嵌入式技术的高速公路收费系统的设计

王伟

【摘 要】近年来，我国高速公路通车里程和汽车数量的日益增多，如何提高出入口车辆的通行效率和收费管理工作是面临的主要问题之一。本文介绍一种采用图像处理技术和通信技术的高速公路收费系统，以实现无人值守电子不停车收费，可有效提高通行效率和收费系统自动化程度及智能性。本文还给出了车辆图像信息的采集、处理方法以及实现不停车收费的软硬件设计方案。

【关键词】嵌入式；收费系统；自动识别

0 引言

目前，我国高速公路收费大多处于纯人工收费状态，需要大量人力，工作效率低下，运营成本较高；交费时需要停车，在交通高峰时期，收费站成为高速公路的“瓶颈”；近来，部分省市实施的高速公路区域联网收费在全国得到了公认，采用人工半自动收费和电子不停车收费（ETC）等，但存在“倒卡”和“换卡”等现象，给国家造成不小的损失。

针对我国高速公路收费的现状，本文提出了基于嵌入式技术和图像识别技术进行车辆识别的收费系统，自行采集动态视频和静态图像自动判别车型，识别车牌号码，并记录相关信息；自动判别并匹配车型与车牌号码，计算通行费，以实现无人值守和集中管理。

1 系统设计和硬件选型

系统有控制部分和图像信息采集及处理两个部分组成，框图如图1所示。

图1 系统结构框图

1.1 控制部分

系统采用S3C2410型ARM9芯片，扩展相应的外围电路，完成对图像信号采集控制、信息显示、通信接口等工作。一个控制板可控制多个车道的图像采集和信息传输工作，各车道的DSP不参与采集过程，只用于图像处理，减轻了其工作压力，具有很高的实时性。

车辆进入入口处缓行车道时，由传感器感知到有车辆通过，ARM9主控板发出控制信号，三个位置的CCD传感器分别拍摄，采集车辆三视图像，用以确定车辆车型和车牌号码。传统的DSP与PC机采用PCI卡接口一对一进行数据交换，成本较高，在ARM9上运行linux操作系统后支持以太网协议，设计光口和电口电路，可直接组网与PC机相连，将车辆信息上传至服务器数据库，并送LED显示屏显示；ARM9控制板与各DSP处理器采用RS485协议进行通信。

图2 主控系统硬件结构图

出口处图像采集过程同上，采集后的信息，经ARM9上传至PC机后，在服务器数据库中检索并匹配，计算出相应的里程，并根据车型计算出通行费用，并送LED显示屏显示，付费可采用IC卡预交等方式。

为防止夜间车辆大灯对图像采集的干扰，需设置可供车辆图像采集缓行通道。硬件框图如图2所示。

1.2 图像采集部分

电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，在ARM9控制信号的作用下将一帧数据传输给DSP。

1.3 图像处理部分

图像识别芯片采用TI公司生产的TMS320C6201型DSP，该部分负责接收CCD采集的图像信息；由三位平面图像计算出车体的长宽高；进行车牌定位，并识别出车牌号码；在ARM命令CCD传感器拍摄图像后，再由ARM发出DSP读命令，然后通过RS485总线将车辆信息传送至主控部分。

2 软件设计

系统软件设计主要包括主控程序设计与图像识别算法的实现。主控部分设计主要是嵌入式操作系统的移植与应用程序的编写；如何选择高效可靠的图像识别技术是系统可靠工作的关键，本系统采用纹理法进行车牌图像提取，利用改进的Sobel边缘检测算法提取号码特征信息，使用gabor变换的方法进行号码分类识别的方法读取出号码信息。

2.1 主控部分软件设计

2.1.1 操作系统

本文选用linux嵌入式操作系统，实现以太网驱动和对各应用任务的调度。移植工作需完成对TCP/IP协议栈的修改和以太网接口驱动程序的编写，以满足系统的要求。通过网络驱动程序，向系统注册检测到的网络设备和传送车辆信息数据。

2.1.2 应用程序模块

应用程序采用模块化结构，使用C语言编写。包括初始化模块、通信模块、人机界面模块。

（1）初始化模块：在开机或复位后初始化，包括I/O端口、寄存器、LCD参数、通信参数、实时时钟、EEPROM数据等的初始化。

（2）人机界面模块：LED屏实时显示经过车辆信息，可由键盘操作，显示历史车辆信息。

（3）通信模块：通信模块包括采用RS485协议与DSP的通信数据；采用以太网与PC进行信息交换。

2.2 图像识别方法

2.2.1 车型识别

车型识别主要根据焦距和投影图像大小的比例关系。使用颜色分割法分割出车辆三视图，根据与焦距之间的比例关系计算出车辆实际的长宽高，作为通行费计算的一个依据。

D=np/M （1）

式中：n为像素数；p为像素间距；M为倍率；D为车辆实际尺寸。

2.2.2 车牌识别

要进行车牌的提取和识别，必须了解车牌与背景或车体的区别特征。我国通行的车牌大体有四类：蓝底白字、黄底黑字、黑底白字和白底黑字或红字。在环境等因素影响下，从颜色特征提取变得比较困难。可从下面两个角度进行特征识别：（1）一般车牌格式为：省份·英文字符·5个英文字符或阿拉伯数字，而且数字和英文字符笔画上连通；（2）车牌牌底和号码颜色特征区别明显，边缘突出。及时准确的获取车牌信息是收费系统中的一个重要的部分，识别过程：图像信息预处理→车牌定位→倾斜校正→二值化→字符分割→字符识别。

本系统设计时将车牌识别过程：

1.字符切分：车牌定位完成图像预处理、车牌搜索和倾斜校正；

2.车牌字符切分与识别：车牌二值化，字符分割，字符特征提取和字符识别。

3 结论

本文设计的基于嵌入式技术的高速公路收费系统，相对于现有的收费模式，实现了无人电子不停车收费模式，采用嵌入式和以太网技术，大大降低了成本；采用高速的DSP芯片，选择合理高效的软件识别算法，提高了实时性、准确性和成功率。该系统的研制可满足我国高速公路发展的要求，具有较高的兼容性。

【参考文献】

[1]洪健，等.基于DSP的车牌实时识别系统的设计[J].计算机应用研究，2013，24（7）.

[2]王莉兵.车辆牌照识别关键技术研究[J].现代计算机，2012，9.

[3]易连结，等.车辆牌照的识别技术研究[J].人工智能与识别技术，2013，18.

[4]杨超，等.智能交通系统中车牌定位算法[J].电子测量技术，Vol.30，No.12，Dec. 2012.

[责任编辑：杨玉洁]