CN1741072B - 基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统；以往车辆过桥过站收费时都须停车，易造成交通阻滞，且可能存在现金管理漏洞，对非法过站的车辆不能进行识别等；本发明由于在系统中应用蓝牙通信自适应跳频技术实现短距离双向无线信息传输，有效地提高了计费系统的抗干扰能力，车辆可以在不停车状态下实现准确交费；并且采用应用了基于高斯核函数聚类算法的智能识别技术，可以对车辆牌照实现快速、准确的识别，提高了收费的效率，避免造成交通阻滞，在识别出非法行使车辆后即时报警。本发明可广泛用于各种计费收费站点(亭)。

Description

基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统

技术领域

本发明涉及一种车辆计费系统，特别是一种基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统。

背景技术

随着交通运输越来越发达，交通道路建设规模越来越大，交通建设设施的管理就显得日益重要，而在管理方面最突出的就是对公路、桥梁、隧道等交通建设设施实施过站收费问题，由于现在所有的公路、桥梁、隧道等交通建设设施的过站收费一般是采用单向人工操作方式进行，车辆都须停车缴费，且要知道是什么车，按什么标准收费等，一旦驾车人没有零钱，还须进行大量的找赎，过站时间长，在交通高峰期造成交通阻滞的事时有发生，而且可能存在现金管理漏洞，此外对非法过站的车辆不能即时进行识别。为解决以上的问题，人们尝试过多种自动收费系统，但由于缺乏短距离无线技术的支持，并没有起到真正效果；智能IC卡也曾被用于车辆过站计费收费等，但使用智能IC卡时，车辆亦需停驶并靠近或接触收费亭才能计费收费，且智能IC卡不能准确对车辆身份进行识别，同时现在为了能对车辆身份进行识别，确保每次收费的准确性，在识别技术中主要采用一对一算法和一对多算法，前者需要过多的判别函数，后者精度难以得到保证。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种能双向无线传输、智能识别车辆身份的基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统，包括车载通信机、一对带USB接口的摄像头、数据采集预处理模块、收费亭PC机数据处理系统，车载通信机包括车载蓝牙通信模块、MCU单元和MCU外围电路；收费亭PC机数据处理系统中设置有PC机蓝牙通信模块，摄像头对过往车辆车牌进行图像视频信号采集，通过USB接口将图像视频信号传送到数据采集预处理模块，数据采集预处理模块对接受到的车辆图像视频信号进行压缩、分段和数据打包处理，然后利用智能字符识别技术正确识别出车牌号码，并与由车载通信机传送到收费亭PC机数据处理系统中的车牌号码进行识别比较，并利用蓝牙通信模块实现车载通信机与收费亭PC机数据处理系统之间的双向距离无线数据传输，其中的智能字符识别技术是应用了基于高斯核函数聚类算法的智能识别技术，当本系统收费亭PC机数据处理系统中的图像识别信号与车载通信机传输来的车牌图像视频信号一致时，系统自动进入下一程序，两者不一致时，系统自动进入报警程序，并向下一收费亭发出预警。

本发明的有益效果是：由于在本系统中应用蓝牙通信自适应跳频技术实现短距离双向无线信息传输，有效地提高了计费系统的抗干扰能力，车辆可以在不停车状态下实现准确交费，采用图像信号智能模式识别方法，可以对车辆牌照实现快速、准确的识别，提高了收费的效率，避免造成交通阻滞，在识别出非法行驶或欠费车辆后即时报警或通知下一个收费亭做出相应处理.

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的车辆与收费亭之间的无线通信示意图；

图3是本发明的车载通信机的电路原理图；

图4是本发明中收费亭PC机显示界面示意图；

图5是基于IRT-CAGKF技术的车辆牌照识别流程框图；

图6是IRT-CAGKF算法流程框图。

具体实施方式

参照图1、图2，基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统，包括车载通信机1、一对带USB接口的摄像头2、数据采集预处理模块3、收费亭PC机数据处理系统4，车载通信机1包括车载蓝牙通信模块8、MCU单元7和MCU外围电路9，收费亭PC机数据处理系统4中设置有PC机蓝牙通信模块5，当安装有车载通信机1的车辆A、车辆B、车辆C分别或同时短距离接近接有蓝牙通信模块的收费亭PC机时，车载通信机1的车载蓝牙通信模块8将本车辆的车型、车牌号等识别信息发送到收费亭中PC机蓝牙通信模块5；同时，摄像头2对过往车辆车牌进行图像视频信号采集，通过USB接口将图像视频信号传送到数据采集预处理模块3，数据采集预处理模块3可由数据采集卡或DSP系统具体实现，用于控制摄像头2视频图像的拍摄和采集，并对接收到的车牌图像视频信号进行压缩、分段和数据打包处理，处理后的数字车牌图像视频信号利用智能识别技术识别出车牌号码，并与由车载蓝牙通信模块8传送到收费亭PC机中的车牌号码进行识别比较，两者一致时进入计费收费程序，收取相应费用，同时收费亭PC机将本次数据存入数据库，并通过PC机蓝牙通信模块5分别与车辆A、B、C等的车载蓝牙模块通信，将收费信息分别回送给车辆A、B、C，实现双向无线数据传输；收费亭PC机数据处理系统4建立一个数据库，可调用计费中心数据库中存储的所有已购车辆信息，包括预存金额、车辆型号、吨位和牌照号码等，还可以将本次收费的全部数据传送到有线网络6，由车辆计费中心作相应处理，特别是当本系统收费亭中的视频识别信号与车载信号不一致时，就可以进入报警程序，向下一个收费亭发出预警，将欠(逃)费车辆以及非法营运车辆通过有线网络及时报送车辆计费中心或相关部门，由其做出相应处理。

图2是本发明蓝牙无线通信示意图，用于表示实现收费车辆与收费亭PC机的无线链接。

图3是图1所示的车载通信机的具体实现电路原理图，它通过车载部分收发信机的蓝牙收发模块与PC机通信，实现双向数据交换。整个电路分为以下几个部分：

1)主控电路部分：由单片微处理器AT89C52(U2)及其外围电路组成通信模块的核心电路。它负责对信号的甄别、存储与处理，包括数据传输、地址识别、车牌号码、车主账号以及相关费用等数据的处理。

2)外部存储器部分：采用IIC接口的AT24C04(U4)芯片作为信息存储电路核心，用于存储本机唯一识别码、本车车辆型号、车牌号码、吨位、缴费账户号码、本次应收金额、所剩余额.

3)通信接口电路：通信接口电路由MAX232(U3)及其外围电路组成。它可以连接无线(如蓝牙)通信模块，进行无线通信，也可以直接与PC机COM2/COM1直接进行通信(有线通信)，实现双向数据交换。串行口的波特率设置为9600bps，带偶校验，数据位为8位。

4)显示电路：显示电路由AT89C52与液晶显示模块LCM1602组成，用于显示当前数据，如当前所收金额、剩余金额查阅、行车状态、历史记录等。

5)键盘部分：其中三个按键功能分别是确定键，返回键，翻页键；用于配合液晶显示屏的三层菜单查阅车辆信息。

6)余额提示部分：用于车载通信机显示本车账户余存费用的余额部分。

7)电源部分：为整机提供直流稳压电源。

图4是车辆收费系统数据库的人机界面，本数据库包括车牌号、驾驶证号、车型、人口站号和出口站号、入站时间和出站时间等字段。

参照图5，本发明公开了一种新型的基于高斯核函数聚类算法的智能识别技术，该技术应用了字符识别方法：IRT-CAGKF(IntelligentRecognition Technology based on Clustering Algorithm with GaussianKernel Function)。整个技术可分为车辆牌照字符聚类和车辆牌照字符识别两个过程。

在上述两个过程中都包含一个车辆牌照字符特征信息提取步骤。在该步骤，系统首先通过摄像头采集到的图像数据进行预处理，包括车牌定位和图像分割，获得独立的字符；进而采用某一特征提取方法，如小波变换、主成分分析、结构特征分析等，提取每一个字符的特征。

车辆牌照字符聚类实际上是一个学习过程，其目的是利用IRT-CAGKF技术将不同光照、不同背景、不同清晰度等条件下的同一字符聚成一类。

收费车辆牌照字符识别过程是利用收费车辆牌照字符的特征信息和前一过程的聚类结果，结合IRT-CAGKF技术，将收费车辆牌照字符进行识别。

参照图6，本发明公开了一种字符识别技术：IRT-CAGKF。图中各模块含义：

1：输入已知样本集

2：设定初始参数σ，C

3：由式(7)获取优化区域

4：判断由优化区域获得的聚类结果是否与实际相吻合

5：结束，获得聚类结果

6：调整参数σ，C

7：判断聚类类别数是否多于实际类别数

8：判断聚类空间是否过大

9：调大σ

10：调小σ

11：调小C

12：调大C

整个IRT-CAGKF算法可叙述为：

对于全体样本集X＝{X₁，X₂，Λ，X_n}，先不考虑类别，设将样本集中全体样本完全包围所对应的最小球体的半径为R，对应的球心向量为a，则R，a满足如下优化方程

min Q(R)＝R²

s.t.R²-(X_i-a)^T(X_i-a)≥0    i＝1，2，Λ，n

由上面两式建立Lagrange函数

$L(R,a,\mathrm{\α})=R^2-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\{R^2-{(X_i-a)}^T(X_i-a)\}---\left(1\right)$

s.t.α_i≥0    i＝1，2，Λ，n

对式(1)关于R，a求偏微分，并令它们等于0，可得

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i=1---\left(2\right)$

$a=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{X}_i---\left(3\right)$

将式(2)和式(3)代入式(1)，得优化方程

$\max L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i(X_i\·X_i)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_j(X_i\·X_j)---\left(4\right)$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i=1,$ α_i≥0，i＝1，2，Λ，n

与α_i＞0对应的样本点称为支持向量。由式(4)获得系数α_i后，即可由式(3)获得球心向量a，进一步任选一支持向量X_s由式(5)得到超球体的半径R

R²-(X_s-a)^T(X_s-a)＝0                    (5)

由式(4)求得的超球体往往过于松弛，不能准确地反映实际样本数据的分布特征。为此，在优化方程式(4)中引入高斯核函数

$K(X_i,X_j)=\exp (-\frac{{\left|\right|X_i-X_j\left|\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2})---\left(6\right)$

优化方程式(4)变为：

$\max L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{i}K(X_i,X_i)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_{j}K(X_i,X_j)---\left(7\right)$

为进一步优化封闭区域的构成，并避免可能的野点数据的干扰，在优化过程中引入松弛变量，此时样本集满足

$\min L\left(R\right)=R^2+C\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ξ}}_i$

s.t(X_i-a)^T(X_i-a)≤R²+ξ_i

ξ_i≥0    i＝1，2，Λ，N

求解效果相当于在式(7)中增加约束条件0≤α_i≤C。

由式(7)决定的优化区域在特征空间中表现为超球体，然而，选择合适的高斯核函数参数σ和折中系数C，该优化区域在原始数据空间中表现为各字符的聚类子空间的集合.

参数σ的调整方法：若聚类类别数多于实际类别数，则调大σ；否则，若聚类类别数少于实际类别数，则调小σ。

参数C的调整方法：若聚类空间过大，则调小C；否则，若聚类空间过小，则调大C。

字符识别的IRT-CAGKF技术有机融合了核技术、统计学习理论和模式识别的研究成果，可以对车辆牌照实现快速、准确的识别，从而提高收费站工作效率，尽可能地避免交通阻滞。

参照图1，基于蓝牙和智能识别技术的车辆计费系统，本系统还支持有线网络联接。一旦识别到非法车辆就可以进入报警程序，向下一个收费亭发出预警，将欠费车辆通过有线网络向车辆计费中心作出相应处理，及非法营运车辆通过有线网络报警等。

Claims (3)

1.基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统，包括车载通信机(1)、一对带USB接口的摄像头(2)、数据采集预处理模块(3)、收费亭PC机数据处理系统(4)，车载通信机(1)包括车载蓝牙通信模块(8)、MCU单元(7)和MCU外围电路(9)；收费亭PC机数据处理系统(4)中设置有PC机蓝牙通信模块(5)，其特征在于：摄像头(2)对过往车辆车牌进行图像视频信号采集，通过USB接口将图像视频信号传送到数据采集预处理模块(3)，数据采集预处理模块(3)对接受到的车辆图像视频信号进行压缩、分段和数据打包处理，然后利用智能字符识别技术正确识别出车牌号码，并与由车载通信机(1)传送到收费亭PC机数据处理系统(4)中的车牌号码进行识别比较，并利用蓝牙通信模块实现车载通信机(1)与收费亭PC机数据处理系统(4)之间的双向距离无线数据传输，其中的智能字符识别技术是应用了基于高斯核函数聚类算法的智能识别技术。

2.根据权利要求1所述的基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统，其特征在于：车载通信机(1)内预存有本机唯一识别码、本车车辆型号、车牌号码、吨位、缴费账号号码，并能记录本次应收金额及存储所剩余额。

3.根据权利要求1所述的基于蓝牙通信和智能识别技术的车辆计费系统，其特征在于：本系统还支持有线网络(6)连接。

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