【《基于RFID技术的高速公路不停车收费系统设计与调试研究》10000字（论文）】

.绪论1.1课题研究背景处于经济发达、信息全球化的时代，科技在不断地进步，人类在不断地发展。因此，人们的出行方式更加趋向于便捷化。但是随之也出现了很多负面因素：车量逐年增加；高速公路的使用年限在大大缩短；人工收费的速度显然不能满足现状；产生了许多公路施工企业与经营管理公司，在这样的管理方式下，增添很多收费站的同时还大大提高了运营成本。然而，人工现金收费还有:现金错收、引发争执以及无现金带来的时间拖延这样的弊端，导致高速公路排着长长车队的现象，带来路面堵塞的秩序问题和交通事故的困扰，严重毁坏了其高速、便捷的形象，排队停车也造成了环境污染、能源消耗等影响。近年来，在RFID技术迅速的发展下，高速公路收费站的问题得到了大大改善，没有了往日的人工收费，节约了资源的同时还提高了通行速度。1.2课题研究的目的及意义非接触式自动识别技术正在广泛的应用和发展中。其利用电子标签进入磁场，解读器收到射频信号，通过产生的电能将产品信息传送给芯片，用读取器读取并解码芯片中的产品信息，再将解码的信息送到中央信息系统做进一步处理。射频识别技术最大的优点是非接触特性，无人工作状态下可实现自动化、不容易损伤;它能同时检测高速运动和识别多个无线标签，简单便捷。电子标签不怕外界恶劣的环境，穿透力、抗干扰力强。RFID技术推动了社会发展；保障了信息和国家安全等有深远影响的战略意义。RFID应用系统组成：非接触式IC卡、非接触式IC卡读卡器、非接触式IC卡应用系统【1】。1.3ETC国内外现状与前景1.3.1ETC概述电子不停车收费系统，是目前世界上最先进的公路通行费和桥梁通行费征收方法。它的工作原理:由安装在车上的电子标签与ETC专用通道上的微波天线组成，并进行无线通信和信息交换【2】。当汽车进入收费站时，车载设备就会对车辆进行识别和信息写入，然后从绑定的IC卡上扣除相关费用，以达到电子不停车收费的目的。ETC系统在实践中的重要作用:例如节假日大量出行的情况下，所执行的不停车收费系统能大大的缩短人们停留在高速公路上的时间。所包含的意义有：车辆无需停车就可缴费，让高速公路的通行能力显著增强，交通状况大大改善。电子高速公路的不断发展可以显著降低收费管理的运营成本，提高通行费办理效率;同时减少噪声和尾气排放，达到环保的目的。1.3.2国外高速公路不停车收费系统发展概况在日本，电子不停车收费刚刚兴起的时候，可能是人们未接触过，又或者是承担不了一次性消费的缘故，使得很少的人会办理ETC，为了让人们更了解ETC、提高ETC的使用，日本对公路收费做出调整，推出促销措施吸引用户，日本电子收费系统用户的数量与日俱增，电子收费系统的利用率也在稳步提高，这给日本获得了巨大的财富和环保效益。日本首都东京，在2004年ETC使用率达15%，第二年就增长到28%，很明显在2005年高速公路上的汽车行驶量增加了很多，但是大大缓解了交通堵塞的情况。Viavarde电子收费系统是葡萄牙最具代表性的电子收费系统之一，集开放式和封闭式于一体。高速收费站上，它安装了自动栏杆ETC车道，这就使得车辆在不停车的基础上能以每小时80公里的速度通过收费站，可见，大大节省了车辆通行的时间。假如不采用电子收费系统，那么就要修建很多条人工收费通道供驾驶员使用，这样才能缓解交通安全、短暂过渡的问题。大量事实表明:ViaVarde电子收费系统是一种高效的收费方式，对交通运营商和道路使用者都有好处。1.3.3国内高速公路不停车收费系统发展概况我国自1980年代以来，就在高速公路建设方面取得了显著成就。随着生活水平的提高，也大大提高了人们的出行率，然而人工收费模式已经追赶不上交通发展的形式，长时间排队等候造成交通拥堵情况已成为一个不可避免的问题，之前采取扩建收费站的方式也不可能达到高效、便捷的目的，同时还遇到了占据资源、修建场地方面的瓶颈。为了解决这些问题，在高速公路上采用不停车收费方式已经显示出很大的优势，ETC收费系统于上世纪90年代初进入中国市场，并逐渐推广到我国的交通和经济发展地区，自1996年到现在我们国家已经在很多省市开通了几百条ETC车道，在国内，广东高速公路类似的电子收费系统发展较为良好，截止到2019年10月27日广东省ETC用户总量达到1533万，据运输公司负责人说:“使用ETC收费站平均通行只需1~3秒，每辆车大概每年可省下300至500升汽油，大约3000多块成本。”同时，现代化收费站的功能使得需求大大减少，因此在一定程度上节省了扩建收费站的占地资源，也不用花大价钱投资在人工收费方面，同时控制了汽车尾气的排放量，既节能又环保。这使得ETC有了更好的发展前景，更进一步促进社会以及国家在科技领域方面大展宏图。1.4课题研究的视角与方法单片机接收RFID信号和数据处理系统的开发是关键，然后对RFID标签进行信号收集、数据处理、存储和显示RFID标签的功能。IC卡消费是指IC卡中的金额、卡号等初始化信息。当持卡人使用它时，它将被放在刷卡区，然后屏幕上就会显示出持卡人的卡号、余额等，这时持卡人就可选择充值、选择消费。所以设计读写IC卡是本文的重点。为实现上述功能，本文以RFIDRC522射频卡系统进行开展与设计。方法:读写器芯片由单片机控制。通过非接触式IC卡的相关协议规定，单片机利用天线传输频率，然后寻找卡。如果有卡，卡会共振，形成的LC振荡电路就会产生电磁波，内部电压泵将给部分电容器传送持续不断的能量，如果此刻的电压已达到2V，那么就可被看做是电源，可为其他电路提供电压。此刻，如果有卡发出响应命令，MCU正在读卡器有效工作范围内，则卡将显示卡型，形成卡与读卡器的一级接口，接着再次读取并检查设备，以确保读卡器卡和卡的合法性和可操作性。但未选中的卡处于被动模式，正在等待下一个卡搜索命令。2.RFID-RC522刷卡系统的概况2.1智能IC卡的背景及意义在现代国际电子信息产品中，IC卡是一个热点。广泛应用于非金融领域和金融领域。比如商业、医疗、交通、能源、通信等，总体来说影响还是很大的。当我们初到校园时发的校园卡就是非接触式IC卡，它附属于“一卡通”，“一卡通”的中心是计算机系统，其中还包含了射频卡管理系统，还以射频卡作为介质来进行通信，然后最后以收费为目的【3】。广泛用于企业、政府、学校等公共消费机构。消费者拥有授权的IC卡，就可完成支付。信息处理有强大的后台软件和用于IC卡授权、丢失报告和上传的综合系统硬件来支撑。2.2射频识别系统的原理及组成2.2.1射频识别系统的原理(1)读写器在划定的界限里，它发射了电磁波，在某种意义上来讲电磁波就是电磁场，则读写器的发出速率、天线规格决定电磁场的范畴。(2)当电子标签进入电磁场时，其中的稳压电路会校正并过滤射频脉冲，然后将电流送入电容内，储存后形成标签的电压。(3)作为数据载体能将读写器内的信息进行储存、利用PPM进行解码、利用只读存储器将接收到的内容执行读和写、再编码数据、最后由天线发给读写器数据信息【4】。注意:读写器在处理电子标签的时候，不是只有一个电子标签存在，而是在同样的时间有多个电子标签存在，它们都在等待着与读写器之间的通信，所以如果读写器不及时的对这些电子标签进行处理，那么就会极容易的产生碰撞，从而导致耽搁识别系统的时间，以及造成资源的浪费。MFRC522卡是一种非接触式通讯芯片，与13.56MHz读写卡高度集成。采用调制解调原理完成传输，它涵盖了非接触通信技术和各项协议，因为MFRC522卡具有耐脏、耐磨、功耗小的优点，所以也满足智能仪表的要求。MFRC522是射频模块的主要组成部分，也是非接触式IC卡读写的主要部件。如图2-2MFRC522模型2.2.2射频识别系统的组成读写器、电子标签、天线组成了RFID系统，其互不接触、互相感应【5】。其工作原理:通过无线电波通信完成无接触信息的传输，并通过所传输的信息达到自动识别的效果。（1）读写器:读写器能够阅读信息；当有错误信息的时候会提示，并改正错误信息；可传送信息；还能对无源应答器提供能量，也称之为阅读器。（2）标签:电子标签包括天线、高频接口模块、逻辑控制器和EEPROM，类型:有源和无源。RFID标签与读写器的认证方法是双向的，即读写器测试RFID标签的真实性、读取的真实性由RFID标签验证;处理前，彼此进行三次测验，所有通信数据都进行保密处。（3）天线：具有接收、发送数据的功能。不同的天线类型和不同的地理位置会影响天线对数据的传送。2.3无线射频识别技术的应用射频识别技术，最近这几年可谓是蒸蒸日上，因为它具备准确度高、反应快、不波动的特点，所以无论是在生产、生活、还是在交通运输方面都展现了它丰富的价值。不管是在国内乃至全世界的大城市，都因为它能带给人们便利、能推动整个国家的经济进程所被选用。这项技术被广泛应用于车辆管理、货物管理、电子护照、物流运输等方面，但由于涉及到的范围不同，所以应用射频识别技术处理的情况也大同小异。射频识别系统有多种类型，但是同一种类型的系统不能处理多种情况，只能制造出相匹配的类型进行处理。(1)门禁控制，这是国内无线射频识别技术最为广泛的应用。当携带有效电子标签的车进入小区门口的控制区域时，可自动识别对象信息并上传到后台的操作系统，然后做出相应的回应，更重要的是可进行及时查看，还能快速核验驾驶员是否属于该小区业主，不仅省时省力，还维护了业主的安全。(2)电子溯源：厂家生产产品时，都会加一层外包装，但是在运输产品之前还要安装一个电子标签，利用它的自动识别原理，这样就可以清楚的掌握产品在运输时的整个流程信息。详细记录在芯片上。第二种是二维码，消费者可通过扫描二维码查询相关产品，查询结果储存在系统中，如果产品出现问题，可立即联系消费者并准确召回。第三种是条码，在第二种的基础上增加了批量产品信息，包括生产日期、地址等。这样的系统可提供100%从原材料到成品、成品到原材料的跟踪【6】。可靠、稳定是该系统的优点，还对每个手动输入链接实时备份。3.系统方案的硬件设计与实现3.1IC卡选型3.1.1接触式IC卡通过IC卡读写器与IC卡接触，然后由电流信号读取并完成数据。可保存大量的信息，接收并打开信息的形式是电擦写，它具有高度隐秘、智能化的特点，还具备快速顺应环境的能力，使用期限比较长，但是费用高，而且做一些接触式的工作，极容易的受到侵蚀和耗损，所以接触式IC卡不论是在购买费用上还是操作使用上都处于劣势，目前也很少被使用。3.1.2非接触式IC卡非接触式IC卡，顾名思义，非接触是它的特点，所以它与接触式IC卡相比，在工作上减少了大量的磨损。此卡除了连接CPU、存储单元和逻辑单元，还连接嵌入式芯片的收发器电路。非接触式集成电路的要求在ISO10536系列国际标准中进行了描述。这类卡通常用于信息量低、要求高、稳定的情况下。所以本文应用了非接触式IC卡。3.2系统组成分别由控制、读写驱动、液晶显示组成的电路，构成了总体的硬件系统。射频卡读写系统的构成：单片机、LCD显示、射频装置、进行数据和能量等传输的接口、键盘以及其它成分。STC89C52和周围设备构成了控制中心。在筛选单片机时，还对系统频率、计算速度、处理能力、兼容性和系统总体设计等问题进行分析【7】。此外，还考虑了数据传输速率、方法、内存的大小等因素。如图3-2(a)系统组成主控模块采用的是8位单片机。在综合评价各种开发工具的性能、应用领域、存储容量、外部中断、时序功能和成本的基础上，选择了STC89C52。总体硬件电路图如下：如图3-2(b)总体硬件电路图3.3.1MCU控制部分单片机是处理和写入数据的核心设备。不仅可以读写RFID控制器，还可结合主机或应用系统、控制键盘、显示器等外部设备。STC89C52单片机是新一代微机，它是被STC89C52宏晶科技公司所生产。其核心是传统的8051单片机，但它在8051的基础上做了很多的改进，实现了一些传统51单片机无法实现的功能。单片机上有非常灵活的8位CPU和可编程闪存，使STC89C52能相对灵活，高效地解决许多嵌入式控制应用。优点:速度快、功耗低、抗干扰能力强。它也具备这样的特性：8k字节闪存；32位I/O端口；看门狗定时器；512字节帧；内置4KBEEPROM；4个外部中断；3个16位的定时器/计数器；7矢量4级中断结构和2级中断结构；能兼容上一代51全双工串行端口【12】，然而提速了8-12倍，它的内部MAX810，是极其稳定集成复位电路，在高速通信、智能控制等方面使用几乎不会出差错【8】。

如图3-3(a)STC89C52原理图MFRC522有三种端口连接模式，分别是：SPI、串行UART、I2C，所以它可以与不同的单片机端口进行匹配。它所特有的检查自身设备的功能，可以使它像WiFi一样能够主动搭建到总线接口。但并非连接上就可以任意传输数据，还要遵循总线接口的规定，而且只能按照总线接口规定的那样工作，还要求传输速率最大为10Mbit/s。同时数据和时钟满足："没有数据传输时为低电平；上升沿同时收发数据、下降沿同时转换数据"的关系。此外，请注意:芯片复位总会检测外部引脚接口，是因为MFRC522能支持不同的数字接口导致的。然而对于SPI接口来说，必须按照下面一组连接比配置MFRC522的引脚图。如图3-3(b)MFRC522与控制器的接口电路3.3.2MF-RC522读写模块MFRC522是非接触式高度集成读写卡，它的特点有：小型、低电压、低成本。电路图如下：如图3-3（c）MF-RC522读写模块电路单片机控制读卡器芯片和寄存器芯片。根据非接触式IC卡的协议格式，用一组固定频率（13.56MHz）的调制信号来判断IC卡是否在天线附近【9】。如果卡在这个区域，就会很快产生LC共振，引起电磁刺激增加。其中卡内部电压泵会充当电源，给其他电路充电。如果那里没有卡，它就会被MCU发令寻找，此时卡片与读写器就会完成第一步连接。当使用天线时，如果发现了此区域存在有多张卡，那么就启动防碰撞系统，以确保读卡器和所选序列号的卡对号入座，然后检查密码，以再次确保读卡器具有未选择读卡器的授权和合法性。未被选择的则处于空闲状态，接收下一个指令。密码通过后即可进行读写等操作。如图3-3(d)MFRC522读写模型工作原理:系统由天线发出的无线载波信号，然后与射频卡中的耦合线圈刺激共振，以此来达到数据传输的目的，这样才能搭建读写模块与卡之间的通信系统。首先，被驱动的天线以电磁波的形式将数据信号发出，射频卡接收到来自天线发送的数据后，对其采取调制措施进而做下一步处理，然后做出响应，当天线探测到响应后，与天线匹配再向MFRC522传送数据信息，接收到的信息再做检测、解调和进一步处理，最后发给STC89C52。3.3.3液晶显示屏显示电路本次设计用到的是：LCD128*64显示器。它具有的性能是：含有8192个16×16点阵汉字；分辨率:128×64；低电压；低功耗等【10】。与同类产品相比，该模块液晶显示器构成的系统更加的简单，主要体现在它的硬件电路结构和显示程序上，价格也更便宜。RAM采用字符编码显示，而且可以显示三种字型，当传输的数据可能是CGROM、HCGROM或CGRAM时，因为该显示电路具有较高分辨率的特点，所以会显示出不同种需要的字型。假如第一次输入中文字，则第二次再输入的ASCII字符就会将其覆盖，不会产生延迟，以达到数据更新的目的。如图3-3(e)LCD128*64电路3.3.4电源模块本次电源模块的额设计使用的是USB电源系统，电压为5V。为方便使用操作系统，手机充电器可直接供电。因为RC522射频模块电源是3.3V，所以整个系统采AMS117~3.5降压电路，电源模块的系统电路图在下方所展示：图3-3(f)电压为5v的直流电源系统3.3.5天线模块天线通过电感耦合产生磁通，以此给IC卡供电，并同时在IC卡之间进行信息的传递。以下是对读写器天线进行的相关规定:①增强感应线圈电流到极限，进而增强产生的磁通量，以此来达到传输更多数据的目的；②功率匹配，使所产生可用能量的磁通量最大化;③带宽要达到一个标准，就是使得传输之间的信号不可以失真。天线的系统结构原理图如下所示，它是由低频滤波、接收、天线匹配组成的电路和天线线圈搭建而成。如图3-3(g)天线模块原理图4.软件设计4.1软件系统的全面概括本文的软件系统设计概括为：主程序设计、读写程序设计和读卡器软件程序设计共同组成。总体流程图如下：如图4-1软件总体流程图4.2主程序设计系统初始化程序、IC卡读写程序、底层程序和防冲突程序构成主程序【11】。主程序的编写是通过C语言来实现。这一部分用来控制读写器和识别射频卡，此外，主程序部分还决定了整个硬件部分的工作流程，确保系统安全、正确的运行。如图所示，是主程序流程图：如图4-2主程序流程图4.3RC522读写程序设计4.3.1整个设计过程分为：寻卡、防冲突、选卡、读/写卡【12】。如图4-3（a）MIFARE_One卡片命令如图4-3（b）MF522命令字MFRC522发送与接收卡数据暂存于FIFO中。（1）寻卡向FIFO中加入PICC_REQIDL命令，由PCD_TRANSCEIVE命令传送数据出去，假如天线附近有一张卡，那么该卡会识别命令，相反会显示卡型。卡的类型：两条命令有所差异差异：039显示的命令可多次读取卡；040命令在读卡完后，有一段延时，该延时是卡脱离天线覆盖的区域到第二次进入的时间。（2）防冲突天线附近会同时有多个卡，不止是MIFARE1卡发出卡序列号应答，所有的卡都会发出应答，等待响应，所以这样就会导致冲突。但是每张卡序列号又不同，那么就把排查出来的第一个有冲突位的设定为1，再依次排查下一个设定为2，直到出现没有冲突位的就设定它为SN。（3）选卡status2=PcdSelect(UID);//选择卡片，输入卡片序列号，4字节对卡EEPROM读写前认证前三个步骤完成之后，就能确定我们所需的是哪张卡，接下来就是要在PCD操作前进行密码验证。status=MFRC522_Auth(PICC_AUTHENT1A，blockAddr，sectorKeyA[blockAddr/4]，serNum); //认证括号里代表：验证A密钥、块地址、扇区密码、卡序列号。如果验证成功，就进行读写等一系列操作。（5）写数据（6）读数据

4.3.2结果得到数据：卡类型：0400卡序列号：AFA73E0036卡容量：08块1的16字节数据：010203040000000000000000000000004.4读卡器软件设计读卡器软件主要完成MIFARE卡在汇编模式下的操作，包括:主程序、MCU初始化、防碰撞子程序、数据块操作子程序。读卡器总程序流程图如图4-4(a)总程序流程图4.4.1系统初始化模块这一步是对车道正常收费做准备工作，把系统配置文件、设备、网络、车道信息、界面信息设置为默认状态。（1）系统的初始化工作：得到系统配置文件、查看磁盘设备、将IO控件动态服务设定为默认状态。（2）初始化界面用来检查相应设备操作和界面动画是不是统一，还把操作结果展示出来。（3）网络的初始化的重点是：车道控制器能否与收费站及时进行数据交换，因此网络(ping)命令就是用于这部分的设计和开发，判断网络当前状态的是否正常。初始化流程图如下：如图4-4(b)系统初始化流程图4.4.2防碰撞模块在同一时间、同一区域出现了很多张射频卡，它们都需要有一个“归属”，但是读写器是有限的，一个读写器需要在众多的射频卡中选择出一个正确的进行数据通信，所以在像“菜市场”那样的环境下，难免会干预对方，也会导致读写器与所需的射频卡之间无法建立联系。这种问题就是碰撞问题。二进制搜索技术：采用二进制搜索(BS)算法解决碰撞问题，整个过程不需要一对一比照，首先挑出标签再逐次排号。识别时放入一个特殊的ID号，在一组射频卡里识别出正确的射频卡。然后读写器在数据传输过程中发送一个ID号使之碰撞，从而触发到读写器上的指令，该指令能确定是否有碰撞发生，如果有，就缩到更小的区域寻找。能够准确找到读写器中的冲突位，才能实现"二进制搜索"算法系统。而曼彻斯特编码就能够准确识别出冲突位，识别出的冲突位再和相应的规则结合进行标签搜索。如图4-4(c)NRZ和曼彻斯特编码比较图4.5数据库设计根据前文的功能分析和模块划分，再对数据库进行设计。此图表示的关系是1个用户拥有的M条充值记录、M条扣费记录、M条权限和N条统计信息。如图4-5(a)系统的用户关联图数据库名称为：ysp_RFID，包含10张表如图4-5（b）数据库4.5.1Manager_Login表用来保存工作人员的账号、登录密码如图4-5（c）Manager_Login4.5.2User_Login表用来保存用户账号和登录密码如图4-5（d）User_Login4.5.3User_information表保存用户个人信息如图4-5（e）User_information4.5.4Car_information表保存用户登记的车辆信息如图4-5（f）Car_information4.5.5User_RFID表保存用户账号、标签并绑定记录，一个用户账号只能绑定一张RFID标签如图4-5（g）User_RFID4.5.6Money表保存用户余额如图4-5（h）Money4.5.7Payment表保存用户缴费记录如图4-5（i）Payment4.5.8Recharge表保存用户充值记录如图4-5（j）Recharge4.5.9Enter_record表保存入口车辆的记录如图4-5（k）Enter_record4.5.10RFID_information表保存所有入库RFID标签的信息如图4-5（l）RFID_information5.系统调试射频识别刷卡系统的调试方法是将编写的程序输入进整体的硬件系统进行编译，如果出现错误，查找问题的所在，此次调试硬件系统、软件系统、电路板的设计等都要各司其职，按要求实现各自的功能。在对整个硬件系统安装时，需要一个元件一个元件的进行安装，因为有相互独立的部分，如果全部一起安装，出现错误就很难发现错误的根源在哪里，为了避免制造麻烦，需进行独立安装。在检查输出电压是否正常之前，必须先安装电源。当接通时，可以考虑使用电压稳定的具有限流功能的可调电源。首先设置过电流保护电流，然后缓慢地增加稳定电压值，精确调整输入的电流、电压值以及输出电压值。如果将电流值慢慢调高过程中过流保护没有出现问题，输出电压值也在随之增加，这就说明这部分电路完好，如果所得结果是相反的，那么就要断开电源，找出问题的根源，找到后并检修电路，然后再反复上述电源调试过程，直到结果正确。检测完电源就可安装其它元件，每一部分安装完成后都要检查一下电源是否正常工作，不正常还需重新连接，连接后再往复上述过程，以免“一步错，步步错”，最终导致元件过流损坏。所有函数都位于一个包含三个主C51文件的项目文件中，即MAIN.C、MFRC522.C和12864.C。不同的C文件对应不同的头文件，每个C文件的规格都包含在各自的头文件中。这个项目工程被编译成十六进制二进制代码文件，该代码文件再被KEIL烧录软件发送给STC89C52内部ROM。通过串行接口将单片机与上位机相连，上位机启动MIFAREL卡的识别软件，然后把单片机加电、复位，自动运行程序，把卡靠近读卡器天线，看识别软件能否获得卡序列号，如果能，说明系统初始化正常，如果不能，找出原因重新调试。为了方便调试，会在每个程序段添加相应的代码，使LED(P3。5脚)开关，测试相应代码执行结果。调试中没有断点，因为在实际调试时，有断点很容易造成MFRC522芯片损坏。在第一次调试时，不能正确识别卡序列号，是由于软件程序和硬件程序，软件主要是分段执行，程序的每一段都由指定的硬件进行闪烁或不闪烁的测试;硬件主要调整高频电路中的输出匹配电阻阻值来测试。6.总结论文以基于RFID技术的高速公路不停车收费系统为题进行开展设计，完成本次设计大概用了两个多月的时间，对于本人来讲是一项大工程。首先本文以高速公路不停车收费开篇，阐述了人工收费的缺点和每况愈下的现实因素，然后在人工收费的基础上做出了改变，提出了电子不停车收费系统，它的优点有很多：便捷、精准、不拖延等。电子不停车收费的出现与人工收费就形成鲜明的对比，不仅节省了大额的资金还节约了资源，保护了环境，这也说明科技在进步、城市在趋于便