劉艷昌,王娜

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,河南濟(jì)源,454650）

近年來(lái),隨著各類(lèi)車(chē)輛特別是私家車(chē)的快速增長(zhǎng),由于大多中小城市高速公路收費(fèi)站仍采用人工收費(fèi)方式,使得車(chē)輛在交費(fèi)時(shí)需完全停止,引起的交通擁擠、延誤等問(wèn)題不斷出現(xiàn),在交通高峰期擁堵現(xiàn)象尤為嚴(yán)重.在如何提高收費(fèi)結(jié)算率、避免擁堵方面,收費(fèi)站已成為高速公路的“瓶頸”問(wèn)題.另外車(chē)輛頻繁的啟動(dòng)、剎車(chē)也造成了能源浪費(fèi)和環(huán)境污染,同時(shí)也加快了車(chē)輛部件的磨損,帶來(lái)交通隱患.基于RFID技術(shù)的高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)方式,通過(guò)安裝在車(chē)輛前部的射頻卡（繳費(fèi)卡）和置于收費(fèi)站內(nèi)的讀卡器進(jìn)行信息交換,是一種全自動(dòng)收費(fèi)方式.該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn),可以消除人為因素帶來(lái)的影響,對(duì)于提高收費(fèi)效率,降低車(chē)輛擁堵率具有積極作用[1-2].

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)收費(fèi)站,開(kāi)戶(hù)、收費(fèi)中心和自動(dòng)收費(fèi)控制中心3大部分組成.現(xiàn)場(chǎng)收費(fèi)站分為人工收費(fèi)和自動(dòng)收費(fèi)兩個(gè)通道,自動(dòng)收費(fèi)通道可以實(shí)現(xiàn)不停車(chē)自動(dòng)收費(fèi),由射頻卡和讀卡器完成信息記錄并通過(guò)內(nèi)部局域網(wǎng)將車(chē)輛通過(guò)信息傳輸?shù)娇刂浦行腫3].開(kāi)戶(hù)、收費(fèi)中心用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)戶(hù),充值付費(fèi)功能.由自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)控制中心完成一切信息的處理,包括添加收費(fèi)站、設(shè)置價(jià)格表、自動(dòng)收費(fèi)、記錄用戶(hù)信息等功能.

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件模塊實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件模塊是在Linux操作系統(tǒng)下采用C語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)車(chē)道收費(fèi)流程[4-6],具有系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定、可移植性好、靈活等特點(diǎn).根據(jù)實(shí)際功能需要,該系統(tǒng)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)主要分3個(gè)模塊：網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)、收費(fèi)模塊實(shí)現(xiàn)和管理模塊實(shí)現(xiàn).功能模塊之間關(guān)系如圖2所示.

圖2 軟件功能模塊關(guān)系

2.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)

由于要求入口線(xiàn)圈檢測(cè)到車(chē)輛時(shí),系統(tǒng)立即響應(yīng)入口線(xiàn)圈的開(kāi)關(guān)信號(hào),將信息傳入網(wǎng)絡(luò)模塊,并在車(chē)輛通過(guò)收費(fèi)站出口前的短暫時(shí)間內(nèi)完成收費(fèi)過(guò)程.為了提高收費(fèi)可靠性,縮短信息傳輸時(shí)間,在網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊應(yīng)用程序中創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程,采用異步通知機(jī)制,用以執(zhí)行信息讀取和信息發(fā)送同時(shí)進(jìn)行,通過(guò)管道機(jī)制,實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和通信.車(chē)輛控制網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊軟件流程如圖3所示.

圖3 車(chē)道控制網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊軟件流程

創(chuàng)建管道：程序開(kāi)始時(shí)先從配置文件中讀取配置信息,包括服務(wù)器地址、生成操作日志文件的信息級(jí)別設(shè)置、基本的程序信息,并且通過(guò)調(diào)用pipe（）函數(shù)創(chuàng)建管道為后面進(jìn)程間的通信做準(zhǔn)備.

調(diào)用fork（）創(chuàng)建子進(jìn)程：一般情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸只需要一個(gè)順序的流程，不需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)進(jìn)程來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),但考慮到車(chē)流量不固定,網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)時(shí)性要求高,需要?jiǎng)?chuàng)建進(jìn)程來(lái)分別完成信息讀取和發(fā)送任務(wù).父進(jìn)程與讀卡器連接來(lái)讀取通行車(chē)輛的射頻標(biāo)簽,子進(jìn)程調(diào)用read（）函數(shù)阻塞等待父進(jìn)程向管道中寫(xiě)入信息,并將讀到的車(chē)輛信息通過(guò)內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給收費(fèi)模塊.

父子進(jìn)程中的異步通知：在沒(méi)有車(chē)輛通過(guò)時(shí),系統(tǒng)處于休眠狀態(tài),當(dāng)入口或出口感應(yīng)線(xiàn)圈檢測(cè)到車(chē)輛來(lái)時(shí),才執(zhí)行讀寫(xiě)操作,因此應(yīng)采用中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn).在Linux系統(tǒng)中,通常采用設(shè)備驅(qū)動(dòng)的異步通知來(lái)實(shí)現(xiàn).在父進(jìn)程中,打開(kāi)I／O接口設(shè)備文件,調(diào)用signal（）為sigio信號(hào)安裝信號(hào)處理函數(shù),在信號(hào)處理函數(shù)中執(zhí)行讀寫(xiě)模塊.

2.2 收費(fèi)模塊實(shí)現(xiàn)

收費(fèi)模塊作為服務(wù)器端的后臺(tái)程序執(zhí)行,是前臺(tái)管理模塊的一個(gè)線(xiàn)程,通過(guò)公用的內(nèi)存和全局變量實(shí)現(xiàn)之間的信息同步.收費(fèi)模塊運(yùn)行開(kāi)始時(shí),先從配置文件中讀取配置信息,包括通信用的端口號(hào)、告警日志信息級(jí)別、路徑等信息.然后通過(guò)socket連接到網(wǎng)絡(luò),綁定監(jiān)聽(tīng)端口[7].為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)器能為多個(gè)收費(fèi)站路側(cè)設(shè)備服務(wù),還有來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的充值信息,收費(fèi)模塊通過(guò)select機(jī)制實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)操作.當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到收費(fèi)站設(shè)備的聯(lián)接時(shí),通過(guò)信息對(duì)比和管理員事先設(shè)置好的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)用戶(hù)的金額進(jìn)行修改,并生成操作日志.收費(fèi)系統(tǒng)流程如圖4所示.

圖4 收費(fèi)系統(tǒng)流程

2.3 管理模塊實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在完成自動(dòng)收費(fèi)功能的同時(shí),還需要有管理員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的管理.管理模塊和收費(fèi)模塊屬于同一個(gè)進(jìn)程,且兩模塊接收的數(shù)據(jù)是相同的,管理員通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的操作可以查看整個(gè)系統(tǒng)的信息并進(jìn)行相應(yīng)的管理和修改.管理模塊由用戶(hù)信息管理、收費(fèi)站信息管理和查看收費(fèi)信息3部分組成,涵蓋了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所有信息的操作.管理模塊的實(shí)現(xiàn)主要采用service（）函數(shù)處理來(lái)自不同收費(fèi)站或充值中心的信息,通過(guò)簡(jiǎn)單的協(xié)議來(lái)區(qū)分這些信息,從而做到相應(yīng)的處理.service（）函數(shù)采用非阻塞的方式得到收費(fèi)站信息,并對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理,具有遠(yuǎn)程用戶(hù)充值、記錄上下站用戶(hù)信息、自動(dòng)按照價(jià)格表扣除經(jīng)過(guò)某段高速公路的金額和自動(dòng)將操作信息、錯(cuò)誤告警信息寫(xiě)入操作日志的功能.service（）函數(shù)的流程如圖5所示.

圖5 service()函數(shù)的流程

3 系統(tǒng)仿真

該系統(tǒng)仿真是在Linux系統(tǒng)下用C語(yǔ)言結(jié)合面向?qū)ο蟮膅tk庫(kù)函數(shù)及相關(guān)編程語(yǔ)言編寫(xiě).管理員在進(jìn)入管理系統(tǒng)執(zhí)行管理之前,身份驗(yàn)證成功后會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到一個(gè)簡(jiǎn)潔的管理界面,可以根據(jù)實(shí)際需要和系統(tǒng)的提示對(duì)用戶(hù)信息進(jìn)行添加、刪除、修改、充值和查找等操作.為了方便管理員對(duì)信息的查看、分析和記錄,管理系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置列表自動(dòng)刷新,管理員可以通過(guò)刷新數(shù)據(jù)按鈕來(lái)查看用戶(hù)最新的動(dòng)態(tài)信息.用戶(hù)管理界面如圖6所示.

圖6 用戶(hù)管理界面

圖6中的站點(diǎn)管理除了具有傳統(tǒng)操作外,管理員還能夠以表格的形式查看收費(fèi)站之間的價(jià)格表,以便于隨時(shí)了解相關(guān)信息；查看告警日志,便于提醒管理員對(duì)欠費(fèi)用戶(hù)采取必要措施;查看操作日志,使管理員能詳細(xì)了解記錄系統(tǒng)中的操作時(shí)間、信息等級(jí)（“info”、“warning”、“error”）和發(fā)生的事件.其站點(diǎn)管理和警告日志界面如圖7所示.

圖7 站點(diǎn)管理和告警日志界面

4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

在實(shí)際高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用中,射頻卡與讀卡器之間無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂葹橹匾?為防止外界干擾等因素造成的通信死機(jī),在通信過(guò)程中加入了超時(shí)控制,并對(duì)此進(jìn)行了多次試驗(yàn),即若數(shù)據(jù)傳輸中斷超過(guò)規(guī)定的控制時(shí)間2 s時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重新建立通信連接；若中斷不足2 s,則不需要重新建立通信連接即可成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信.測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通信質(zhì)量

測(cè)試結(jié)果表明,讀卡器能夠迅速識(shí)別射頻卡,并能按照管理員事先設(shè)定的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行路段費(fèi)用收取.

5 結(jié)論

本文主要在已有硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了分析及實(shí)際測(cè)試,證實(shí)了該系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定地進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信并能夠高效地完成自動(dòng)收費(fèi)功能.同時(shí),該系統(tǒng)采用在Linux系統(tǒng)下用C語(yǔ)言結(jié)合面向?qū)ο蟮膅tk庫(kù)函數(shù)進(jìn)行相關(guān)軟件編程,可進(jìn)一步提高程序執(zhí)行速度,為提高收費(fèi)成功率提供了保障.

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