智能ETC 一体化机柜的设计及应用

盛灿英SHENG Can-ying

（万马科技股份有限公司，杭州311300）

0 引言

全自动电子收费系统（ETC，Electronic Toll Collection），是智能交通系统的服务功能之一，通过车载电子标签与在收费站ETC 车道上的微波天线之间进行的专用短程通讯，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过高速公路或桥梁收费站无需停车而能交纳高速公路或桥梁费用的目的。

2019 年两会政府工作报告中，李克强总理提出要深化收费公路制度改革，两年内基本取消全国高速公路省界收费站，实现不停车快捷收费，减少拥堵，便利群众。目前交通运输行业正在全力推进此项重大任务。

5 月16 日《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站实施方案》，5 月下旬，交通部又印发了《关于大力推动高速公路ETC 发展应用工作的通知》，目前交通运输行业正在全力推进此项重大任务；正在有序地进行升级改造，优先解决高速公路省界收费站，部署ETC 智能门架系统；其次解决高速公路出入口收费站，实现不停车快捷收费，减少拥堵。

因此ETC 电子不停车收费系统的软硬件升级改造需求迫在眉睫，ETC 户外一体化机柜应运而生。ETC 门架系统户外一体化机柜简称ETC 户外机柜，它主要为门架车道控制机、工业交换机、收费系统服务器等设备提供收纳、并为门架设备提供可靠供电及后备电，保障ETC 整套系统的可靠运行。

ETC 户外一体化机柜具有高度集成、模块化设计、部署灵活维护方便、可独立运行等优势，集机柜、配电、空调、门禁、动环监控为一体，能达到实时监测，智能预警，智能门锁，远程门禁，防水防尘防晒防盗的目的。在保持柜体通用性的同时，提供了多种配置以满足不同的场景进行应用，便于扩展和维护。

同时，ETC 户外一体化机柜需适应各种复杂气候环境：暴晒、防尘防水、防潮湿、防霉变、防盐雾、防锈，要抗风、抗震。即使断电、断网也可以启动备用电源本地显示电流、电压数据，保证系统正常运行。

随着城市化进程的加快以及生活水平的提高，公共交通拥堵的情况急需解决。ETC 系统的需求将会有大幅的增长，ETC 户外一体化机柜的需求量也会上涨。

1 智能ETC 一体化户外机柜特点

①ETC 户外一体化机柜具有高度集成、模块化设计、部署灵活维护方便、可独立运行等优势。

②机柜集配电、空调、门禁、动环监控为一体，能达到实时监测，智能预警，智能门锁，远程门禁，防水防尘防晒防盗的目的。

③专属定制设计，在保持柜体通用性的同时，提供了多种配置以满足不同的场景进行应用，便于扩展和维护。

④防护设计，机柜能适应各种复杂气候环境：暴晒、防尘防水、防潮湿、防霉变、防盐雾、防锈，要抗风、抗震。即使断电、断网也可以启动备用电源本地显示电流、电压数据，保证系统正常运行。

⑤功能设计，机柜内部包含嵌入式开关电源、逆变电源、铁锂电池、电源防雷、配电单元、动环监控、摄像单元、无水空调、风扇、照明灯及传感器，机柜内单元采用标准19 英寸安装、接线方便，每个单元均可独立更换。

2 智能ETC 一体化户外机柜简介和主要材料

2.1 智能ETC 一体化户外机柜简介

①金属框架的设计：单舱，机柜外尺寸2100×750×750。

图1 产品方案示意图

②设备空间19 英寸。

③工作温度范围-40℃~+85℃，工作湿度≤95%RH；机箱工作电压范围AC165~AC264V；防护等级符合IP55。

机柜柜体外部的板材采用厚度为大于等于1.5mm 的热浸锌板，热浸锌板焊接后须喷涂户外粉。机柜内部配置监控模块、电源模块、无线模块、集成电路及烟雾水浸预警模块等。

2.2 主要原材料

优质钢板、铝合金型材、监控模块、电源模块、无线模块、集成电路、塑料件等。所有原材料均符合国家环境标准要求，产品符合国家法律、法规相关要求。

3 智能ETC 一体化户外机柜原理

3.1 智能ETC 一体化户外机柜原理

3.1.1 主柜体

机柜内部包含嵌入式开关电源、逆变电源、100AH 48V 铁锂电池、电源防雷、配电单元、动环监控、摄像单元、无水空调、风扇、照明灯及传感器，机柜内单元采用标准19 英寸安装、接线方便，每个单元均可独立更换。机柜适合户外环境使用，具备防雨、防尘、通风散热、抗紫外线（耐老化）、防盗、防锈；柜体具有明显标识，表明机柜用途等；箱体大小根据配套设备的数量和尺寸来设计，并预留充足的空间，方便设备安装和维护。工作温度范围-40℃~+85℃，工作湿度≤95%RH；机柜工作电压范围AC165~AC264V；防护等级符合IP55。

3.1.2 集中供电

柜内配备一个3U 配电单元，配电单元由1 路32A/2P市电输入、1 路 32A/2P 油机输入（带互锁）、1 路 B 级/2P 防雷器、2 路 32A/1P 和 4 路智能空开交流输出、3 路 16A/1P直流输出及铜牌组成配电单元来集中给设备供电。

3.1.3 不间断逆变电源

柜内配可备两台1KVA 的不间断逆变电源给设备供电，UPS 电源的特点：

①纯正弦波输出，零转换时间，有效保证了负载不间断运行的可靠性。②CPU 微处理器控制，逆变电源系统自诊断、自保护，大幅延长UPS 的使用寿命。③智能化管理，市电故障时可实现数据自动存储。④蓄电池在线管理，大幅延长蓄电池寿命，保护用户投资。⑤直流开机，无须市电可用蓄电池启动UPS 及负荷机器。⑥全天候EMI/RFI 滤波器防止了杂讯导致的数据错误。⑦可搭配发电机使用，有效净化发电机所产生的不良电力⑧采用SPWM 脉宽调制技术、IGBT 功率模块，强力抗干扰，输出波形纯正。⑨充电速度快，长效机可提供约5-10A 的初始充电电流。⑩绿色环保电源，输入功率因数高达95%以上，避免对电网的污染。

3.1.4 DC48V 100AH 磷酸铁锂电池组

根据高速公路的使用场景的高温特性和设备的功耗，我们选用DC48V 100AH 磷酸铁锂电池电池，磷酸铁锂电池的特点：①磷酸铁锂电池的寿命长，循环寿命在2000 次以上。在同样的条件下，磷酸铁锂电池可使用7 到8 年的时间。②使用安全。磷酸铁锂电池经过严格的安全测试。③充电快速。使用专用充电器，1.5C 充电40 分钟即可以使电池充满。④磷酸铁锂电池耐高温，磷酸铁锂电池热风值可以达到350 到500 摄氏度。⑤磷酸铁锂电池的容量大。⑥磷酸铁锂电池没有记忆效应。⑦磷酸铁锂电池绿色环保，无毒，无污染，原材料来源广泛，价格便宜。选用100AH 铁锂电池的依据：例如柜内设备总功耗为1000W，则换算成DC48V 直流工作电流为1000W÷48V=20.8A；100AH÷20.8A=4.8H；所以在市电停电的情况下，DC48V 100AH 的磷酸铁锂电池能为总功耗100W 的负载供电4.8 个小时左右，两组配置可以满足8小时备电需求。

3.1.5 动环监控

SM2500 智能动环监控单元通过外接DC48V 或者AC220V 供电，可以提供1 路10M/100M 以太网口；路GPRS+GPS 通信；1 路温湿度测量；4 路通用模拟量测量（AI）；2 路交流电压检测；1 路蓄电池组总电压测量；8 路数字量输入（DI）；8 路数字量输出（DO）；4 路串口（包括 8路RS485 串口和2 路RS232 串口）等功能。①柜内状态检测功能：Ø 温湿度检测：配备温湿度传感器，实时采集本地显示温湿度，并上传柜内温湿度情况；柜内温度过高上传高温告警。Ø 柜门状态检测：实时检测柜门状态，柜门非法打开告警；柜门开启后，上报开门告警警。Ø 烟雾状态检测：实时检测柜内是否有烟雾，当柜内有烟雾是，上传烟雾告警。Ø 水浸状态检测：实时检测柜内是否有进水，当柜内有进水是，上传水浸告警。②箱内设备检测功能：Ø 防雷器状态检测：实时检测防雷器好坏状态，Ø220V 强电检测监测：实时监测并上传电压状态，当市电断电时，上传市电断电告警。Ø 电池组检测监测：实时监测并上传电压状态，当电池组电压过低时，上传电池组电压过低告警。Ø 设备状态检测：通过RS485 或RS232 读取4 路设备的数据，并将数据上传给数据中心。③远程控制功能：Ø 温控控制：可远程控制无水空调启停。Ø 风扇控制：可远程控制风扇启停。Ø 照明灯控制：可远程控制照明灯开关。Ø 断路器控制：可实现远程断电重启。Ø 复位控制：可远程控制系统复位。详见“图2 智能ETC 一体化户外机柜的监控解决方案”。

图2 智能ETC 一体化户外机柜的监控解决方案

3.1.6 节能型直流无水变频空调

该产品是一款DC48V，1000W 制冷量的空调，采用智能控制器根据环境温度的变化而自动检测、自动运行，并记录整个系统的运行时间、功耗、事件及历史数据，数据可存储100 条事件信息、1280 条历史数据记录、可查询256天的日志信息。无水空调特点：①空调制冷所产生的冷凝水，利用独特设计把水引到冷凝器上，利用冷凝器的热量将水消耗完全，无需排水可达到“自产自消”的效果，同时、低温的令凝水有效降低空调负荷，压缩机运作电流下降，实现节能目的。②构思新颖，整体技术设计先进，从机械到硬件，从控制到云平台，都远远超越同行，制冷系统合理的设计，电气元件的选配，打水系统部分完美的设计，合理并简易安装方式等设计，既可以对设备制冷降温，又不需要排冷凝水，适用于任何场所，解决了所有排水困难问题，在附图结构可以看出，设计精巧，部件协调良好，配合电信电力行业机柜使用防水等级均达到IP55 以上！③自带干接点告警输出与RS485 通信接口。④系统设计有高/低温保护，使用更安全。

3.2 智能ETC 一体化户外机柜解决方案

机柜内部安装有温、湿度探测装置，能够智能监测机柜设备舱内环境温度和湿，并将监测到的温度和湿度值实时显示在动环监控的屏幕上。动环监控：可通过远程控制功能的可以进行远程设置以及监测柜内工况。门禁功能：机柜内部安装有电子锁，具有操作柜内设备权限的管理员可以通过输入密码或刷卡的方式打开电子锁取消门禁，不具备该权限的人员将无法打开柜门。同时智能机柜还具备防入侵告警功能，机柜会检测柜门状态并实时显示在屏幕上，用户也可以通过网络在远程监控柜门状态。首先我们要了解什么是智能机柜，智能机柜相比于普通机柜主要以下几种功能，温湿度监控：

机房专用空调机组应能提供多种送风及回风方式，包括上送风、下送风等多种方式。机房专用空调机组的送风余压应不小于75Pa，并可根据设计需要提供更高余压。提高机组送风余压应不减少机组的送风量。机房专用空调机组应为系列产品，满足不同工况和负荷下的应用。机房专用空调机组的另配件规格统一或成为系列，并易于更换。

智能电池管理系统除了电池电压、电流、温度等基本参量，还可以实时监控电池的SOC&SOH 状态（SOH：State of Health，SOC：State of Charge），通过这些参数的收集，智能电池管理系统可以提供电池备电时间告警、落后单体替换告警等功能来延长电池组寿命以及避免站点的非正常掉电。

4 智能ETC 一体化户外机柜的主要内容、技术关键点

4.1 项目主要研究开发内容

①机柜整体外观的设计，做到防盗加固，外部无可利用拆装点。②机柜内部空间排布方案的设计，做到操作便利，设备接线布局合理。③机柜所需满足的功能及方案的设计，做到功能设计合理，可靠实用。④设计技术参数包括：1）金属框架结构设计：单舱，机柜外尺寸2100×750×750。柜体采用1.5mm 优质镀锌板，顶盖底座采用2.0mm 优质镀锌板。2）设备空间39U，19 英寸。3）机柜配置配电、空调、门禁、动环监控、油机插座、监控摄像等达到实时监测的功能智能预警。4）防护等级满足IP55。5）设备运行环境要求：-40°~+85°，海拔高度：≤2000m。

4.2 产品技术关键点

①室外机柜采用隔热型机柜，隔热层材料采用导热系数小于0.035W/m·K 的材料。②室外机柜的性能要求应符合YD/T1537-2006《通信系统用室外机柜一般要求》。③机柜板材的抗弯曲性能（刚度）要求：镀锌板弯曲180 后，外侧表面不得有锌层脱离，板基不得有龟裂及断裂。④防护等级满足IP55，确保机柜内的设备能在恶劣的户外环境下稳定运行。⑤机柜内各设备可通过网络远程管理，线上智能预警，远程控制设备。⑥机柜的主体结构及所有相关连接件的抗震能力应能满足设防烈度7 度的抗震要求。

5 环境保护及消防安全

本项目生产过程中没有“三废”，不会对周围环境造成影响，生活污水排入城市污水管道。

6 参照标准

YD/T 1537-2006 通信系统用户外机柜一般要求；

YD/T 5186-2010 通信系统用室外机柜安装设计规定；

GB/T 15395-1994 电子设备机柜通用技术条件。

7 结束语

目前交通运输行业正在全力推进高速公路ETC 发展应用工作；各地正在有序地进行升级改造，优先解决高速公路省界收费站，部署ETC 智能门架系统；其次解决高速公路出入口收费站，实现不停车快捷收费，减少拥堵。因此ETC 系统的需求将会有大幅的增长，ETC 户外一体化机柜的设计将会对ETC 系统的发展成为不可缺的应用。