高速公路收费站防盗卡系统设计与实现

刘雁斌

(1.福建省高速公路有限公司宁德管理分公司，福建 宁德 352200;2.福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350002)

0 引言

高速公路收费站是高速公路正常运营的重要附属设施之一，起着回收建设资金、辅助交通管理等重要作用，但收费站自动发卡系统的防盗设施不齐全等因素导致高速收费卡被盗事件频频发生，造成高速公路资金回收的漏洞。针对这一现象，收费站一般采取加大工作人员巡查力度或者设置较为完善的有线和无线视频监控等安防措施［1-3］，但这对于数量众多的无人值守自动发卡系统来说将耗费大量的人力和物力。针对我国目前高速公路收费站自动发卡系统的管理现状，进行技术升级，改造降低高速收费卡被盗的概率，使收费方式和设备更符合现阶段高速公路站管理的水平，提高高速公路收费的安全性，是一个值得研究的问题。

1 问题的提出

如图1所示是高速公路收费站自动发卡系统示意图，高速公路公司对行驶在高速公路上的汽车发卡收费过程［4］是:当汽车行驶到收费站入口的自动发卡机位置时，自动发卡机旁边的车辆检测器检测到汽车并产生信号给自动发卡机，自动发卡机收到信号后允许司机取一张收费卡，然后收费站的栏杆就会抬起并禁止自动发卡机取卡，让汽车进入高速公路上行驶。当汽车行驶到栏杆位置时，栏杆下面的车辆检测器检测到汽车并产生信号给收费站的控制系统，等汽车离开栏杆位置后，车辆检测器产生的信号消失，控制系统判断汽车已离开栏杆位置，然后控制栏杆落下并控制自动发卡机允许下一辆汽车取卡。当汽车行驶到目的地的收费站的出口时，司机将所取的收费卡交给收费员，收费员根据卡上信息获得该汽车的始发站、行驶里程数等信息对该车进行收费［4-7］。

图1 高速公路收费站自动发卡系统示意图

假设在高速公路上分别有A、B和C三个收费站，收费站B在收费站A和收费站C之间。司机1在收费站B的入口取完收费卡后行驶到栏杆下面的位置时，车辆检测器检测到汽车，如果汽车没往前开离开收费站，而是往后退离开栏杆的位置，车辆检测器产生的信号跟汽车往前开离开收费站一样消失，控制系统根据车辆感应器产生的信号，认为汽车已经离开收费站，因此控制栏杆落下并允许下一辆车取卡。当司机1把车后退到自动发卡机位置时，自动发卡机允许取卡，这时司机1就可以再取一张收费卡，然后行驶离开收费站，这时司机1手上就有2张从收费站B取走的收费卡。另一方面，司机2按照正常规则从收费站A取一张收费卡进入高速公路前往收费站C，当司机2和司机1在收费站B和收费站C之间的高速公路上相遇时，司机1将刚才在收费站B多取的一张卡以一定的价钱卖给司机2。当司机2到达收费站C的出口时，司机2将刚才从司机1那里拿的收费卡交给收费员，收费员以为司机2是从收费站B过来的，因此所收取的费用就是从收费站B到收费站C之间的路程的费用。而司机2实际上是从收费站A过来的，因此司机2就没缴纳从收费站A到收费站B之间这段路程的费用。这样司机1和司机2就从中谋取利益，而给高速公路公司造成了相应的经济损失。如果司机1在收费站的自动发卡机位置和栏杆位置不断如此往返重复几次就可以再多取一些收费卡，然后在高速公路上以一定价钱卖给从较远收费站过来的司机，司机之间就可以从中共同谋取利益，而高速公路公司将遭到更大的经济损失［8-12］。

2 防盗卡硬件系统设计

针对目前一般收费站系统无法控制进入高速公路的每辆车辆只取一张收费卡而是可以取走多张卡的不足之处，本文提出解决此问题的方法，让进入高速公路的每一辆车只允许取一张卡而不能盗取多张卡，杜绝部分司机多取卡转交给其他从较远收费站过来的司机，从而避免给高速公路公司带来经济损失。

本系统由车辆检测单元、控制单元、电子开关单元、语音提示单元、语音报警单元、栏杆机和自动发卡机组成。车辆检测单元检测栏杆下面车辆的状态，利用对2个线圈信号出现的先后顺序的判断就可以判定车辆是前进还是后退，并把检测车辆的状态信号传给控制单元，控制单元根据车辆的状态产生控制信号给电子开关单元，电子开关单元对控制信号做出反应，控制单元中继电器的断开与闭合，决定语音提示单元、报警单元、栏杆机和自动发卡机的状态及动作情况。其中语音提示单元、报警单元、栏杆机和自动发卡机是相互隔离且相互独立的单元。系统结构如图2所示。

图2 防盗卡系统组成框图

车辆检测单元包括2个线圈和2个车辆检测器，如图3所示。每个线圈与一个车辆检测器相连接，线圈与车辆检测器相匹配，第一个线圈埋在栏杆正下方的地面上，第二个线圈距离第一个线圈一米的距离且第二个线圈靠近自动发卡机的方向，如图7所示。车辆检测器的响应时间小于50毫秒，信号频率范围为20kHz到200kHz，车辆检测输出为继电器信号，当有车辆在相应的线圈下面时，车辆检测器的输出继电器闭合;当没有车辆在相应线圈下面时，车辆检测器的输出继电器断开。

车辆检测单元检测到车辆的状态总共有4种状态［13-15］。线圈1和线圈2上都没车辆为状态1，此时车辆检测器1和2都没有信号输出。线圈1上面有车辆，线圈2上面没车辆为状态2，此时车辆检测器1有信号，车辆检测器2没信号。线圈1和2上面都有车辆为状态3，此时车辆检测器1和2都有信号输出。线圈1上面没车辆，线圈2上面有车辆为状态4，此时车辆检测器1没信号输出，车辆检测器2有信号输出。

图3 车辆检测控制单元

图4 单片机控制框图

控制单元包括按键恢复开关、看门狗电路和单片机，单片机可选用ATMEGA8的AVR单片机，单片机控制框图如图4所示。单片机不断从车辆检测单元得到车辆在栏杆位置的各种状态，判断车辆是正常往前行驶离开收费站还是后退意图再次取卡，单片机根据输入的车辆状态信息产生控制信号给电子控制单元。当单片机出现不正常运行之后，看门狗电路产生复位信号对单片机复位，使单片机恢复正常运行。当有司机进行后退意图再次取卡时，系统产生声响报警信号并通知工作人员处理，处理结束后，工作人员手动按压按键复位开关，使系统恢复正常工作状态。

图5 电子开关控制单元

电子开关单元包含驱动芯片和5个继电器，如图5所示。驱动芯片接收控制单元中的单片机产生的控制信号，控制信号经过驱动芯片后分别传给5个继电器，继电器按照控制信号动作。驱动芯片是至少5个通道的达林顿驱动芯片，选用ULN2803。继电器采用开关触点及耐压至少30V的继电器。继电器1闭合时，即控制栏杆抬起;继电器2闭合时，即控制栏杆落下;继电器3闭合时，即禁止从自动发卡机取卡;继电器4闭合时，即产生语音提示;继电器5闭合时，即产生警报，反之亦然。继电器对各个单元进行隔离。继电器选用输入控制电压为5V，输出开关触点耐压30V的继电器。5个继电器全部采用常开的工作方式，保证当本系统断电时，整个收费站仍能正常工作，提高系统的可靠性。

语音提示单元包含语音解码播放芯片、语音存储卡、功率放大电路和扬声器，如图6所示。语音存储卡用于存放需要播放的语音文件;解码播放芯片从语音存储卡读取要播放的语音文件数据，进行播放;功率放大电路对语音信号进行功率放大，从而驱动扬声器播放声音。功率放大电路和扬声器的功率为10W以上。语音解码芯片可选用WTV020的解码芯片，存储器选用1G容量的SD卡，功率放大电路可采用以TDA2030集成功率放大器为核心的电路。

图6 语音报警单元框图

警报单元是功率20W以上的警报器。当有司机意图取多张收费卡时，警报器发出声音报警，通知工作人员对该司机进行处理。

自动发卡机能够接收继电器发出的开关信号，从而判断是否能够取卡。当开关信号闭合时，自动发卡机被禁止取卡，反之亦然。

本系统能够判断车辆在栏杆下面是往前行驶离开收费站还是往后退意图再次取卡，对意图再次取卡的司机进行语音提示，发出警报通知工作人员处理，同时禁止从自动发卡机取卡，让司机不能取多张卡。

3 防盗卡系统软件设计

如图7所示为车辆检测线圈在通道中的位置。如图8所示是检测车辆是否后退检测流程图。车辆正常行驶离开收费站时，刚开始没接触到线圈，接着接触到线圈1，接着线圈1和线圈2都接触到，接着只接触线圈2，最后2个线圈都没接触到，因此车辆检测单元的输出状态依次为状态1、2、3、4和1。由于车辆必须接触到线圈2然后离开线圈2系统才会认为车辆已经离开收费站，然后控制栏杆落下并允许下一辆车过来时取卡。当车辆接触线圈1再往后退离开线圈1时，不能从自动发卡机上取卡，所以暂时不判定为后退。当车辆在线圈1和线圈2都接触后，再离开线圈2时，只接触到线圈1，此时栏杆落下同时自动发卡机允许取卡，所以应该判断为车辆后退，对应的车辆检测单元的状态是从状态3到状态2变化。而车辆若是往前开再后退时，也必须经过从状态3到状态2的变化过程。因此，可以认为车辆检测单元的状态从状态3到状态2的变化过程就判断为车辆后退欲再次取卡。

图7 车辆检测线圈放置位置示意图

图8 车辆行驶方向检测流程图

图9 防盗卡系统程序控制流程图

防盗卡系统程序控制流程如图9所示，控制单元的工作过程是:控制单元的单片机不断查询车辆检测单元所输出车辆的状态，如果车辆检测单元输出的状态信号依次为1、2、3、4和1时，表明车辆正常行驶离开收费站，控制单元控制栏杆落下并允许下一辆车到来时从自动发卡机取卡。当车辆出现第一次后退，控制单元通过电子开关单元禁止从自动发卡机上取卡，延时3秒后，控制单元输出控制信号通过控制单元控制语音提示单元播放，提醒司机已经取卡要往前行驶离开收费站，并抬起栏杆让车辆离开。如果车辆正常行驶离开收费站，则这辆车测量检测完成，准备检测下一辆车。如果车辆不是正常行驶离开收费站而是再次后退准备再次取卡，或者，3分钟内没有往前行驶离开收费站而是从别的车道离开收费站，则控制单元控制栏杆落下，禁止车辆离开，同时控制单元控制报警器发出警报通知工作人员过来处理。当工作人员处理完毕后可按控制单元中的按键复位开关复位系统，使系统正常工作。系统允许有一次的后退机会能够有效减少系统误报，提高系统的实用性。

4 结束语

本系统由附加的车辆行驶方向检测判别装置与原有的自动发卡机配合，组成了一套具备阻止司机恶意盗窃高速路收费卡的防盗卡系统，有效杜绝盗卡不法行为的发生，减少高速公路公司的经济损失。本防盗卡系统安全稳定可靠，已经有数十套防盗卡系统在福建省福宁高速公路段收费站使用。实践应用表明，对于意图通过倒车来盗取多张卡的司机能够有效拦截并阻止其再次取卡，而对于正常行驶的司机不会产生误报警现象。本防盗卡系统是一个附加装置，只要对原有的自动发卡系统进行简单的改造就可以实现，具有良好的应用推广前景。

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