基于低频磁场的不停车收费系统

摘要

本发明涉及一种汽车不停车收费系统中完全利用低频电磁波近区感应场进行信息交互的方法。在本发明的系统实现中车载移动终端2布置在汽车1底盘下，收费站点的固定终端4布置在车道路面7之上，移动终端和固定终端在低频电磁波的近区感应场中互以低频磁场发射、电感耦合接收的方式进行信息传递。固定终端4通过发射线圈5发射低频磁场3，移动终端2通过接收线圈6接收低频磁场；移动终端2中低频磁场的发射以及固定终端4中低频磁场的接收也由各自内部相应电感线圈完成。固定终端和移动终端之间利用固定终端呼叫、移动终端应答的半双工机制进行信息交互。本发明提出的设计方法实现了高通讯可靠性、良好信息保密性以及突出经济性的目的。

权利要求

1.一种基于低频磁场的不停车收费系统，其特征在于：

整个系统包括车载的移动终端系统和收费站点路面安装的固定终端系统两个部分，车载的移动终端系统包括移动终端、移动终端控制器、信息显示单元、交通IC卡读卡器以及信息输入键盘；路面安装的固定终端系统包括固定终端、固定终端控制器、收费控制计算机、结算中心计算机，车载的移动终端和路面安装的固定终端间完全利用低频电磁波近区感应场中的低频磁场在车辆行驶状态下实现信息交互。

2.如权利要求1所述的基于低频磁场的不停车收费系统，其特征还在于：

移动终端布置在汽车底盘下中间位置，固定终端布置在车道中间路面上，低频发射线圈和接收线圈的轴线都与车轴平行布置，从而实现低频磁场发射和接收的最佳耦合效果。

3.如权利要求1所述的基于低频磁场的不停车收费系统，其特征还在于：

移动终端和固定终端都采用低频发射线圈和接收线圈布置在一个紧凑壳体内的集成布置方式，其内的电路设计中低频发射线圈与谐振选频电容布置成串联谐振结构，而低频接收线圈则与谐振选频电容布置成并联谐振结构。

4.如权利要求1所述的基于低频磁场的不停车收费系统，其特征还在于：

移动终端和固定终端都工作在主动发射/主动接收的半双工工作模式下，即固定终端工作在一个“发送信息-接收信息-处理信息-再发送信息”的循环中，而移动终端工作在一个“接收信息-处理信息-发送信息-再接收信息”的工作循环中，而且相互之间都遵循一个固定终端呼叫、移动终端应答的“呼叫-应答”机制进行信息交互。

5.如权利要求1所述的基于低频磁场的不停车收费系统，其特征还在于：

在车辆行进方向路面上布置一个以上的固定终端以扩展磁场作用范围以及与移动终端的耦合时间，布置时要保证这些固定终端中的低频发送线圈和接收线圈的轴线都与车轴保持平行，固定终端的数量以及其间的距离由移动终端和固定终端发射的低频磁场场强、低频接收敏感度、所传递信息的长度、速率以及车速综合而定。

6.如权利要求1所述的基于低频磁场的不停车收费系统，其特征还在于：

在收费站多条匝道上多点布置地面固定终端，实现出口匝道分布多点缴费，移动终端反馈的信息帧中携带缴费状况信息，利用此信息来避免收费站出口匝道多点重复收费。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车不停车收费系统中利用低频电磁波近区感应场中低频磁场进行信息交互的方法。这是一种具备高通讯可靠性、良好信息保密性以及突出经济性的不停车收费系统设计和实现方法。本发明内容可广泛应用于道路、停车场等处的不停车收费系统设计。

背景技术

随着车辆保有量快速增长，各种公共道路和交通设施负荷也呈持续增长趋势，拥堵现象经常发生，尤其是在普通公路收费站点、高速公路入口、出口收费站点附近拥阻问题更是非常突出。收费站点收费操作效率不高是造成附近拥阻、车辆通过率低的直接原因。虽然道路交通管理部门也试图通过多种措施简化、加快收费结算过程，例如通过使用交通IC卡、使用银行卡来避免现金结算而导致的冗长过程，甚至采取收卡免费放行来提高通过率，但这些措施都无法从根本上解决车辆通过收费站点时“停车、交卡、结算、放行”而导致的低通过率问题。受经济因素以及公路管理要求的制约，在未来很长时间内公路收费站点不可能全部取消，那么要克服收费站点造成的拥阻瓶颈问题，最有效技术手段之一就是采用不停车收费系统。在世界范围内，基于不同的技术基础提出了一些不同形式的不停车收费系统，例如基于全球定位系统(GPS)的、基于路边分布微波发射站点的、基于集成IC卡的等等，但这些系统大多没有真正投入使用，原因就在于其经济性、可靠性以及信息保密性往往无法兼顾。例如车辆使用交通IC卡或银行卡自动结算时则上述系统的保密性从原理上就无法满足要求，原因在于上述系统中收费站点固定终端和车载移动终端之间使用高频乃至微波通讯方式进行信息交互，通讯内容很容易被侦听或被干扰，而且高频收发设备相对昂贵，正是因为上述的原因虽然类似系统在欧洲高速公路收费中已经有小范围应用，但也没有普及。要实现不停车收费，车载移动终端和收费站点固定终端间就有相对运动速度要求(典型地大于10m/s)，那么使用负载调制技术的IC卡自动缴费方式(如无人售票公交或地铁进出口闸机的IC卡缴费)也无法实现数据可靠交互。本专利的目的就是要提出一种能够兼顾经济性、可靠性和保密性要求的技术手段，促进不停车收费系统能够真正大规模地普及应用，有效解决道路收费站点和其他公共交通设施收费站点因收费操作效率低而导致的车辆拥阻问题。
要实现不停车收费操作，通过无线方式进行信息传递是必然的选择，但造成上述系统应用经济性、可靠性和保密性比较差的一个关键原因恰恰是它们都使用高频乃至微波信号进行全部或部分信息传输以及固定终端和移动终端间的相对运动。要解决上述的矛盾，还需要从分析电磁波空间传播特性开始。根据电磁场的工作原理，从发射源到周围空间的电磁波可分成两部分：一部分是发射源附近的近区感应场(离发射源距离r＜λ/2π，λ-电磁波长)，其中的电磁能量不向外辐射，而是在发射源和感应场之间通过空间往返交换；另一部分是在感应场以外的远区辐射场(离发射源距离r＞λ/2π)，辐射场的电磁能量是完全辐射出去的。在感应场中，占主导地位的电场强度或磁场强度的分布随距离变化非常显著，按照1/r3(60dB/10倍距离)的规律衰减，而在远区场中则是按照1/r(20dB/10倍距离)的规律衰减，即在近区场中电磁场强度衰减远比远区场要显著。根据天线理论，电磁波发射天线的电长度l/λ越小，其远区场辐射能力越差；在发射天线尺寸确定条件下，使用低频(大波长)无线信号传递信息就可有效减小远区场辐射。同时，结合近区场场强快速衰减特性(60dB/10倍距离)，通过降低发射功率也可以把近区场内有效接收距离控制在一个很小的范围内(例如1米之内)，这样还可进一步降低远区场辐射。从信息保密角度出发，要求远区场辐射强度应尽可能地小，使得具有常规接收灵敏度(典型地-120dBm)的无线电接收机在收费站点可控距离(典型地100m)之外无法有效接收到信号。既然要求远场信号强度微弱到不可接收，且要完成移动状态下车辆与收费站点之间的可靠信息交互，那么就考虑能否利用汽车和路面贴近的固有特性使用电磁波近区场传递信息？另外，在不停车收费系统中车辆通行速度是一个关键指标，如果要使用近区感应场可靠地进行信息传递，信息传递速率和车辆通行速度也是一对需要解决的矛盾。本发明的目的就是提出一套完全利用近区感应场在站点固定终端和车载移动终端间有效传递信息的系统设计和实现方法。

发明内容

在本发明的系统实现中车载移动终端2布置在汽车1底盘下，收费站点的固定终端4布置在车道路面7之上，移动终端和固定终端在低频电磁波的近区感应场中互以低频磁场发射、电感耦合接收的方式进行信息传递。固定终端4通过发射线圈5发射低频磁场3，移动终端2通过接收线圈6接收低频磁场；移动终端2中低频磁场的发射以及固定终端4中低频磁场的接收也由各自内部相应电感线圈完成。固定终端和移动终端之间利用固定终端呼叫、移动终端应答的半双工机制进行信息交互。
本发明的目的是这样实现的：选定一个低频磁场3的载波频率(典型地选频率f≤135kHz，波长λ≥2222m)以及移动终端2和固定终端4之间的工作距离(典型地选r≤1m)，此频率电磁波长比发送天线和接收天线间的距离要大很多倍(λ＞＞r)，那么固定终端和移动终端都工作在彼此发射信号的近区感应场范围内，二者之间就利用感性耦合方式进行信息交互，在本发明的实现例中从固定终端到移动终端信息的传递就是通过低频磁场3实现的。在收费站点可控制范围内，完全通过低频磁场进行固定终端和移动终端间信息传递，从而解决了通讯保密性问题。利用车辆行驶时与地面贴近的条件将固定终端4布置在车道中间，而把移动终端2固定在汽车1底盘下。移动终端2和固定终端4都采用低频发射线圈和接收线圈布置在一个紧凑壳体内的集成布置方式，而且都工作在主动发射/主动接收的半双工工作模式下，即固定终端工作在一个“发送信息-接收信息-处理信息-再发送信息”的循环中，而移动终端工作在一个“接收信息-处理信息-发送信息-再接收信息”的工作循环中，而且相互之间都遵循一个固定终端呼叫、移动终端应答的“呼叫-应答”机制进行信息交互，这样就解决了信息传递可靠性问题。为系统简化和降低成本计，在汽车车身1底部只布置一组移动终端2，但在车道路面上沿车辆行驶方向可以布置一组固定终端4或多组同步工作的扩展固定终端，布置多组固定终端可以扩大移动终端和固定终端之间空间重合距离和感性耦合时间，这样就解决了信息传递速率和车辆通行速度之间矛盾。移动终端2和固定终端4之间通过低频磁场传递收费公路入口/出口站点信息、交通IC卡信息、银行卡信息、缴费金额以及扣款余额等等。路面固定终端4把获得的IC卡信息、银行卡信息传送到固定终端控制器27并进而通过收费站通讯网络传送到结算中心计算机28；使用交通IC卡作为缴费载体时，车载移动终端2把获得的信息传送到移动终端控制器22并进而发送到车载读卡器20对IC卡进行扣款操作。与复杂的高频设备相比，低频磁场信号的发送/接收设备软硬件设计和实现都相对简单，所以本发明提出的设计方法也具备良好的经济性和可实现性。

附图说明

图1为近区感应场电感耦合工作原理图
图2为固定终端结构示意图
图3为固定终端和移动终端半双工工作时序图
图4为不停车收费系统原理图。
图5为收费道路入口系统操作流程图
图6为收费道路出口系统操作流程图
图7为车载系统操作流程图
图中各标号所表示的意义如下：
1.汽车
2.移动终端
3.低频磁场
4.固定终端
5.固定终端低频发射线圈
6.移动终端低频接收线圈
7.车道路面
8.防水密封塑料壳体
9.电源模块
10.防水插座
11.单片机
12.固定终端低频接收线圈
13.并联谐振选频电容
14.接收解调模块
15.通讯模块
16.发射驱动模块
17.串联谐振选频电容
18.印刷线路板
19.信息显示单元
20.交通IC卡读卡器
21.信息输入键盘
22.移动终端控制器
23.车辆驶入传感器
24.前扩展固定终端
25.后扩展固定终端
26.收费控制计算机
27.固定终端控制器
28.结算中心计算机

具体实施方式

移动终端2和固定终端4在低频电磁波的近区感应场中互以电感耦合接收加主动发射方式进行信息传递的实现例如图1所示。在本实现例中选取125kHz正弦波作为低频载波信号(波长λ＝2400m)，选用3.9kb/s(位时间t＝256μs)曼彻斯特编码(ManchesterCode)对载波信号进行振幅键控(ASK)调制。将车载移动终端2布置在汽车1底盘下中央位置，将固定终端4布置在车道路面7上车道中央位置，以保证车辆驶过时固定终端和移动终端有比较长的有效耦合时间。为了得到最佳的耦合效果，在移动终端和固定终端布置中要保证固定终端4内低频磁场发射线圈5的轴线和移动终端2内低频磁场接收线圈6的轴线都与车轴平行，同样地固定终端4内低频磁场接收线圈12的轴线和车载移动终端内低频磁场发射线圈的轴线也要与车轴平行，且上述线圈轴线都与路面7平行。当车载移动终端2运动到地面固定终端4发射的低频磁场范围内时，移动终端接收线圈6将耦合固定终端低频发送线圈5发出的磁场3，从而获得地面固定终端发出的信息。同样地面固定终端的接收线圈通过耦合移动终端低频发射线圈发射的磁场而获得移动终端发送的信息。
在本发明中对固定终端和移动终端低频磁场收发的功能要求是一致的，所以在实施例中固定终端和移动终端的结构也是一样的，如图2的固定终端结构示意图所示，其中上部为主视示意图，下部为俯视示意图。本结构中的单片机11为控制中心，控制此终端中各个电子部件的运作，低频磁场发射线圈5在低频发射驱动电路16的驱动下发射经过调制的低频磁场，其中低频磁场发射线圈5和电容17组成一个串联谐振选频电路；低频接收线圈12把感应到的低频磁场信号转化为电压信号传送给低频接收解调模块14，低频接收解调模块把解调后的信号传送给单片机进行处理，低频接收线圈12和电容13组成一个并联谐振选频电路；电源模块9从防水插座10中相应电源针脚获得电能并进行电压转换、滤波，为整个终端提供电能；通讯模块15在单片机11的控制下通过防水插座10中的通讯针脚和外部进行通讯。所有上述功能组件都安装在印刷线路板18上，印刷线路板和所有功能部件封装在防水密封塑料壳体8之中。
为了节约终端的安装空间，其中的电子元器件和低频磁场发射/接收线圈布置在一个尺寸紧凑的壳体8中。为了避免收发信号的相互干扰，固定终端和移动终端中低频磁场收发按照如下逻辑设计：接收信息时不发送信息，发送信息时不接收信息，即接收和发送在时间上错开进行(半双工方式)，而且信息帧的开始和停止都由多个标志信息位进行标示。信息收发时序如图3所示，首先固定终端在信息发送时隙Tss内发送低频呼叫信息，信息发送完毕后立即进入接收时隙Tsr，信息接收完毕后进入信息处理时隙Tsp，信息处理完毕后再进入信息发送时隙Tss。对于移动终端而言则是首先运行在接收时隙Tmr以接收固定终端发送的信息，接收到信息停止位后进入信息处理时隙Tmp，信息处理完毕后进入发送时隙Tms发送相应信息，发送完毕后再进入接收时隙Tmr。就这样固定终端工作在一个“发送信息-接收信息-处理信息-再发送信息”的循环中，而移动终端工作在一个“接收信息-处理信息-发送信息-再接收信息”的循环中，而且相互之间都遵循一个固定终端呼叫、移动终端应答的“呼叫-应答”机制直到信息交互完毕。
本发明的一个系统实现例如图4所示。整个系统分为路面固定终端系统和车载移动终端系统。收费站收费道路入口的固定终端系统和收费道路出口的固定终端系统程序操作流程不一样但硬件构成是完全一致的，都包括车辆驶入传感器23、固定终端4、前扩展固定终端24、后扩展固定终端25、收费控制计算机26、固定终端控制器27以及结算中心计算机28。车辆驶入传感器23的作用是监测到车辆驶入后发送信号给固定终端控制器27以启动信息交互过程；如果采用固定终端持续发送问询信息的方式来监测车辆驶入则可不用此传感器。其中前扩展固定终端24和后扩展固定终端25为扩大固定终端和移动终端低频磁场耦合时间而增设；按照耦合时间长短要求不同，可在车道上布置一个或多个固定终端，而且所有固定终端在控制器的控制下同步工作。多终端布置时各个终端之间的距离需要根据终端发射的低频磁场场强以及低频接收敏感度进行确定，例如，典型地设计在发射线圈轴线中点垂线方向上距离发射线圈1m处的低频磁场发射强度为50-60dBμA/m，低频接收敏感度优于50dBμA/m，则布置距离可设为1m。在固定终端之间距离为1m的情况下，固定终端4、前扩展固定终端24和后扩展固定终端25所形成的有效低频磁场耦合长度至少为3m。假定固定终端和移动终端在3m耦合距离内传递200个二进制信息位(bit)，位时间为256μs，同时把4个信息处理时隙(8.8ms)计入，则一个完整信息交互周期是60ms；为保证信息可靠传递，信息平均可发送2次，则信息交互周期为120ms，即车辆120ms时间内运动3m的距离，那么车速就是25m/s(90km/h)，这样一个车速完全可以避免站点拥阻的目的。固定终端控制器27控制所有固定终端的同步工作并负责与收费控制计算机26之间的信息沟通；从功能实现角度，固定终端控制器和收费控制计算机也可以整合为一台综合控制装置。收费控制计算机26根据固定终端控制器27发送过来的信息计算出收费金额并回传给固定终端控制器，并把收到的交通IC卡或银行卡的信息发送给结算中心计算机28。结算中心计算机28负责交通IC卡金额备案控制以及银行卡的结算。为了提高收费站点不停车匝道的通过率，可在收费道路出口匝道上布置多套上述系统，一方面可实现车辆多点分布收费，另外方面也可以起预警作用；如果交通IC卡内金额小于缴费金额(或银行卡存在问题)则提醒驾驶员尽早切换到人工收费通道。
收费道路入口站点固定终端系统的工作流程如图5所示。本流程的缴费载体为交通IC卡。系统启动后车辆驶入传感器23监测是否有车辆驶入，监测到车辆驶入后控制器27驱动固定终端4、前扩展固定终端24和后扩展固定终端25发送入口站点信息，发送完毕后进入接收时隙接收驶入车辆的交通IC卡信息；如果没有收到IC卡信息则提醒驾驶员领取人工缴费卡；如果接收到IC卡信息则把此信息传送到收费控制计算机26，收费控制计算机把IC卡信息发送到结算中心计算机28，入口站点登记流程结束。
收费道路出口站点固定终端系统的工作流程如图6所示。系统启动运行后车辆驶入23传感器监测是否有车辆驶入，得到车辆驶入信号后固定终端控制器27驱动固定终端4、前扩展固定终端24和后扩展固定终端25发送出口站点信息，发送完毕后进入接收时隙接收驶入车辆存储的入口站点和缴费状况信息，收到入口站点和缴费状况信息后判断是否在本站点已经缴费完毕；如果已经缴费完毕则立即结束此缴费过程，如果还没有缴费则收费控制计算机26立即计算缴费金额并由固定终端控制器27驱动固定终端把缴费金额发送给车辆移动终端2，发送完毕后进入接收时隙接收从移动终端反馈回来的IC卡信息，固定终端控制器得到IC卡信息后把信息传送给收费控制计算机，收费控制计算机队对卡内金额进行判断；如果卡内余额大于缴费金额，则立即把IC卡信息传送给结算中心计算机进行记录备案；如果卡内余额小于缴费金额则立即对车辆车牌进行拍照，并把信息传送给结算中心，以便根据车牌信息进行欠费追缴。在系统实现中，除了通过车牌拍照进行欠费追缴的办法外，车辆是否放行也可以通过在收费站点匝道出口设置一台高速自动闸机来实现，完成缴费的车子快速放行，未完成缴费试图闯卡的车子将被阻挡；在设计中上述两种缴费控制方式也可以组合使用。
在本发明的系统实现例图4中，移动终端系统包括布置在汽车1底盘下中间位置的移动终端2、布置在车内的移动终端控制器22、信息显示单元19、交通IC卡读卡器20以及信息输入键盘21。其中位于车底的移动终端2通过低频磁场与固定终端4、前扩展固定终端24和后扩展固定终端25进行信息交互；信息显示单元19在控制器22的控制下显示缴费金额、卡内余额以及可能的变换收费通道信息提示；对于具体的车型设计，显示单元19亦可集成在车载组合仪表或收音机屏幕等其他可显示信息的显示器中。交通IC卡读卡器20在控制器22的控制下进行读卡、扣款等操作；信息输入键盘22供用户输入银行卡号、密码等数字信息之用，移动终端控制器把这些信息加密存储后在需要的时候通过移动终端反馈给固定终端系统。
车载移动终端系统的工作流程如图7所示。本流程中缴费载体也是交通IC卡。车载系统启动后在移动终端控制器22的控制下首先通过移动终端2接收入口站点信息，接收到入口站点信息后移动终端控制器把它存储并显示在信息显示单元19上；随后把IC卡的信息通过移动终端发送出去并把卡内余额也显示在信息显示单元19上以提醒驾驶员注意卡内金额；上述操作完毕后移动终端控制器控制移动终端进入接收时隙，接收出口站点信息；接收到出口站点信息后移动终端控制器22立即把入口站点和缴费状况信息通过移动终端2发送给固定终端；如果在本站点已经缴费完毕则立即结束缴费过程；如果还未缴费则进入接收时隙，接收固定终端发送的缴费金额信息；接收到缴费金额信息后判断卡内余额是否大于缴费金额，如果大于缴费金额则执行扣款操作，并把扣款金额和卡内余额通过显示单元19显示出来，上述操作执行完毕后发送IC卡信息给固定终端；如果卡内余额小于缴费金额则不执行扣款操作，而是通过显示单元提醒驾驶员变换到人工收费通道缴费通行。