高速公路自动发卡系统的设备与技术

文 / 吴易

高速公路自动发卡设备是安装于高速公路入口车道、无人值守的自动发放高速公路通行券的自动化设备。 自动磁卡 /IC 卡发卡系统集车道控制机和发卡机于一体，将磁卡发卡系统的磁卡机更换为 IC 卡机，同时更换车道控制机软件，即可成为 IC 卡发卡系统。本文详细介绍了自动磁卡 /IC 卡发卡技术的系统组成、主要功能及软、硬件设计思路。随着高速公路收费系统设备技术水平的不断提高和车流量的增加，自动发卡设备的需求会迅速增加。

一、系统简述

自动发卡系统集车道控制机和发卡机于一体，安装在高速公路收费站的入口车道，实现全天候车道无人值守。

自动发卡系统的操作流程如下：车辆驶入入口车道，车道的到达线圈检测到车辆的驶入，视频捕捉卡捕捉车道图像，车牌识别系统将信息传递到车道控制系统中，同时语音提示司机按键取卡，司机按自动发卡机上的发卡键后取卡，自动栏杆抬起，车辆驶过离开线圈后自动栏杆落下，车道控制机生成入口相关数据，完成发卡过程。

基于自动发卡系统的入口车道设备布置示意图如图 1 ：

二、系统组成及功能

（一）设备组成如图 2 基于自动发卡设备的入口车道设备组成框图

（二）系统组成如图 3 自动发卡系统组成框图 ：

（三）系统功能 说明

1 、主要功能

（ 1 ） 发卡

在安装自动发卡设备的入口车道，自动发卡机上有一个出卡口。当车辆驶入车道到达线圈并按下出卡按钮时，自动发卡机发出一张通行卡给司机，卡上有相关编码信息。通行卡编码信息主要包括入口站号﹑车道号和时间等；当司机驾车驶离高速路时，这些数据用来确定其应缴的费用。

（ 2 ） 温湿度自动控制、故障自动报告、磁卡 /IC 卡机芯互换结构

利用单片机控制技术及温湿度传感技术巧妙的实现了自动发卡机内部温湿度的自动控制，有效的避免了夏天可能出现的自动发卡机内部温度过热、湿度过大、冬天温度过低的问题，并利用智能逻辑判断，实现了故障的自动报告。

更换发卡设备 机芯 就可以分别适应于磁卡收费系统和 IC 卡收费系统，

（ 3 ） 与收费站计算机通讯

自动发卡机与收费站计算机通过网络相连，收费站计算机可对车道实时监视（车道状态、设备故障信息）。

（ 4 ） 数据存储

自动发卡机与收费站计算机连接失败时，车道自动发卡系统可独立工作，数据保存在车道计算机的硬盘中，当网络恢复时，自动发卡机将自动上传车道数据。

（ 5 ） 操作权限控制

自动发卡机只接受被授权的操作员和维护员的操作，操作员和维护员在操作自动发卡机之前必须使用身份卡。

（ 6 ） 计数

自动发卡机里的应用软件有计数功能，设有班次、小时、日计数器。

（ 7 ） 维护测试

使用维护员身份卡登录后可测试、维护设备和模拟发卡流程。

2 、工作流程

自动发卡机有 4 种工作状态，由操作人员操作并使用身份卡进行切换，包括：

“关闭”状态：自动发卡机加电后自动进入此状态，此时不能发卡；车辆通过离开线圈将会产生报警信号

“打开”状态：使用操作员身份卡登录后，进入此状态；车辆驶入车道并按“出卡”按钮将会发卡。

“车队”状态：适用于免费车队；自动栏杆抬起，发卡机不发卡，车辆通过离开线圈后栏杆不落下，直至结束此状态。

“维护”状态：使用维护员身份卡登录后，进入此状态；可以测试卡机和其它车道外围设备。

3 、异常和故障

（ 1 ）异常

指发生了状态提示或异常但不影响自动发卡机继续工作。包括以下情形：

通行卡即将用完；与收费站之间的通讯中断；车辆超时未通过；温湿度超限。

（ 2 ）故障

指发生了部件故障从而可能导致设备无法正常工作，提示必须人工处理，包括以下情形：到达线圈故障， 离开线圈故障，温控系统故障，通行卡用完，

卡机故障，卡机卡纸，卡编码错误。 发生这些异常和故障时，液晶面板上显示报警信息，同时向收费站计算机系统上传。

4 、维护

进入维护状态后，维护人员可以检测卡机和外部设备是否工作正常。

三、硬件设计

（一）结构设计

自动发卡系统的 结构采用模块化设计， 其中磁卡机芯安装结构模块与 IC 卡机芯安装结构模块可以任意互换，系统升级时只需要将相应的模块换掉，而无需对整体结构做重复设计和投资。 机箱具有防水防尘的功能。

（二）内部设备

1 、 发卡机

用于发出磁卡或 IC 卡以及读取操作员或维护员身份卡。

2 、 工业控制计算机

一台带有 4 个 PCI 和 ISA 扩展槽的工控机安装于自动发卡机的机箱内部，它配有视频采集卡，数字 IO 卡 ， 6.4 ” 彩色液晶显示器， 88 键键盘和鼠标及托架，用于维护操作。

3 、 I/O 板及固态继电器板

用于控制车道辅助设备的输入 / 输出，包括：

输入 -- 到达线圈信号及故障信号，离开线圈信号及故障信号，自动栏杆状态，发卡按钮信号，其它；

输出 -- 天棚灯控制，车道通行灯控制，自动栏杆控制，声光报警器控制，其它。

4 、 温控系统

用于机箱内的温湿度控制以及防尘，通过温度和湿度传感器采集机箱内的温湿度数据，并有与工控机下传的控制参数比较，从而控制风扇和恒温加热器，使机箱内的温湿度达到设备工作所需的标准，同时把温湿度数据在小液晶屏上显示出来。包括：主控板一块，采集温湿度参数，控制恒温加热器和风扇（同时控制小液晶屏显示系统），并与工控机通信，交换控制参数和当前状态；一个进风风扇（ 150mm ），一个出风风扇（ 120mm ），用于调节机箱内的温度，同时使机箱内外产生正的气压差，防止灰尘的进入；温湿度传感器一个，用于检测机箱内的温湿度；恒温加热器及散热片和风扇一套，安装于机箱底部，用于机箱内部的加热和除霜。

5 、 内部对讲分机

内部对讲分机一台，安装于机箱前面板中部并设有外部对讲按键，与收费站对讲主机一起构成对讲子系统，用于在车道内维护员﹑操作员或司机与收费站监控员之间进行沟通。

6 、 小液晶显示屏

小液晶显示屏及按键一套，安装于机箱面板上，用于向维护员或操作员提示车道当前工作模式，如“关闭”模式：此时车道处于关闭状态；“打开”模式：此时车道处于正常工作状态；“车队”模式：用于车队的处理，此时自动栏杆打开并计数；并可提示设备的一些错误或故障信息，如缺卡等。

7 、 车辆检测器

车辆检测器一套，安装于自动磁（ IC ）卡发卡机机箱内，与到达线圈和离开线圈一起工作，用于检测车辆的存在和通过。该设备具有检测线圈故障的功能。

8 、 设备防雷系统

包括 AC220V 电源防雷模块一个，网络防雷模块一个（可选），视频防雷模块两个。

（三）能耗及工作环境

自动发卡机的电源取自收费站 UPS 电源，可经车道配电箱转接；自身电源消耗以及车道外设电源消耗大约 1500W 。工作环境温度 -20 ℃ ～ 50 ℃ ；工作环境湿度小于等于 90% 。

四、软件设计

（ 一 ）设计思路

在软件设计上，自动发卡机不同的地方主要是控制和数据接口方面。控制方面，对发卡机的控制模块做成动态链接库，磁卡机与 IC 卡机互换时，只要把动态链接库更换就可以。数据接口方面，主要通过数据库来实现，数据表内容包含了磁卡机以及 IC 卡机数据格式，应用软件与数据库接口通过视图来实现，只要修改了视图就实现了应用软件与数据库接口的无缝连接。

（二）自动发卡设备车道软件模块划分

1 、主控模块

负责整个应用程序的初始化、运行。

2 、外围设备控制模块

检测发卡按钮状态；检测到达线圈、离开线圈的状态、故障情况；检测自动栏杆状态；控制顶棚信号灯、通行信号灯红绿转换；控制声光报警器；控制自动栏杆起落。

3 、数据存储模块

保存发卡数据。

4 、网络通讯模块

上传发卡数据；上传报警信息；接收系统运行参数（人员编码等）。

5 、流程控制模块

负责状态转换。

6 、界面显示和键盘输入控制模块

显示设备状态；显示操作提示；接收键盘输入信息。

7 、磁卡机 /IC 卡读写器控制模块

读取身份卡；发放通行卡；检测磁卡机 /IC 卡读写器故障信息。

8 、系统控制板通讯模块

接受设备温湿度数据；接收液晶面板按键信息；下传控制参数；向液晶面板发送故障报警信息。

9 、硬件看门狗控制模块

监测系统状态，系统宕机时让发卡机自动重新启动。

10 、字符叠加控制模块

初始化字符叠加板；发送字符叠加信息，将有关数据叠加到车道图像上。

11 、车牌识别器控制模块

获取入口车道通过车辆的车牌照信息。

五、站级收费计算机系统改造

（一）增加监控系统

需要增加自动发卡设备监控系统，用于监测自动发卡机的工作状态。 当接收到自动发卡机上传的报警信息（包括异常和故障）后，产生语音和可视化提示，通知监控人员。

（二）财务报表

由于自动发卡设备形成的单车数据与当前的收费系统单车数据保持兼容，能够自动融合到收费系统中，所以数据自动添加到普通入口车道的财务报表中。

（三） 磁卡、 IC 卡系统的通信接口

将磁卡机更换为 IC 卡机，同时更换车道软件，即可成为 IC 卡发卡系统。

作者单位：河北省石黄高速公路管 理处