嵌入式ETC系统研究与实现.pdf

分类号：t p 3 9 10 710 0 8 2 4 0 4 6 谖孝犬海 硕士学位论文 嵌入式e t c 系统研究与实现 邬满 导师姓名职称 申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 赵祥模教授 答辩委员会主席 学位论文评阅人 宋焕生教授 李士宁教授 宋焕生教授 一 1 f j箍工q、一；4矗：_1l疆弼l了。-，。哆馕曩_薯，1 p 0 、。 r e s e a r c ho ne m b e d e de t c s y s t e ma n di m p l e m e n t a t i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e w um a n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a ox i a n g m o c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 8m 3 舢5舢84啪9iiiii舢y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 铆初 纱年z 月胡 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 研碍匆 导师签名：彦醐钐 矽年多月f 汨 一一2 以，年石月移日 摘要 嵌入式e t c 系统与传统的p c 式e t c 系统相比，具有实时性高、稳定性好、功耗 低、易扩展等优点。如何在保证高速公路收费安全性和可靠性的前提下，实现e t c 收 费功能由p c 机向嵌入式计算机的成功移植，是当前工程界面临的一个技术难题。 论文在分析了国内外e t c 技术发展现状的基础上，提出了一种以嵌入式一体机为 核心的嵌入式e t c 系统，并对系统的软硬件设计、收费处理流程、收费数据加密算法 等关键技术问题进行了深入研究。主要研究工作包括： ( 1 ) 设计了一种与人工收费系统相兼容的e t c 收费系统，该系统允许车辆从e t c m t c 进，从e t c m t c 出的任意组合方式。 ( 2 ) 完成了以嵌入式一体机为核心的e t c 系统硬件设计。该嵌入式一体机主要由 d m 6 4 4 6 与g m 8 1 8 0 组成，具有独立的业务处理与视频监控功能。实现了一体机与r s u 、 费额显示屏、双基色点阵屏之间的通信。 ( 3 ) 完成了嵌入式e t c 系统软件设计。以l i n u x 为平台，以q t 为开发工具，实现 e t c 收费流程的处理、视频监控及交易信息显示、数据上传与存储等功能；实现基于 c g i 模式的远程维护功能。 ( 4 ) 设计了一种基于t d e s 原理的收费数据加密算法。该算法对系统中嵌入式一体 机、r s u 、o b u 、i c 卡之间传输的收费数据进行加密，保证数据的安全性及可靠性。 ( 5 ) 完成了系统软硬件测试，并解决了系统在运行过程中出现的一些技术难题。主 要包括跟车问题的检测与解决方案的研究，以及系统实时性的提高。 根据南宁、柳州、北海三站测试结果表明：本系统运行稳定、可靠，使用方便，数 据传输安全性高，能够有效地提高高速公路收费站的通行效率，满足了e t c 系统在运 行中的要求。 关键词le t c ；智能交通；嵌入式计算机系统；跟车干扰；c g i ；t d e s ( 4 ) at o l ld a t ae n c r y p t i o na l g o r i t h mb a s e do nt d e sw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d i t e n c r y p t e dt h et o l ld a t aw h i c h w e r et r a n s m i t t e db e t w e e nt h ee m b e d d e di n t e g r a t e dm a c h i n e ， r s u ，o b ua n di cc a r d s ，a st oe n s u r et h et o l ld a t as e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y ( 5 ) t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ee t cs y s t e mw e r et e s t e d ，a n ds o m et e c h n i c a l p r o b l e m st h a to c c u r e dd u r i n gt h et e s tw e r es o l v e d i tm a i n l yi n c l u d e dt h ed e t e c t i o na n d s o l u t i o no ft h ef o l l o w i n gc a r sp r o b l e m , a sw e l la st h ei m p r o v e m e n to ft h es y s t e mr e a lt i m e t h et e s tr e s u l t so f n a n n i n g ，l i u z h o u , b e i h a is t a t i o n sr e v e a lt h es t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y , c o n v e n i e n c ea n ds a f ed a t at r a n s m i s s i o no ft h es y s t e m , s h o w i n gt h a ti tm e e t st h er e q u i r e m e n t s o fe t cs y s t e m s ，a n dg r e a t l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fh i g h w a yt o l ls t a t i o n s k e y w o r d s ：e t c ；i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n ；e m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e m ；f o l l o w i n gc a r s i n t e r f e r e n c e ；c g i ；t d e s 目录 摘寻墓i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1课题的研究背景及意义l 1 2e t c 技术的国内外发展现状2 1 2 1 国外发展现状2 1 2 2 国内发展现状5 1 3嵌入式e t c 系统的优点6 1 4本文主要研究内容。8 第二章嵌入式e t c 系统需求分析与总体设计9 ： 2 1 系统功能需求与性能指标9 2 1 1 系统主要功能9 2 1 2 系统性能指标9 2 1 3 主要参考标准1 0 2 2 系统总体方案与车道布局设计1 0 c 2 3 系统软件功能设计1 3 2 4 系统工作流程设计1 5 第三章嵌入式e t c 系统硬件结构与通信协议研究1 7 3 1 嵌入式一体机硬件结构研究17 3 1 1d m 6 4 4 6 主控制模块1 7 3 1 2 应用服务模块2 0 3 1 3 内部结构与外部接口。2 2 3 1 4 内部模块协调工作原理2 3 3 2 嵌入式e t c 系统外围关键设备选型2 4 3 3 系统中设备通信协议的研究与设计。2 8 3 3 1 嵌入式一体机与r s u 通信协议研究2 8 3 3 2 费额显示屏控制协议设计2 9 3 3 3 双基色点阵显示屏控制协议设计与实现。3 0 嵌入式e t c 系统软件详细设计与实现一3 3 系统开发环境与开发工具选择3 3 e t c 正常交易流程研究与实现3 4 4 2 1r s u 初始化与入口站流程3 4 4 2 2 记账卡出口站处理流程3 6 4 2 3 储值卡出口站处理流程。：3 8 e t c 异常交易情况处理方法研究与实现4 0 系统数据库设计。4 3 4 4 1 数据库平台及设计工具介绍4 3 4 4 2e t c 数据库概念模型设计4 4 4 4 3e t c 数据库物理模型设计4 6 4 4 4e t c 数据库面向对象模型设计4 7 基于嵌入式w e b 的远程维护技术研究与实现一4 8 4 5 1 远程维护模块总体分析与设计4 8 4 5 2 配置文件解析与修改5 0 4 5 3 文件传输管理。5 4 嵌入式e t c 系统关键技术研究与实现。5 7 系统中数据传输安全机制研究与实现5 7 5 1 1d e s 算法研究与分析。5 7 5 1 2d e s 的变型加e s 算法原理分析6 4 5 1 3t d e s 算法在系统中的应用与实现6 5 跟车干扰问题研究6 9 5 2 1 地感线圈在系统中的应用6 9 5 2 2 跟车情况的判断7 l 5 2 3 跟车干扰问题解决方案的研究。7 3 5 3 系统优化与实时性的提高7 5 第六章系统集成与测试7 8 6 1 系统软件主界面介绍。7 8 6 2 系统测试7 9 总结与展望8 5 总结8 5 展望8 5 参考文献8 7 攻读硕士学位期间取得的研究成果9 0 致谢9 1 1 1 课题的 随着经济和社会的飞速发展，交通系统面临着前所未有的挑战，高效、快捷的 交通系统是社会发展的迫切需要，也是人们便捷生活的重要保障。尽管近年来全国 大范围修建、扩建道路，改善交通环境，扩大交通运输能力，但交通拥挤、事故频 发、收费制式混乱、管理方式落后、通行效率低等问题却日益突出，人们对交通的 需求与交通现状间的矛盾日益恶化，因此运用先进的信息技术进行交通控制管理的 智能交通系统便应运而生。智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯技术、电 子传感技术、自动控制技术、计算机及网络技术等有效地集成运用于交通运输管理 之中，实现便捷的、实时的、高效的、智能的交通管理及控制。它是目前世界交通 运输领域的前沿研究课题，也是我国交通科技发展的重点方向，其核心是针对日益 严重的交通需求和环境保护压力，采用信息技术、电子通讯技术、自动控制技术、 计算机技术及网络技术等对传统交通运输系统进行深入的改造，以提高系统资源的 使用效率、系统安全性，减少资源的消耗和环境污染【l 】。 电子不停车收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，e t c ) 就是智能交通系统的一 种。随着高速公路交通流量的不断增长，落后、低效的人工半自动收费( m a n u a l s e m i a u t o m a t i ct o l lc o l l e c t i o n ，m t c ) 模式已渐渐不能满足高速公路收费站的流畅 通行需求，收费站拥堵导致高速公路出口排长队交费的状况日趋严重，有时甚至需 要排队半个小时以上才能通过收费站，极大的影响了高速公路通行效率，成为了高 速公路的“瓶颈”。因此，为提高收费站收费效率及车辆通行效率，缓解交通拥堵 状况，向人们提供快速、便捷的通行方式，电子不停车收费系统的建设已经迫在眉 睫。它是缓解收费站交通堵塞“瓶颈”的有效手段，而且减少了环境污染，所以各国 都把不停车收费系统作为智能交通领域最先投入应用的系统来开发。我国交通部门 已经把不停车收费系统的开发和应用列为我国智能交通领域首先启动的项目，并在 “十五期间把“国家高速公路联网不停车收费系统“ 列入支撑计划重大项目“国 家综合智能交通技术集成应用示范”1 2 j 。本课题正是来源于广西壮族自治区不停车 收费系统开发与建设项目。 为了与中国国情相适应，交通部颁发的高速公路联网收费暂行技术要求指出， 第一章绪论 国内需先采取“人工半自动收费为主，电子不停车收费为辅”的组合方式，并明确提出 了电子不停车收费系统宜采用“两片式电子标签与双界面c p u 卡的预付卡方案，以 实现电子不停车收费方式与人工半自动收费方式的兼容与互补，即e t c 与m t c 组合式 电子收费技术。组合式电子收费方式将e t c 收费方式和m t c 收费方式相结合，从而 在部分有实际需求的收费站点实现电子不停车收费，并给电子不停车收费方式的成熟与 推广提供了一个过渡阶段。这样既解决了高速公路车流量大的站点拥挤问题，又能克服 e t c 前期培训管理与推广方面面临的困难。 电子不停车收费系统是未来的发展趋势，因为它具有人工半自动收费系统无法比拟 的优势：( 1 ) 车道通行效率高。由于无需停车付款，通行效率是人工半自动收费车道的5 至7 倍。( 2 ) 提高了管理效益。电子不停车收费车道2 4 小时无需人员专门值守，可大量 减少收费人员，节约管理成本。( 3 ) 用户使用方便。通行费用直接从i c 卡( 即双界面c p u 卡) 中扣取，无需准备零钱或找零，方便省心。( 4 ) 节约能源。与人工半自动收费相比， 因无需停车，车辆节约油耗1 5 左右。( 5 ) 保护环境。因无需停车，故减少车辆刹车、 加减速次数，减少尾气排放、噪音污染及路面磨损，提高了环境保护效果。 1 2e t c 技术的国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 不停车收费技术是发达国家正在努力研发并推广的一种主要应用在高速公路、大型 桥梁、隧道、自动停车场的自动收费技术【3 】。在国际上，美国、欧洲、日本很早就开始 了不停车收费技术的试验与研究，并针对e t c 系统中的关键技术、标准规范、工程实 施等提出了不停车收费标准的草案，其中欧洲与日本提出的标准较成熟，获得了较广泛 的支持【4 】。近十几年来，世界各国都非常重视e t c 技术，政府、企业都纷纷参与研发 并推广e t c 系统，以取代落后的人工收费方式。 ( 1 ) 美国 美国是世界上高速公路最多的国家，根据交通部提供的资料，美国有8 8 万公里的 高速公路，约占全世界高速公路总里程的一半，同时，它又是信息技术最先进、设备最 完善、路网最发达的国家，因此，这样的先决条件促使美国成为最早开始研发e t c 系 统的国家。1 9 8 8 年美国林肯隧道首先试验不停车收费系统，标志着一种新收费方式的 诞生嘲。e z p a s s 系统是美国国内最著名的联网电子收费系统 0 3 。1 9 9 7 年7 月，e z p a s s 工程最终方案开始实施，主要用于纽约等地区【刀。它采用专用、混合车道两种模式，应 2 长安大学硕士学位论文 用于纽约市大部分高速公路、隧道、桥梁中的收费站。目前，e t c 系统在美国已形成 局部联网并逐步形成规模效益【引。 在美国的e t c 系统中，主要采用射频带宽为9 0 0 - - - - 9 2 8 m h z i g j 的雷达波来进行短程 通信。以e z p a s s 系统为例，e z p a s s 车道上方装有射频天线，即路侧单元( r o a ds i d eu n i t ， 简称r s u ) ；车辆上装有异频雷达收发机，即车载单元( o nb o a r du n i t ，简称o b u ) 。异 频雷达收发机是一种以电池供电的、具有双向无线电收发功能的无线射频识别装置，它 上面存储了一些基本的账户信息。当车辆从车道通过时，天线激活异频雷达收发机，收 发机将身份、账户等基本信息发送给天线，然后天线将信息发送给中央数据库，中央数 据库从账户中扣减相应的费用。e z p a s s 系统采用的异频雷达收发机属于只读式o b u ， r s u 只从o b u 中读取账户信息，并不对o b u 写过站信息等。 ( 2 ) 欧洲国家 欧洲国家在8 0 年代中期也开始开发与应用电子收费系统，它仅能在同一个集团公 司的高速路网中通用，这期间主要采用第一代只读o b u ，并采用后付款方式1 0 1 从1 9 9 0 年开始欧洲国家主要开发与推广第二代电子收费系统，它采用欧盟推荐的5 8g h z 射频 频率以及可读写o b u 。这种o b u 既用作车辆身份识别也用作电子支付。o b u 中存储 了车辆身份、账户、余额、过站时间与地点等信息，当车辆通过e t c 车道时，r s u 直 接从o b u 中扣除相关费用，并写入过站信息。 其中，比较典型的是葡萄牙的v i av a r d e 系统与意大利米兰罗马高速公路e t c 系 统【1 1 】。它采用开放式与封闭式相结合的运行模式，既方便了道路的使用者，又有利于 道路运营商。在葡萄牙，e t c 车道的广泛使用，节省了2 0 0 0 多条人工收费或人工半自 动收费车道的建设。意大利也有3 0 以上的收费站开始使用不停车收费系统。目前世界 上最庞大的不停车收费网络是意大利a u t o s t r a d es p a 公司的t e l e p a s s 系统，其每日的 交易次数达到5 0 万次。 在欧洲其他国家，e t c 系统也渐渐被广泛接受与应用。1 9 9 6 年夏天，法国各大高 速公司集团共同签署了一份联网收费协议，将原本使用不同系统、不同收费标准的收费 模式统一化，实现了真正的e t c 一卡通收费。2 0 0 0 年6 月丹麦和瑞典间的o r e s u n d 公 路正式采用e t c 付费系统。加拿大4 0 7 国道不停车收费系统也已发行了约3 0 万个电子 标签。 ( 3 ) 日本 日本是世界上经济最发达的国家之一，拥有高速公路7 0 0 0 多公里，机动车辆7 5 0 0 多 3 第一章绪论 万辆，因此日本政府也较早的关注e t c 系统的研发与应用【1 2 1 。在1 9 9 3 年提出的“道路技 术5 年规划中，日本政府明确表示大力支持开发e t c 系统。日本从2 0 0 0 年4 月开始，正 式实施其e t c 建设计划，在大坂、名古屋等多条高速公路共1 0 0 多个收费站，建设了4 0 0 多条e t c 车道。随后陆续开通了多条高速公路，覆盖范围也不断扩大，直至2 0 0 7 年底， 日本1 3 0 0 多个收费站已全部安装e t c 系统。另外，日本政府为了促进e t c 系统的发展， 加快e t c 系统的普及，采取了多项优惠与补助政策，鼓励用户购买与使用e t c 系统。 根据日本国土交通省的统计，实施e t c 系统解决了收费站拥堵问题，提高了物流效 率，减少了燃油消耗，降低了收费站附近的二氧化碳排放量，并促进t e t c 相关产业的 迅速发展，比如e t c 相关设备生产、软件开发、施工等多个领域，给日本带来了巨大的 经济和社会效益。 日本主要使用的射频带宽为2 4 5 g h z ，采用双片式o b u 、接触式i c 卡与双天线方 案，具有很高的安全性与通信效率，但车道建设的投资比较高。这种双片式o b u 既是 可读写型的，还带有i c 卡接口。o b u 带有微处理器与大容量内存，负责计算、读写i c 卡、与r s u 进行通信等操作，i c 卡内存储车辆信息、账户信息等基本信息。当车辆进 入e t c 车道之前，将i c 卡插入o b u 中，o b u 对i c 卡内信息进行预读取，通过车道 时，o b u 将i c 卡内信息发送给r s u ，r s u 将应扣款、过站信息等发送给o b u ，o b u 将信息写入i c 卡内。其中，车道中安装双天线是为了延长通信区域，提高车道通行效 率。 综上所述，o b u 是e t c 系统中的关键设备之一，o b u 技术的发展直接决定了e t c 技术的走向。目前，各国e t c 系统中使用的o b u ，主要有以下两种划分： 1 ) 按采用的技术划分：被动式o b u 。r s u 发送射频信号，o b u 自己不产生信 号，而是将数据信息调制到副载波中，再与r s u 发射的射频信号相乘，调制后的信号 反射回r s u ，采用半双工通信。这种模式下o b u 依赖接收的能量发射电波，o b u 造 价低，但通信效率也较低，且要求r s u 发射功率较大，一般为2 w 左右。目前欧洲采 用的就是被动式o b u 。主动式o b u 。o b u 与r s u 均可收发无线电信号，上下行传 输各用一个频率，实现全双工通信。这种模式下系统通信效率高，r s u 发射功率约 l o m w ，但o b u 价格相对较高。美国、日本的e t c 系统中均是采用主动式o b u 。 2 ) 按o b u 结构划分：单片式o b u 是将所有信息存储在o b u 中，如美国、欧 洲的e t c 系统。双片式o b u ：车载设备由o b u 与i c 卡两部分组成，o b u 负责读 写i c 卡以及与r s u 通信，i c 内存储基本信息，日本采用的就是双片式o b u 。 长安大学硕士学位论文 但经过国内多年的研究与试点后发现，这些现有的技术模式都难以直接应用于中国 的高速公路管理中。美国与欧洲的单片式o b u 在欧美被广泛应用，但整个系统中不使 用i c 卡，无法兼容中国现行的m t c 车道，因此每个收费站至少都得建设一条e t c 车 道，导致e t c 的投资过大，且不符合目前的需求。日本的“双片式o b u + 接触式i c 卡” 方案是在借鉴欧美经验的基础上开发的，一方面它采用主动式o b u ，通信效率高，距 离远，可达1 0 0 0 米，但其造价高，功耗大，均是采用车载供电；另一方面它采用接触 式i c 卡，而中国现行的m t c 车道均是采用的非接触式i c 卡读写器，难以兼容，因此 也不能在中国推广。 1 2 2 国内发展现状 随着近年来我国经济的快速发展，国家大力支持交通基础设施的建设，高速公路里 程也迅速增加，收费站的数量更是不计其数，交通拥堵问题、收费不规范问题日益突出， 因此e t c 系统的建设也是势在必行。事实上，我国也较早的开始关注e t c 技术的发展。 国家交通部公路科学研究所早在1 9 9 6 年l o 月，就与丰田公司举行了e t c 现场演示会； 1 9 9 9 年，广东路路通公司引进美国t i 公司的e t c 设备，在佛山、顺德、南海等高速公 路建立了e t c 车道并投入使用，但此系统是工作在9 1 5 m h z 频段，而在中国此频段已 分配给移动通信使用【1 3 】：长沙机场高速公路在2 0 0 3 年也建成了当时国内最先进的路桥 不停车收费系统1 1 4 】；2 0 0 5 年，北京机场高速公路e t c 系统投入使用，该系统新增了抓 拍稽查功能【1 5 】。国内e t c 系统一直处于试验与探索阶段，2 0 0 5 年，由全国智能运输系 统标准化技术委员会组成的“联网电子收费工作组“ 在北京成立，开始着手研究与制定 适合我国国情的e t c 标准；2 0 0 7 年，国家标准化委员会正式发布了电子收费技术专用 短程通信标准，分别对电子收费系统中短程通信设备物理层、数据链路层、应用层等提 出了详细的标准规范，并推荐使用5 8 g h z 频段的微波通信；2 0 0 9 年，“国家高速公路 联网不停车收费和服务系统被列为“十一五”国家科技支撑计划重大项卧1 6 1 ，由交通 部督促各省交通厅建设e t c 系统。电子收费技术国家推荐标准如表1 1 所示： 表1 1电子收费技术国家推荐标准 标准号一标准名称 g b t2 0 8 5 1 1 2 0 0 7 电子收费专用短程通信物理层标准 g b f r2 0 8 51 2 - 2 0 0 7电子收费专用短程通信数据链路层标准 g b t2 0 8 51 3 - 2 0 0 7电子收费专用短程通信应用层标准 5 第一章绪论 表1 1电子收费技术国家推荐标准( 续) 标准号标准名称 g b 厂r2 0 8 51 4 2 0 0 7 电子收费专用短程通信设备应用层标准 g b 厂r2 0 8 51 5 2 0 0 7 电子收费专用短程通信物理层主要参数测试方法 目前，中国开始实施大规模的e t c 网络建设，其中广东、北京发展较快，相当于 日本2 0 0 3 年的情况【1 7 】，江苏、上海、江西、云南等省也紧随其后。2 0 1 0 年，陕西、山 西、四川、广西等省陆续建立自己的e t c 系统，并陆续投入使用。 但由于我国人工收费技术发展成熟，m t c 收费模式相当长时间内仍将占主导地位 【l 引，因此，m t c 与e t c 并存将是我国现阶段的一个基本国情，能够兼容m t c 收费和 e t c 收费的组合式收费技术方案，将成为智能交通系统发展的探索和关注焦点。组合 式收费方案以m t c 收费为主e t c 收费为辅，仅需在车流量较大的收费站或特殊的试点 收费站建立e t c 系统，可以为e t c 系统的调整完善和推广提供一个过渡阶段。 我国现行的e t c 系统主要分为两类：一种是广东采用的以被动式o b u 为基础的 e t c 系统；另一种是其他省份采用的以主动式o b u 为基础的e t c 系统，这种主动式 o b u 通信距离约1 0 0 米，采用电池与太阳能并行供电。这两种e t c 系统均是采用5 8 g h z 的微波通信方式，以及“双片式o b u + 双界面c p u 卡“ 组合式收费方案。其中双界面 c p u 卡既提供接触式i c 卡接口，又提供非接触式i c 卡接口，可以完全兼容国内现行 的m t c 系统。近年来，国内外也有人尝试用z i g b e e 、红外通信等技术来实现e t c 系统， 但均处于研究探索阶段。 1 3 嵌入式e t c 系统的优点 目前，我国多个省市均已开始建设或使用e t c 系统，但几乎所有省份均是采用普 通p c 机或工控机作为e t c 系统的核心处理设备一车道控制机，而本文则是选用集成度 非常高的嵌入式一体机作为车道控制机。因为相对于采用p c 机或工控机的传统e t c 系统，嵌入式e t c 系统具有非常明显的优势，如表1 2 所示： 表1 2 嵌入式e t c 系统与传统e t c 系统比较 传统e t c 系统嵌入式e t c 系统 采用通用操作系统( 大部分采用w i n d o w s自行定制l i n u x 内核，占用资源少，实 实时性 系统) ，实时性差 时性高 6 长安大学硕士学位论文 表1 2 嵌入式e t c 系统与传统e t c 系统比较( 续) 传统e t c 系统嵌入式e t c 系统 几乎没有病毒，极少出现系统及硬件故 稳定性容易受病毒破坏，系统、硬件故障多 障 丰富的外部接口，包括8 个串口，可以 通过软件及拨码开关单独设置成 r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 三种模式；2 4 路光电隔 外部接口少，需要大量插卡，增加成本， 离输入输出i o 口：2 个以太网口；一 可扩展性 影响系统稳定性个并口；两路视频输入，两路音频输入： 两个u s b 口；1 个v g a 口与p s 2 口； 并提供多种存储器接口，可按功能需要 接硬盘、u 盘、t f 卡等多种存储设备 硬件集成了视频编解码、a s e d e s 蛋 功能集成没有任何功能集成 3 d e s 加解密算法、车牌识别等功能 硬件结构上的并行性，g m 8l8 0 负责监 控视频压缩编码，a r m 负责收费程序处 并行性多核工控机可通过多线程提高并行性 理，d s p 负责车牌识别，各模块有自己 独立的资源，也有共享资源 雾 功耗极低，运行时嵌入式一体机功率约 功耗功耗较大，尤其是工控机 5 瓦 整个系统体积小，集成度高，除继电器 整个系统体积庞大，大量的采集卡与外围 便捷性电路板外无需其他外围电路，硬件几乎 电路，结构复杂，不易维护 无需维护 嵌入式一体机采用无风扇散热系统设 计，可适应4 0 + 8 5 环境：密封性 较好，p c b 三防标准设计，防潮防尘防 环境要求干燥通风环境 防腐蚀：良好的抗电磁干扰能力：外接 避雷器，可适应收费站各种恶劣的自然 环境 7 第一章绪论 1 4 本文主要研究内容 本文所作的工作是广西壮族自治区高速公路管理局和广西交通科学研究院共同承 担的课题一广西壮族自治区电子不停车收费系统的一部分，作者参与了整个课题的 开发与调试工作。论文首先介绍e t c 技术的国内外发展现状、研究意义；然后结合本 项目，分析系统的功能需求，研究与设计系统总体结构与工作流程；接着，详细研究与 分析嵌入式一体机的硬件结构，实现了一体机与各种外围设备的通信：论文根据系统软 件功能需求，详细设计了系统中电子收费的正常、异常处理流程以及用于远程维护的嵌 入式w e b 配置模块；重点研究与实现了系统中基于t d e s ( t r i p l ed e s ，又称3 d e s ) 的收 费数据加密算法，并对跟车干扰的检测及解决方案进行了深入的研究分析。最后论文完 成了系统综合测试与评价，并对下一步的研究工作进行了展望。主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍国内外e t c 技术的发展现状，分析嵌入式e t c 系统相对于普通( p c 或工 控机) e t c 系统的优势。 ( 2 ) 根据系统的功能需求、性能指标等，设计系统的总体结构与工作流程。 ( 3 ) 嵌入式一体机硬件结构的详细研究，以及系统中各种外围设备与嵌入式一体机 之间通信协议的研究实现，保障系统内部的正常通信与设备控制。 ( 4 ) 系统中收费处理流程的研究与实现，包括正常交易流程与异常交易情况的处 理。 ( 5 ) 嵌入式w e b 技术在系统中的应用，设计与实现远程配置子系统，方便e t c 系 统的升级与维护。 ( 6 ) 着重研究系统中的跟车干扰问题，分析跟车干扰情况在系统中的表现形式，提 出几种解决方案，并选择合适的方案解决跟车干扰问题。 ( 7 ) 详细研究t d e s 算法的加解密原理，分析t d e s 算法加解密流程，及其在系 统数据传输中的应用实现。 ( 8 ) 研究分析系统的实时性，利用网络活动图、多线程及缓存技术对系统进行优化， 缩短系统响应时间，提高系统执行效率。 ( 9 ) 对系统测试结果与测试中发现的问题进行总结，指出系统中不足之处，给出进 一步研究建议。 8 长安大学硕士学位论文 第二章嵌入式f t c 系统需求分析与总体设计 2 1 系统功能需求与性能指标 2 1 1 系统主要功能 嵌入式e t c 系统，具有车辆检测，车辆自动识别，完成电子支付，引导车辆通行， 管理收费数据以及远程维护等功能。具体功能如下： ( 1 ) 车辆检测：根据地感线圈的输入信号，探测车辆的到达，以协调其他系统设备 的运作。 ( 2 ) 车辆自动识别：激活路侧单元与车载单元进行交易，读取o b u 信息；判断车 辆是否正常、违章或是被列入黑名单、无效名单；抓拍车辆图片，启动车牌识别系统， 获取车牌信息。 ( 3 ) 后台收费计算：根据o b u 信息与费率表进行收费计算；记录收费情况，控制费 额显示屏显示金额，将收费信息存储到数据库中；将扣款指令发送到o b u ，进行扣款。 ( 4 ) 根据车辆识别及扣款情况引导车辆通行：控制交通信号灯工作；控制报警器灯 工作；控制自动栏杆机工作；控制费额显示屏，显示扣费金额及提示信息等。 ( 5 ) 数据传输管理：将各种数据( 收费原始数据、车辆图片、事故警报与日志等) 实时 传送到数据中心；采用加密算法和账号管理保证数据的安全性；中心管理系统定时或按 需要将资料( o b u 黑名单、无效名单、免费名单与费率表等) 传送到e t c 车道控制机； 数据库管理功能( 包括括数据库的参数配置、备份与灾难恢复) 。 ( 6 ) 远程维护管理：以b s 模式远程登录到e t c 车道机，远程配置e t c 系统；远 程升级程序，下载日志等。 ( 7 ) 与m t c 的兼容：允许车辆从e t c m t c 进，从e t c m t c 出，系统能够处理这 几种情况的任意组合，与现有的m t c 系统互相兼容。 2 1 2 系统性能指标 嵌入式e t c 系统应当满足以下性能指标要求： ( 1 ) 单条e t c 车道通行能力：8 0 0 辆d , 时： ( 2 ) 正常情况下车辆通过e t c 车道的设计速度：2 0 公里d , 时； ( 3 ) r s u 和o b u 之间完成一次交易的时间：5 ；2 7 0 毫秒； ( 4 ) 可靠性：每万次e t c 收费交易不能有多于5 次的错误； 9 第二章嵌入式e t c 系统需求分析与总体设计 ( 5 ) 车辆分辨最小距离为不大于1 1 米； ( 6 ) 电子收费车道信息保存：至少为1 0 万次e t c 收费交易记录； ( 7 ) m t b f - _ 1 0 0 0 0 小时。 2 1 3 主要参考标准 ( 1 ) g b f f2 0 1 3 5 2 0 0 6 智能运输系统电子收费系统框架模型； ( 2 ) g b t2 0 6 1 0 - 2 0 0 6 道路运输与交通信息技术电子收费参与方之间信息交互接口 的规范； ( 3 ) g b t2 0 8 5 1 1 4 2 0 0 7 电子收费专用短程通信系列标准： ( 4 ) 收费公路联网收费技术要求( 报批稿) ； ( 5 ) 高速公路区域联网不停车收费示范工程暂行技术要求系列标准； ( 6 ) g b t1 8 2 7 7 2 0 0 0 公路收费制式； ( 7 ) g b t1 8 3 6 7 - 2 0 0 1 公路收费方式； ( 8 ) i s o i e c1 4 4 4 3 - 1 ，2 ，3 识别卡、非接触集成电路卡、邻近卡标准第1 ，2 ，3 部 分； ( 9 ) i s o i e c9 7 9 8 信息技术安全技术； ( 1 0 ) j 们4 5 2 1 2 0 0 1 公路收费非接触i c 卡； ( 1 1 ) j 们4 5 2 2 2 0 0 4 公路收费非接触式i c 卡技术条件第2 部分：电气特性； ( 1 2 ) i s o t r1 4 9 0 6 - 1 9 9 8 道路运输和智能交通自动收费的专用短程通信应用接口 规范； ( 1 3 ) j r t0 0 2 5 1 1 0 中国金融集成电路( i c ) 卡规范。 ( 1 4 ) i s o i e c7 8 1 6 3 2 0 0 6 识别卡、集成电路卡、带触点卡、电器接口和传输协议 标准。 2 2 系统总体方案与车道布局设计 高速公路e t c 系统是为了提高收费站过车速度，减少车辆排队时间，避免交通堵 塞而建设的【1 9 1 。e t c 系统可以解决很多m t c 系统存在的问题，但e t c 是一种新型的 收费方式，自身还并不完善，故e t c 系统的推广也不可能一蹴而就，完全取代m t c 还 需要一个较长的过程，这就形成了e t c 与m t c 系统的同时存在 2 0 l 。因此，我们必须 设计一种m t c e t c 组合式收费的兼容系统，允许从e t c 进，m t c 出；也允许从m t c 1 0 长安大学硕士学位论文 进，e t c 出。 e t c 与m t c 兼容收费技术方案，以目前高速公路广泛采用的非接触式i c 卡收费 系统作为基础，综合考虑了e t c 技术和m t c 技术的适用条件，将两项技术通过双片式 电子标签进行有机结合，采用高安全性的双界面c p u 卡作为电子支付手段，完全兼容 人工半自动收费和不停车电子收费【2 1 1 。因此，本系统采用以“两片式电子标签+ 双界面 c p u 卡“ 为核心的组合式收费技术，一张i c 卡中具有接触、非接触两种界面的接口功 能。两种接口共用同一个c p u 以及同一个i c 卡操作系统，这样无论通过哪种接口读取 的信息都可存储在同一个c p u 中，而且卡的成本增加不是很高。因此，可利用接触式 接口与o b u 实现e t c 收费；利用非接触式接口与i c 卡读写器实现m t c 收费。当车 辆通过e t c 时，o b u 会通过接触式接口对i c 进行读写；当车辆经过m t c 时，i c 卡 读写器通过非接触式接口对i c 卡进行读写，从而实现了m t c e t c 的组合式收费。 m t c e t c 组合式收费系统方案图如图2 1 所示。 图2 1m t c e t c 混合收费方案图 e t c 车道主要由收费岛、嵌入式一体机和外围设备组成。在e t c 车道中外围设备 l l 第二章嵌入式e t c 系统需求分析与总体设计 众多，主要包括r s u 、o b u 、车道摄像机、地感线圈、高速自动栏杆机、费额显示屏、 顶棚点阵显示屏、通行信号灯、声光报警器等。各设备在系统中的功能如下： r s u 与o b u 是短程无线通信设备，是e t c 系统的关键设备。r s u 通过无线通信 读取o b u 内信息，供车道一体机计算、处理，并对o b u 内信息进行修改，实现电子 收费。o b u 为双片式电子标签，由固定安装的车载机和可插拔的i c 卡( 双界面c p u 卡) 两部分组成，车载机里存储了车牌、车型等车辆身份参数，而i c 卡里则存储了消 费帐号、帐户金额方面的信息。车载机安装在车内的挡风玻璃上，具有防拆卸功能，自 行拆卸会使o b u 失效，需要重新激活后才能使用。 e t c 车道中掩埋了四个地感线圈，用于检测车辆到达及车辆在交易区内的行驶状 态，配合车道软件判定各种收费状态，车道一体机通过状态的判断对车道设备如红绿灯、 自动栏杆机、费额显示屏等进行操作。其中，线圈1 用于判定车辆的到来，检测到车 辆到达时将开始一个新的收费交易过程。线圈2 用于触发车牌识别，检测到车辆时系 统进行拍照、识别车牌并记录备查。线圈3 用于判断车辆是否还在车道中。线圈4 用于 判断车辆是否已通过车道，表示整个收费流程结束。 e t c 嵌入式一体机负责自动处理车道收费流程，采集车道车流状态、收费数据，对 车道设备进行控制，完成电子收费业务，引导、控制车辆通过e t c 车道。 高速自动栏杆机是e t c 系统中重要设备，其性能直接影响车道的运行。该设备必 须能高速起落，迅速开放车道，以利于收费车辆不停车通过。本设计要求栏杆抬杆速度 不低于0 6 秒，落杆速度不低于1 秒。抬杆速度快便于车流无等待通过，落杆稍低速度 则提高了通过车辆的安全性，避免意外砸车现象。而且需要有防砸功能，即当线圈检测 到有车在栏杆下时，不管栏