智能ETC 一體化機柜的設(shè)計及應(yīng)用

盛燦英SHENG Can-ying

（萬馬科技股份有限公司，杭州311300）

0 引言

全自動電子收費系統(tǒng)（ETC，Electronic Toll Collection），是智能交通系統(tǒng)的服務(wù)功能之一，通過車載電子標(biāo)簽與在收費站ETC 車道上的微波天線之間進行的專用短程通訊，利用計算機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進行后臺結(jié)算處理，從而達(dá)到車輛通過高速公路或橋梁收費站無需停車而能交納高速公路或橋梁費用的目的。

2019 年兩會政府工作報告中，李克強總理提出要深化收費公路制度改革，兩年內(nèi)基本取消全國高速公路省界收費站，實現(xiàn)不停車快捷收費，減少擁堵，便利群眾。目前交通運輸行業(yè)正在全力推進此項重大任務(wù)。

5 月16 日《深化收費公路制度改革取消高速公路省界收費站實施方案》，5 月下旬，交通部又印發(fā)了《關(guān)于大力推動高速公路ETC 發(fā)展應(yīng)用工作的通知》，目前交通運輸行業(yè)正在全力推進此項重大任務(wù)；正在有序地進行升級改造，優(yōu)先解決高速公路省界收費站，部署ETC 智能門架系統(tǒng)；其次解決高速公路出入口收費站，實現(xiàn)不停車快捷收費，減少擁堵。

因此ETC 電子不停車收費系統(tǒng)的軟硬件升級改造需求迫在眉睫，ETC 戶外一體化機柜應(yīng)運而生。ETC 門架系統(tǒng)戶外一體化機柜簡稱ETC 戶外機柜，它主要為門架車道控制機、工業(yè)交換機、收費系統(tǒng)服務(wù)器等設(shè)備提供收納、并為門架設(shè)備提供可靠供電及后備電，保障ETC 整套系統(tǒng)的可靠運行。

ETC 戶外一體化機柜具有高度集成、模塊化設(shè)計、部署靈活維護方便、可獨立運行等優(yōu)勢，集機柜、配電、空調(diào)、門禁、動環(huán)監(jiān)控為一體，能達(dá)到實時監(jiān)測，智能預(yù)警，智能門鎖，遠(yuǎn)程門禁，防水防塵防曬防盜的目的。在保持柜體通用性的同時，提供了多種配置以滿足不同的場景進行應(yīng)用，便于擴展和維護。

同時，ETC 戶外一體化機柜需適應(yīng)各種復(fù)雜氣候環(huán)境：暴曬、防塵防水、防潮濕、防霉變、防鹽霧、防銹，要抗風(fēng)、抗震。即使斷電、斷網(wǎng)也可以啟動備用電源本地顯示電流、電壓數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)正常運行。

隨著城市化進程的加快以及生活水平的提高，公共交通擁堵的情況急需解決。ETC 系統(tǒng)的需求將會有大幅的增長，ETC 戶外一體化機柜的需求量也會上漲。

1 智能ETC 一體化戶外機柜特點

①ETC 戶外一體化機柜具有高度集成、模塊化設(shè)計、部署靈活維護方便、可獨立運行等優(yōu)勢。

②機柜集配電、空調(diào)、門禁、動環(huán)監(jiān)控為一體，能達(dá)到實時監(jiān)測，智能預(yù)警，智能門鎖，遠(yuǎn)程門禁，防水防塵防曬防盜的目的。

③專屬定制設(shè)計，在保持柜體通用性的同時，提供了多種配置以滿足不同的場景進行應(yīng)用，便于擴展和維護。

④防護設(shè)計，機柜能適應(yīng)各種復(fù)雜氣候環(huán)境：暴曬、防塵防水、防潮濕、防霉變、防鹽霧、防銹，要抗風(fēng)、抗震。即使斷電、斷網(wǎng)也可以啟動備用電源本地顯示電流、電壓數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)正常運行。

⑤功能設(shè)計，機柜內(nèi)部包含嵌入式開關(guān)電源、逆變電源、鐵鋰電池、電源防雷、配電單元、動環(huán)監(jiān)控、攝像單元、無水空調(diào)、風(fēng)扇、照明燈及傳感器，機柜內(nèi)單元采用標(biāo)準(zhǔn)19 英寸安裝、接線方便，每個單元均可獨立更換。

2 智能ETC 一體化戶外機柜簡介和主要材料

2.1 智能ETC 一體化戶外機柜簡介

①金屬框架的設(shè)計：單艙，機柜外尺寸2100×750×750。

圖1 產(chǎn)品方案示意圖

②設(shè)備空間19 英寸。

③工作溫度范圍-40℃~+85℃，工作濕度≤95%RH；機箱工作電壓范圍AC165~AC264V；防護等級符合IP55。

機柜柜體外部的板材采用厚度為大于等于1.5mm 的熱浸鋅板，熱浸鋅板焊接后須噴涂戶外粉。機柜內(nèi)部配置監(jiān)控模塊、電源模塊、無線模塊、集成電路及煙霧水浸預(yù)警模塊等。

2.2 主要原材料

優(yōu)質(zhì)鋼板、鋁合金型材、監(jiān)控模塊、電源模塊、無線模塊、集成電路、塑料件等。所有原材料均符合國家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品符合國家法律、法規(guī)相關(guān)要求。

3 智能ETC 一體化戶外機柜原理

3.1 智能ETC 一體化戶外機柜原理

3.1.1 主柜體

機柜內(nèi)部包含嵌入式開關(guān)電源、逆變電源、100AH 48V 鐵鋰電池、電源防雷、配電單元、動環(huán)監(jiān)控、攝像單元、無水空調(diào)、風(fēng)扇、照明燈及傳感器，機柜內(nèi)單元采用標(biāo)準(zhǔn)19 英寸安裝、接線方便，每個單元均可獨立更換。機柜適合戶外環(huán)境使用，具備防雨、防塵、通風(fēng)散熱、抗紫外線（耐老化）、防盜、防銹；柜體具有明顯標(biāo)識，表明機柜用途等；箱體大小根據(jù)配套設(shè)備的數(shù)量和尺寸來設(shè)計，并預(yù)留充足的空間，方便設(shè)備安裝和維護。工作溫度范圍-40℃~+85℃，工作濕度≤95%RH；機柜工作電壓范圍AC165~AC264V；防護等級符合IP55。

3.1.2 集中供電

柜內(nèi)配備一個3U 配電單元，配電單元由1 路32A/2P市電輸入、1 路 32A/2P 油機輸入（帶互鎖）、1 路 B 級/2P 防雷器、2 路 32A/1P 和 4 路智能空開交流輸出、3 路 16A/1P直流輸出及銅牌組成配電單元來集中給設(shè)備供電。

3.1.3 不間斷逆變電源

柜內(nèi)配可備兩臺1KVA 的不間斷逆變電源給設(shè)備供電，UPS 電源的特點：

①純正弦波輸出，零轉(zhuǎn)換時間，有效保證了負(fù)載不間斷運行的可靠性。②CPU 微處理器控制，逆變電源系統(tǒng)自診斷、自保護，大幅延長UPS 的使用壽命。③智能化管理，市電故障時可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲。④蓄電池在線管理，大幅延長蓄電池壽命，保護用戶投資。⑤直流開機，無須市電可用蓄電池啟動UPS 及負(fù)荷機器。⑥全天候EMI/RFI 濾波器防止了雜訊導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤。⑦可搭配發(fā)電機使用，有效凈化發(fā)電機所產(chǎn)生的不良電力⑧采用SPWM 脈寬調(diào)制技術(shù)、IGBT 功率模塊，強力抗干擾，輸出波形純正。⑨充電速度快，長效機可提供約5-10A 的初始充電電流。⑩綠色環(huán)保電源，輸入功率因數(shù)高達(dá)95%以上，避免對電網(wǎng)的污染。

3.1.4 DC48V 100AH 磷酸鐵鋰電池組

根據(jù)高速公路的使用場景的高溫特性和設(shè)備的功耗，我們選用DC48V 100AH 磷酸鐵鋰電池電池，磷酸鐵鋰電池的特點：①磷酸鐵鋰電池的壽命長，循環(huán)壽命在2000 次以上。在同樣的條件下，磷酸鐵鋰電池可使用7 到8 年的時間。②使用安全。磷酸鐵鋰電池經(jīng)過嚴(yán)格的安全測試。③充電快速。使用專用充電器，1.5C 充電40 分鐘即可以使電池充滿。④磷酸鐵鋰電池耐高溫，磷酸鐵鋰電池?zé)犸L(fēng)值可以達(dá)到350 到500 攝氏度。⑤磷酸鐵鋰電池的容量大。⑥磷酸鐵鋰電池沒有記憶效應(yīng)。⑦磷酸鐵鋰電池綠色環(huán)保，無毒，無污染，原材料來源廣泛，價格便宜。選用100AH 鐵鋰電池的依據(jù)：例如柜內(nèi)設(shè)備總功耗為1000W，則換算成DC48V 直流工作電流為1000W÷48V=20.8A；100AH÷20.8A=4.8H；所以在市電停電的情況下，DC48V 100AH 的磷酸鐵鋰電池能為總功耗100W 的負(fù)載供電4.8 個小時左右，兩組配置可以滿足8小時備電需求。

3.1.5 動環(huán)監(jiān)控

SM2500 智能動環(huán)監(jiān)控單元通過外接DC48V 或者AC220V 供電，可以提供1 路10M/100M 以太網(wǎng)口；路GPRS+GPS 通信；1 路溫濕度測量；4 路通用模擬量測量（AI）；2 路交流電壓檢測；1 路蓄電池組總電壓測量；8 路數(shù)字量輸入（DI）；8 路數(shù)字量輸出（DO）；4 路串口（包括 8路RS485 串口和2 路RS232 串口）等功能。①柜內(nèi)狀態(tài)檢測功能：? 溫濕度檢測：配備溫濕度傳感器，實時采集本地顯示溫濕度，并上傳柜內(nèi)溫濕度情況；柜內(nèi)溫度過高上傳高溫告警。? 柜門狀態(tài)檢測：實時檢測柜門狀態(tài)，柜門非法打開告警；柜門開啟后，上報開門告警警。? 煙霧狀態(tài)檢測：實時檢測柜內(nèi)是否有煙霧，當(dāng)柜內(nèi)有煙霧是，上傳煙霧告警。? 水浸狀態(tài)檢測：實時檢測柜內(nèi)是否有進水，當(dāng)柜內(nèi)有進水是，上傳水浸告警。②箱內(nèi)設(shè)備檢測功能：? 防雷器狀態(tài)檢測：實時檢測防雷器好壞狀態(tài)，?220V 強電檢測監(jiān)測：實時監(jiān)測并上傳電壓狀態(tài)，當(dāng)市電斷電時，上傳市電斷電告警。? 電池組檢測監(jiān)測：實時監(jiān)測并上傳電壓狀態(tài)，當(dāng)電池組電壓過低時，上傳電池組電壓過低告警。? 設(shè)備狀態(tài)檢測：通過RS485 或RS232 讀取4 路設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心。③遠(yuǎn)程控制功能：? 溫控控制：可遠(yuǎn)程控制無水空調(diào)啟停。? 風(fēng)扇控制：可遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇啟停。? 照明燈控制：可遠(yuǎn)程控制照明燈開關(guān)。? 斷路器控制：可實現(xiàn)遠(yuǎn)程斷電重啟。? 復(fù)位控制：可遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)復(fù)位。詳見“圖2 智能ETC 一體化戶外機柜的監(jiān)控解決方案”。

圖2 智能ETC 一體化戶外機柜的監(jiān)控解決方案

3.1.6 節(jié)能型直流無水變頻空調(diào)

該產(chǎn)品是一款DC48V，1000W 制冷量的空調(diào)，采用智能控制器根據(jù)環(huán)境溫度的變化而自動檢測、自動運行，并記錄整個系統(tǒng)的運行時間、功耗、事件及歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可存儲100 條事件信息、1280 條歷史數(shù)據(jù)記錄、可查詢256天的日志信息。無水空調(diào)特點：①空調(diào)制冷所產(chǎn)生的冷凝水，利用獨特設(shè)計把水引到冷凝器上，利用冷凝器的熱量將水消耗完全，無需排水可達(dá)到“自產(chǎn)自消”的效果，同時、低溫的令凝水有效降低空調(diào)負(fù)荷，壓縮機運作電流下降，實現(xiàn)節(jié)能目的。②構(gòu)思新穎，整體技術(shù)設(shè)計先進，從機械到硬件，從控制到云平臺，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越同行，制冷系統(tǒng)合理的設(shè)計，電氣元件的選配，打水系統(tǒng)部分完美的設(shè)計，合理并簡易安裝方式等設(shè)計，既可以對設(shè)備制冷降溫，又不需要排冷凝水，適用于任何場所，解決了所有排水困難問題，在附圖結(jié)構(gòu)可以看出，設(shè)計精巧，部件協(xié)調(diào)良好，配合電信電力行業(yè)機柜使用防水等級均達(dá)到IP55 以上?、圩詭Ц山狱c告警輸出與RS485 通信接口。④系統(tǒng)設(shè)計有高/低溫保護，使用更安全。

3.2 智能ETC 一體化戶外機柜解決方案

機柜內(nèi)部安裝有溫、濕度探測裝置，能夠智能監(jiān)測機柜設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境溫度和濕，并將監(jiān)測到的溫度和濕度值實時顯示在動環(huán)監(jiān)控的屏幕上。動環(huán)監(jiān)控：可通過遠(yuǎn)程控制功能的可以進行遠(yuǎn)程設(shè)置以及監(jiān)測柜內(nèi)工況。門禁功能：機柜內(nèi)部安裝有電子鎖，具有操作柜內(nèi)設(shè)備權(quán)限的管理員可以通過輸入密碼或刷卡的方式打開電子鎖取消門禁，不具備該權(quán)限的人員將無法打開柜門。同時智能機柜還具備防入侵告警功能，機柜會檢測柜門狀態(tài)并實時顯示在屏幕上，用戶也可以通過網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程監(jiān)控柜門狀態(tài)。首先我們要了解什么是智能機柜，智能機柜相比于普通機柜主要以下幾種功能，溫濕度監(jiān)控：

機房專用空調(diào)機組應(yīng)能提供多種送風(fēng)及回風(fēng)方式，包括上送風(fēng)、下送風(fēng)等多種方式。機房專用空調(diào)機組的送風(fēng)余壓應(yīng)不小于75Pa，并可根據(jù)設(shè)計需要提供更高余壓。提高機組送風(fēng)余壓應(yīng)不減少機組的送風(fēng)量。機房專用空調(diào)機組應(yīng)為系列產(chǎn)品，滿足不同工況和負(fù)荷下的應(yīng)用。機房專用空調(diào)機組的另配件規(guī)格統(tǒng)一或成為系列，并易于更換。

智能電池管理系統(tǒng)除了電池電壓、電流、溫度等基本參量，還可以實時監(jiān)控電池的SOC&SOH 狀態(tài)（SOH：State of Health，SOC：State of Charge），通過這些參數(shù)的收集，智能電池管理系統(tǒng)可以提供電池備電時間告警、落后單體替換告警等功能來延長電池組壽命以及避免站點的非正常掉電。

4 智能ETC 一體化戶外機柜的主要內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵點

4.1 項目主要研究開發(fā)內(nèi)容

①機柜整體外觀的設(shè)計，做到防盜加固，外部無可利用拆裝點。②機柜內(nèi)部空間排布方案的設(shè)計，做到操作便利，設(shè)備接線布局合理。③機柜所需滿足的功能及方案的設(shè)計，做到功能設(shè)計合理，可靠實用。④設(shè)計技術(shù)參數(shù)包括：1）金屬框架結(jié)構(gòu)設(shè)計：單艙，機柜外尺寸2100×750×750。柜體采用1.5mm 優(yōu)質(zhì)鍍鋅板，頂蓋底座采用2.0mm 優(yōu)質(zhì)鍍鋅板。2）設(shè)備空間39U，19 英寸。3）機柜配置配電、空調(diào)、門禁、動環(huán)監(jiān)控、油機插座、監(jiān)控攝像等達(dá)到實時監(jiān)測的功能智能預(yù)警。4）防護等級滿足IP55。5）設(shè)備運行環(huán)境要求：-40°~+85°，海拔高度：≤2000m。

4.2 產(chǎn)品技術(shù)關(guān)鍵點

①室外機柜采用隔熱型機柜，隔熱層材料采用導(dǎo)熱系數(shù)小于0.035W/m·K 的材料。②室外機柜的性能要求應(yīng)符合YD/T1537-2006《通信系統(tǒng)用室外機柜一般要求》。③機柜板材的抗彎曲性能（剛度）要求：鍍鋅板彎曲180 后，外側(cè)表面不得有鋅層脫離，板基不得有龜裂及斷裂。④防護等級滿足IP55，確保機柜內(nèi)的設(shè)備能在惡劣的戶外環(huán)境下穩(wěn)定運行。⑤機柜內(nèi)各設(shè)備可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理，線上智能預(yù)警，遠(yuǎn)程控制設(shè)備。⑥機柜的主體結(jié)構(gòu)及所有相關(guān)連接件的抗震能力應(yīng)能滿足設(shè)防烈度7 度的抗震要求。

5 環(huán)境保護及消防安全

本項目生產(chǎn)過程中沒有“三廢”，不會對周圍環(huán)境造成影響，生活污水排入城市污水管道。

6 參照標(biāo)準(zhǔn)

YD/T 1537-2006 通信系統(tǒng)用戶外機柜一般要求；

YD/T 5186-2010 通信系統(tǒng)用室外機柜安裝設(shè)計規(guī)定；

GB/T 15395-1994 電子設(shè)備機柜通用技術(shù)條件。

7 結(jié)束語

目前交通運輸行業(yè)正在全力推進高速公路ETC 發(fā)展應(yīng)用工作；各地正在有序地進行升級改造，優(yōu)先解決高速公路省界收費站，部署ETC 智能門架系統(tǒng)；其次解決高速公路出入口收費站，實現(xiàn)不停車快捷收費，減少擁堵。因此ETC 系統(tǒng)的需求將會有大幅的增長，ETC 戶外一體化機柜的設(shè)計將會對ETC 系統(tǒng)的發(fā)展成為不可缺的應(yīng)用。