嵌入式技術的高速公路收費系統(tǒng)的設計

王偉

【摘 要】近年來，我國高速公路通車里程和汽車數(shù)量的日益增多，如何提高出入口車輛的通行效率和收費管理工作是面臨的主要問題之一。本文介紹一種采用圖像處理技術和通信技術的高速公路收費系統(tǒng)，以實現(xiàn)無人值守電子不停車收費，可有效提高通行效率和收費系統(tǒng)自動化程度及智能性。本文還給出了車輛圖像信息的采集、處理方法以及實現(xiàn)不停車收費的軟硬件設計方案。

【關鍵詞】嵌入式；收費系統(tǒng)；自動識別

0 引言

目前，我國高速公路收費大多處于純人工收費狀態(tài)，需要大量人力，工作效率低下，運營成本較高；交費時需要停車，在交通高峰時期，收費站成為高速公路的“瓶頸”；近來，部分省市實施的高速公路區(qū)域聯(lián)網(wǎng)收費在全國得到了公認，采用人工半自動收費和電子不停車收費（ETC）等，但存在“倒卡”和“換卡”等現(xiàn)象，給國家造成不小的損失。

針對我國高速公路收費的現(xiàn)狀，本文提出了基于嵌入式技術和圖像識別技術進行車輛識別的收費系統(tǒng)，自行采集動態(tài)視頻和靜態(tài)圖像自動判別車型，識別車牌號碼，并記錄相關信息；自動判別并匹配車型與車牌號碼，計算通行費，以實現(xiàn)無人值守和集中管理。

1 系統(tǒng)設計和硬件選型

系統(tǒng)有控制部分和圖像信息采集及處理兩個部分組成，框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

1.1 控制部分

系統(tǒng)采用S3C2410型ARM9芯片，擴展相應的外圍電路，完成對圖像信號采集控制、信息顯示、通信接口等工作。一個控制板可控制多個車道的圖像采集和信息傳輸工作，各車道的DSP不參與采集過程，只用于圖像處理，減輕了其工作壓力，具有很高的實時性。

車輛進入入口處緩行車道時，由傳感器感知到有車輛通過，ARM9主控板發(fā)出控制信號，三個位置的CCD傳感器分別拍攝，采集車輛三視圖像，用以確定車輛車型和車牌號碼。傳統(tǒng)的DSP與PC機采用PCI卡接口一對一進行數(shù)據(jù)交換，成本較高，在ARM9上運行l(wèi)inux操作系統(tǒng)后支持以太網(wǎng)協(xié)議，設計光口和電口電路，可直接組網(wǎng)與PC機相連，將車輛信息上傳至服務器數(shù)據(jù)庫，并送LED顯示屏顯示；ARM9控制板與各DSP處理器采用RS485協(xié)議進行通信。

圖2 主控系統(tǒng)硬件結構圖

出口處圖像采集過程同上，采集后的信息，經(jīng)ARM9上傳至PC機后，在服務器數(shù)據(jù)庫中檢索并匹配，計算出相應的里程，并根據(jù)車型計算出通行費用，并送LED顯示屏顯示，付費可采用IC卡預交等方式。

為防止夜間車輛大燈對圖像采集的干擾，需設置可供車輛圖像采集緩行通道。硬件框圖如圖2所示。

1.2 圖像采集部分

電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它能把光線轉變成電荷，通過模數(shù)轉換器芯片轉換成數(shù)字信號，在ARM9控制信號的作用下將一幀數(shù)據(jù)傳輸給DSP。

1.3 圖像處理部分

圖像識別芯片采用TI公司生產(chǎn)的TMS320C6201型DSP，該部分負責接收CCD采集的圖像信息；由三位平面圖像計算出車體的長寬高；進行車牌定位，并識別出車牌號碼；在ARM命令CCD傳感器拍攝圖像后，再由ARM發(fā)出DSP讀命令，然后通過RS485總線將車輛信息傳送至主控部分。

2 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括主控程序設計與圖像識別算法的實現(xiàn)。主控部分設計主要是嵌入式操作系統(tǒng)的移植與應用程序的編寫；如何選擇高效可靠的圖像識別技術是系統(tǒng)可靠工作的關鍵，本系統(tǒng)采用紋理法進行車牌圖像提取，利用改進的Sobel邊緣檢測算法提取號碼特征信息，使用gabor變換的方法進行號碼分類識別的方法讀取出號碼信息。

2.1 主控部分軟件設計

2.1.1 操作系統(tǒng)

本文選用linux嵌入式操作系統(tǒng)，實現(xiàn)以太網(wǎng)驅動和對各應用任務的調度。移植工作需完成對TCP/IP協(xié)議棧的修改和以太網(wǎng)接口驅動程序的編寫，以滿足系統(tǒng)的要求。通過網(wǎng)絡驅動程序，向系統(tǒng)注冊檢測到的網(wǎng)絡設備和傳送車輛信息數(shù)據(jù)。

2.1.2 應用程序模塊

應用程序采用模塊化結構，使用C語言編寫。包括初始化模塊、通信模塊、人機界面模塊。

（1）初始化模塊：在開機或復位后初始化，包括I/O端口、寄存器、LCD參數(shù)、通信參數(shù)、實時時鐘、EEPROM數(shù)據(jù)等的初始化。

（2）人機界面模塊：LED屏實時顯示經(jīng)過車輛信息，可由鍵盤操作，顯示歷史車輛信息。

（3）通信模塊：通信模塊包括采用RS485協(xié)議與DSP的通信數(shù)據(jù)；采用以太網(wǎng)與PC進行信息交換。

2.2 圖像識別方法

2.2.1 車型識別

車型識別主要根據(jù)焦距和投影圖像大小的比例關系。使用顏色分割法分割出車輛三視圖，根據(jù)與焦距之間的比例關系計算出車輛實際的長寬高，作為通行費計算的一個依據(jù)。

D=np/M （1）

式中：n為像素數(shù)；p為像素間距；M為倍率；D為車輛實際尺寸。

2.2.2 車牌識別

要進行車牌的提取和識別，必須了解車牌與背景或車體的區(qū)別特征。我國通行的車牌大體有四類：藍底白字、黃底黑字、黑底白字和白底黑字或紅字。在環(huán)境等因素影響下，從顏色特征提取變得比較困難。可從下面兩個角度進行特征識別：（1）一般車牌格式為：省份·英文字符·5個英文字符或阿拉伯數(shù)字，而且數(shù)字和英文字符筆畫上連通；（2）車牌牌底和號碼顏色特征區(qū)別明顯，邊緣突出。及時準確的獲取車牌信息是收費系統(tǒng)中的一個重要的部分，識別過程：圖像信息預處理→車牌定位→傾斜校正→二值化→字符分割→字符識別。

本系統(tǒng)設計時將車牌識別過程：

1.字符切分：車牌定位完成圖像預處理、車牌搜索和傾斜校正；

2.車牌字符切分與識別：車牌二值化，字符分割，字符特征提取和字符識別。

3 結論

本文設計的基于嵌入式技術的高速公路收費系統(tǒng)，相對于現(xiàn)有的收費模式，實現(xiàn)了無人電子不停車收費模式，采用嵌入式和以太網(wǎng)技術，大大降低了成本；采用高速的DSP芯片，選擇合理高效的軟件識別算法，提高了實時性、準確性和成功率。該系統(tǒng)的研制可滿足我國高速公路發(fā)展的要求，具有較高的兼容性。

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[責任編輯：楊玉潔]