包括电源，电源采用12V锂电池供电，采用LM7805芯片将12V转换为5V，再通过LM117芯片将5V转换为3.3V。
8.根据权利要求5所述的一种公路收费运维系统，其特征在于：所述协调器节点包括分别与CC2530芯片连接的电源模块、串口模块、JTAG接口调试模块、LED显示模块和按键控制模块；天线接口模块与CC2591功放芯片相连。
9.根据权利要求8所述的一种公路收费运维系统，其特征在于：所述串口模块使用RS-232接口或RS-485接口与控制系统相连，且串口模块采用MAX3232CSE芯片进行电平转换。
10.根据权利要求8所述的一种公路收费运维系统，其特征在于：所述JTAG接口调试模块使用Header 5X2排针，一端通过IDC口与CC2530的IDC口连接，另一端通过USB口与控制系统相连。
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