基于非接触式IC卡的高速公路收费系统设计

    引言

    公路是经济发展的血脉，而高速公路可称得上是其中的动脉血管。高速公路的通畅与否直接关系到国民经济能否健康快速的发展。随着经济的快速发展，车辆的数量大副攀升，因此对高速公路的要求也不断的提高，传统的高速公路计费管理系统的问题也充分地暴露了出来，特别是主要干线公路交通拥挤、行车缓慢等问题越来越突出。目前在我国大多数高速公路的道路收费仍处于纯人工收费的半原始状态，效率低，需要大量人力，收费站的建成和运营成本就消耗了相当一部分资金，而且大量收费站车辆交费需要完全停止。在交通高峰时期，收费站成为高速公路的“瓶颈”，这些突出问题已造成高速公路不“高速”。同时车辆的频繁刹车、启动也造成了能源浪费和环境污染，同时也加快了车辆部件的磨损，带来交通隐患。因此我们针对目前我国的实际情况设计了基于AVR单片机的高速公路收费管理系统，通过模拟运行，该系统能大大提高收费站的工作效率，节省人力、财力，同时也减轻了司机因频繁刹车、启动刹车交费带来的不便及车辆不必要的消耗及磨损。

    1 系统的硬件设计

    1．1 ATmegal28简介

    ATmegal28是AVR RISC结构的8位低功耗CUriOS微处理器。由于其先进的指令以及单周期指令执行时间，ATmegal28的数据吞吐率高达1MIPS／MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。其具有128k字节的系统可编程flash，4k字节的EEPROM，4k字节的sRAM，53个通用I／O线，32个通用工作寄存器，实时时钟RTc，4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器／计数器，两个USART，面向字节的两线接口TWI，8通道10位ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，SPI串行端口以及六种可通过软件选择的省电模式等特点。

    1．2系统硬件

    系统由电源模块、IC卡读写识别模块、驱动显示模块、控制杆执行模块和上位机通讯模块等组成。电源模块为整个系统提供电源支持，通讯模块负责和上位机进行通讯，传递重要的数据，IC卡读写模块用于建立与非接触式lc卡的物理连接通路，完成与IC卡的通讯，从卡上读取数据并将处理完的数据重新写入IC卡，执行模块用来执行上位机的各种指令，包括放行控制等功能。驱动显示模块是系统与用户交流的纽带，它一方面提示用户进行相应的操作，另一方面对车辆是否放行给出显示。系统总体框图如图1所示。 

    汽车进入自动收费车道时，当持有效的IC卡在BDXIC--2读写卡识别模块识别范围内时，读写卡模块读有效IC卡，并把读的信号送入ATmegal28单片机中，单片机将信息进行处理同时和上位机进行通讯，并在上位机后台数据库中对lc卡上的费用进行减操作，同时修改该卡ID所对应数据库信息，完成上述操作后．单片机给继电器控制信号，控制直流电动机抬起控制杆，并显示放行指示信号，车辆可快速通过。

    1．3读写卡和通讯模块

    非接触式IC卡，又名射频卡或感应卡，是世界上近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC技术结合起来，解决了IC卡无源和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。本设计中采用北斗星数码公司开发的BDX—IC--2非接触IC卡读写模块，该模块具有体积小，外接电路简单，通常情况下仅需在ANTEl和ANTE2两管脚接一个1．45mH的电感天线，其发射频率约为125kHz士2％，读写距离最大为80mm，属于串行异步通讯模式，波特率为4800 bit／s，RXD和TXD两管脚分别接ATmegal28第一个USART的PD2和PD3两管脚。同时BDXIC一2模块的TCON和GND两管脚接地即可。

    在通讯模块中选择电压型串口通讯MAX232芯片，接线上MAX232的T1IN(TDXl)和R10UT(RXDl)两管脚分别接ATmegal28第二个USART的PEl和PE0两管脚，R1IN和T10UT管脚等组成与上位机的串口通讯端子。1．4驱动及显示模块本模块包括两部分：LED显示和控制杆操作两部分。由于LED点阵不仅可以显示数字而且还可以显示箭头、符号等特殊字符。同时也因为控制简单方便，比起LED数码管和液晶有着特殊的优点，因此，选用两个8×8LED高亮点阵作为显示指示信号，在驱动LED点阵上选择3个74HC245，其中两个作为列控制，一个作为行控制。

    接线上ATmegal28的PA口(PA0至PA7)，PC口(PC0至PC7)和PF口(PF0至PF7)依次接3个74HC245的B口(B1至B8)，为了控制方便，74HC245的DIR管脚直接接地，即信号流从74HC245的B口流向A口。 

    在控制杆执行操作上选用如图2所示的信号放大控制电路。控制杆执行电路由普通的晶体管和两个AGY23299型固态继电器组成，它们共同完成带有减速器的直流电动机A的正、反转控制。正常情况下，控制杆放下并显示红灯z信号。当有车持有效lC卡通过时，完成自动交费后显示绿灯箭头标志放行。由于在目前情况下最有效的收费方式应为IC卡预付费方式，若持有无效IC卡或卡上余额不足时，则汽车可通过收费站的辅道进入人工收费口进行交费。 

    2 系统的软件设计

    软件基于数据库技术并采用VB编写界面，其管理界面如图3所示。 

    同时该软件也以网络连接为基础实现收费站的统一管理。各收费站将采集到的ID号及各种信息在中央主机中查找中央数据库，完成操作后返回信息供各收费站PC机作放行及扣费依据。各收费站PC机处理完成后再次将信息发到中央主机，完成对该ID对应的数据库信息的修改，从而完成整个收费过程，其收费流程如图4所示。 

    3 系统安全性的保障措施

    系统实现了最基本的IC卡收费，但这样的系统并不是一个完全安全实用的系统。因为涉及到资金的安全，势必需要更多的手段和措施来保障系统的资金安全和运行稳定，这里我们给出了以下3种安全性措施。

    (1)IC卡加密：首先IC卡上并不直接存储用户的存款余额，而只是存储用户的ID号，用户的存款余额是存储在中心数据库中的。这样便做到了重要信息的物理隔离。其次，用户所使用的IC卡是经过加密的，使用了64位的二进制密码来保证存取的安全性。

    (2)数据库技术：通过数据库技术，实现了对用户重要信息如：车牌号、ID号、存款余额、车型等重要信息的有效保护。除了系统管理员以外，一般收费人员及用户是无法直接接触这些数据的，这样极大地提高了IC卡收费系统的资金及运行安全性。

    (3)安全校验码：为防止在高速公路的行驶过程中，不同车辆司机互换、收费人员人为作弊及使用伪造的IC卡，我们在收费系统中引入了安全校验码的概念。其原理为：在司机进入高速公路入口刷卡时，由系统随机生成一个随机码，并将其写入IC卡和数据库，这一随机码是计算机内部自动生成的，是对所用人保密的。当车辆驶离高速公路再次刷卡时，系统要检查这一安全校验码是否与入口时一致，是否与车牌号相对应，若不符，马上报警并扣留该车辆。这一措施在很大程度上杜绝了司机、收费人员、不法分子的作弊企图，有效地提高了系统的安全性。

    4 结束语

    无论从交通工程还是从智能运输系统的角度看，先进的高速公路收费系统对于我国公路运营和公路通行服务都起着非常重要的作用。随着高速公路事业的迅速发展，电子收费技术会逐步在我国应用和完善。本文把非接触式IC卡技术和单片机技术相结合，依托网络信息服务技术，设计了一套电子收费系统，为解决我国高速公路目前的收费状况提供了有益参考。