etc系统及dsrc协议的分析与实现毕业论文(编辑修改稿)

etc系统及dsrc协议的分析与实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

PDT继电器 输入 和 8路带光电隔离的数字量输出。 每个 继电器都带有一个红色的 LED指示灯 ， 用来显示继电器的开 /关状态以便检测。 PCL725的 8路数字量输入通道带有光电隔离 ，具有抗噪声能力 和 在 有漂移电压的情况下正常工作。 车辆检测线圈 车辆 检测线圈共有三个，分别是触发线圈、抓拍线圈、过车线圈。 车辆检测线圈连接到车辆检测器上， 当有车辆通过时，线圈周围产生电感变化，车辆检测器发送电平信号，使车道控制机内的 PCL725卡中的某一输入通道电路信号产生变化，表明有车经过。 当车辆通过以后， PCL725卡的这一通道的电路信号恢复，表示无车。 通过这一特性可帮助车道控制机打开微波天线 RSU、统计车辆交易数量、车辆图像抓拍触发以及电动栏杆机的联动。 触发线圈：当车辆经过触发线圈时，线圈产生信号给车道控制机，车道控制机对 RSU进行初始化，进行数据通信。 抓拍线圈：当车辆经过触发线圈时，车道控制机启动车道摄像机，进行图像抓拍，若成功交易，则升起栏 杆机。 若交易失败，黄闪报警器发出报警。 过车线圈：当车辆经过触发线圈时，车道控制机 会 控制栏杆机降落。 第二章 ETC 系统和 DSRC 协议 11 费额显示器 主要显示车辆交易过程中的过车信息、错误报警信息和提示信息 ，以及 整个车道信息。 电动 栏杆机 电动 栏杆机安装在每个收费车道的收费亭的通行入口 处 和通行出口 处 ，通行入口栏杆的作用是使车辆有秩序地进入收费区，当收费作业完成后，由车道 计算机 发出信号，抬起通行出口栏杆机，放行车辆。 字符叠加器 VDM 字符叠加器这一设备的主要目的是把有关的收费信息同步叠加到车道视频的一定位置。 便于以后车道过车记录图 片的核查。 采用视频采集卡的主要目的是对采集到的视频图像进行压缩处理。 同时 可以以文件的形式将图片保存在 车道控制机 内。 抓拍摄像机和车牌识别器 VPR 抓拍摄像机和车牌识别器的主要作用是抓拍停车缴费的车辆的图像并识别、提取出该车的车牌。 抓拍摄像机同时具有实时监控作用。 抓拍摄像机和车牌识别器的工作由 车辆检测线圈来触发。 车牌识别单元通过串口传递识别结果。 通行灯和雨棚灯 通行灯位于车道通行出口旁边，有红、绿两色，用以指示车辆驾驶员是否可以驶离收费作业区。 雨棚灯安装在每一车道上方的雨棚上，在迎车流行驶方向的雨棚 上有红色、绿色的信号灯一组，用来表示当前车道是否可以通行、收费。 黄闪报警器 处于费额显示器上端，由车道控制机通过外设控制器控制，用于提醒收费站注意有违章情况发生。 外围设备的控制应用都是由车道控制机来完成，具体 ETC车道 控制机 连接如图。 车 道 控 制 机 电 动 栏 杆 机 通 行 信 号 灯 雨 棚 信 号 灯 黄 闪 报 警 器 P C L 7 2 5 I / O 卡 串口通行卡 R S U 控 制 器 费 额 显 示 器 视 频 卡 字 符 叠 加 器 车 牌 识 别 器 摄 像 机 抓 拍 摄 像 机 图 ETC 车道控制机连接示意图 DSRC 协议简介 对于实际的不停车收费系统，为了能够高效、可靠地完成收费过程，尽可能地提高收费口的通行能力， DSRC协议 应用在 车道系统 中 时是 AVI技术出 现的，下面简要介绍一下 AVI技术 [11]。 AVI 技术 简介 AVI(Automatic Vehicle Identification)自动车辆识别技术，是不停车收费的核心技术。 所谓的自动车辆识别就是借助收费系统的各种硬件和软件控制程序来辨别通过车辆的识别信息以实现正确收费的系统。 AVI系统主要包括电子标签 (OBU)、路侧单元 (RSU)、专用短程通信协议 (即DSRC协议 )、感应线圈设备。 车辆在高 速行驶状态下电子标签 (OBU)与路侧单元(RSU)进行双向 通信 ，并根据站级系统下发的各种运营参数完成与 车载电子标签间的交易，车道控制机可以读取 OBU中存放的有关车辆的固有信息 (如车辆类别、车主、车牌号等 )、道路运行信息、征费状态信息按照既定的收费标准，通过计算，从 车载 IC卡中扣除本次道路使用通行费。 其中： 电子标签 (OBU) 电子标签既是车辆的身份标签，又是车辆的电子钱包。 车载单元采用两片式电子标签，由车载电子标签和双界面 CPU卡两部分组成。 双片式 ETC电子标签和双界面 CPU卡同时存储包括车辆类型、颜色、车牌号码、车主、车辆物理参数等固定信息，双界面 CPU卡存储帐号、余额、交易记录、出入口编号等信息，双 界面CPU卡内存储的信息能以接触式和非接触式两种方式进行读写访问。 第二章 ETC 系统和 DSRC 协议 13 路侧单元 (RSU) 路侧单元 主要指车道通信设备 ，即 路侧 天线，其参数主要有 工作 频率、发射功率、通信接口等。 路侧 天线能够覆盖的通信区域大约 为 3~30米。 专用短程通信协议 专用短程通信协议 (Dedicated ShortRange Communication， 简称 DSRC协议 )是ETC系统的核心，目前，世界上存在着欧美日三大 DSRC协议标准，而国际上还没形成统一的标准。 电于标签使用的频率带宽有三种： 900928MHz、。 美国采用的频率范围为 900928MHZ，日本采用 ，欧洲采用。 DSRC协议分为物理层、数据链 路层和应用层三层。 感应线圈设备 感应线圈设备通常置于电子收费口的前方，检测是否有车辆将要通过。 当感应线圈设备检测到来车时，会自动触发相应的设备如 RSU、自动抓拍 摄像机 、 电动栏杆机 等，使其 处于 工作状态。 常用的探测方法有电磁感应、压感探测、红外或微波探测等。 目前用于高速公路不停车收费的车辆识别技术主要以微波射频技术和红外线技术为主。 由于技术发展的原因，红外线信号弊端限制了 它在收费环境，尤其是开放公路系统中的使用。 而射频技术克服了红外线技术的不足，因此，微波射频技术成为各国 AVI系统的主流。 红外线技术与微波射频技术的比较 [1]如表。 表 红外线系统和微波射频系统的比较 技术名称 构造 价格 信号 红外线 简单 便宜 信号不稳定 微波射频 复杂 昂贵 信号稳定 DSRC 协议 简介 DSRC协议 是用于机动车辆在高速公路等收费点实现不停车自动收费 ETC的技术， 是 ETC系统中最关键做基础的部分。 采用 DSRC技术完成 RSU与 OBU之间的数据通信，从而完成 整个收费过程。 国际上 DSRC专用短程通信技术曾出现 3个主要的工作频段： 900928MHz， ，目前我们国家采用的是源于 ISO/TC024国际标准化组织智能运输系统技术委员会 (国内编号为 SAC/TC268)的 ISM频段，下行链路 500Kbps， 2AM； 上行链路 250Kbps， 2PSK的技术标准。 不过根据最新出台的 DSRC协议，上下行链路速率均为 1042Kbps，调制方式都采用 ASK，但是载波频率仍然保持 [11]。 国内外具体的载 波频率选择如下： 国外 DSRC频段选择 目前国际上已形成 CEN/TC278，美国 ASTM/IEEE，日本 ISO/TC204为核心的DSRC标准化体系。 其中 CEN/TC278和日本 ISO/TC204已公开发表其 DSRC标准。 美国则仍对 ASTM/IEEE提出的 DSRC标准草案持异议 [11]。 欧美日三个国家的 DSRC频段选择及应用如表。 第二章 ETC 系统和 DSRC 协议 15 表 欧美日三个标准参数比较 欧洲 (CEN) 北美 (ASTM) 日本 (ARIB) 通信媒介 微波 微波 微波 915MHZ 载波频率 /GHZ 下行 默认值： 7 个信道 1 个信道 下行 上行 上行 / 可选其他值 调制方式 下行： ASK QPSK ASK ASK 或者 QPSK 上行： MPSK (M=2/4/8) 传输速度 下行 /上行 Kbps 默认值： 500/250 600027000 500 ASK： 1024/1024 QPSK： 4096/4096 可选值： 500/500 1000/750 通信系统 被动式 主动式 主 /被 主动式 无线访问方式 异步 TDMA TDMA TDMA TDMAFDD 多路访问控制 分隙 ALOHA 分隙 ALOHA CSMA 自适应分隙ALOHA 数据帧 (时隙 )长度 /bits 可变 (最大 512) 可变 可变 800 由上述可知，全球不同地区采用不同 DSRC协议标准，这样一方面在短期内促进了 DSRC设备和电子收费系统市场的扩大，另一方面又造成不同地区之间 DSRC系统兼 容非常困难，存在隐患。 因此，需要提供一个统一的 DSRC协议国际标准来保证 DSRC和 ETC设备可以全球采购并可实现大范围的联网收费。 我国 DSRC协议结构 DSRC协议可以说是 DSRC的基础。 美国，欧洲，日本均建立了自己的 DSRC标准，但是国际标准化组织目前尚未制定出完整的 DSRC国际标准，但资料表明，基于 DSRC国际统一标准将成为必然 [11]。 DSRC协议 是在小范围与区域内实现 RSU与 OBU之间双向通信的一种协议。 具有专用性强、服务领域窄和实时性强等特点，它采用简化的三层协议结构：物理层 、数据链路层和应用层。 RSU和 OBU之间的物理传输媒介可以是无线微波信道，也可以是无线红外信道。 DSRC 基本 分层 结构 我国采用欧洲的被动式 DSRC标准 CEN/TC278来制定我国的专用短程通信标准 (DSRC物理层工作在 )。 CEN/TC278具有 3层结构 ： 物理层 (EN12253)[27]、数据链路层 (EN 12795)[28]和应用层 (EN 12834/ISO 15628 )[29]。 DSRC分层示意图如图。 DSRCA pp li c a ti on L a ye r 应用层D a ta L ink L a ye r 数据链路层P hy s ic a l L a ye r 物理层 图 DSRC 分层结构示意图 DSRC协议在 ETC车道系统 中的应用如图。 收 费 系 统 （E T C） 收 发 天 线 ( R S U ) 车 载 单 元 ( O B U ) 路 测 单 元R S U 收 费 应 用 DSRC 应 用 层 数 据 链 路 层 物 理 层 物 理 层 数 据 链 路 层 应 用 层 收 费 应 用 图 DSRC 协议在 ETC 车道系统 中的应用 第二章 ETC 系统和 DSRC 协议 17 其中 DSRC各层协议功能如下： 物理层 (Physical Layer)： 规定了 DSRC通信系统的机械、电气、功能和过程的参数，以激活、保持和释放通信系统之间的物理连接。 其中载波频率是一个很关键的参数，它是造成世界上 DSRC系统差别的主要原因。 本标准规定 DSRC物理层工作在 ，在此频段上为 DSRC通信建立 了一个物理层通用框架，为互换性奠定基础。 为了 实现 路边设备单元与车载设备单元之间的信息交换，还对通信介质提出了相应要求。 数据链路层 (Data Link Layer)： 规定了媒介访问和逻辑链路控制方法，定义了共享物理媒介、寻址和差错控制的操作。 数据链路层是专用短程通信的中间层次，与 ISO/OSI开放系统互连模型中数据链路层功能上并无本质不同。 通常来讲，数据链路可以粗略地理解为数据通道。 物理层为终端设备间的数据通信提供传输媒介及其连接。 媒介是长期的，而连接是有生存期的。 在连接生存期内，收发两端可以进行不等的一次 或多次数据通信。 每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两个过程。 应用层 (Application Layer)： 规定了应用服务数据的分解与重组并提供了一些DSRC应用的基础性工具。 应用层中的过程可以直接使用这些工具，例如 :通信初始化过程、数据传输和擦去操作等等。 另外，应用层还提供了支持同时多请求的功能。 本章小结 本章围绕着 ETC车道系统 的研究展开，首先 分析了 ETC系统 的总体结构， 在此基础上详细研究了 ETC车道系统 的功能 、总体 结构 、相关技术以及 DSRC通信协议。 为后续章节的研究 提供了理论 基础。 第 三 章 DSRC 协议理论研究 现代社会的发展导致信息化 进程 日益 加快，人们对无线通信的需求与目俱增。 而无线通信 从作用距离 可以分为： 超 长距离通信 (卫星通信 等 )、长距离通 信 (短 波通 信等 )、 中 等距离 通 信 (GSM/CDM。