---------------*******--------------

ĐỀ TÀI:THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ HỖ TRỢ THU PHÍ TỰ
ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ RFID

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Quốc Khương

Sinh viên thực hiện :
Đinh Duy Khánh
SHSV: 20091433
Lớp ĐTVT 12 – K54

Hà Nội 12/2013


Báo cáo đồ án 3

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nền khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển và đạt nhiều thành tựu lớn. Việc
ứng dụng khoa học kĩ thu ật vào cuộc sống ngày càng nhiều đã giải quyết được rất nhiều
vấn đề tồn tại trong các ngành, các lĩnh vực như giao thông, khí hậu, y tế, truyền tin,…
Trong đó, vấn đề ứng dụng khoa học kĩ thu ật vào giải quyêt các vấn đề trong giao thông
thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu do tình hình giao thông của nước nhà vẫn còn
nhiều vấn đề bất cập. Tỉ lệ tai nạn giao thông đường bộ vẫn rất cao, cơ sở hạ tầng và các
hệ thống điều hành giao thông vẫn còn thô sơ và lạc hậu so với thế giới. Trong đó có một
lĩnh vực là việc quản lý và tổ chức thu phí đường bộ, hiện nay vẫn rất thủ công, từ khâu
in vé, bán vé, thu vé, đóng mở barrie, …gây tốn nhiều tài nguyên , nhân lực, và thường
xuyên gây tắc nghẽn cục bộ. Nên em chọn tham gia xây dựng một hệ thống thu phí tự
động điện tử nhằm giải quyết các vấn đề trên.

1.2.2 Hoạt động của SRF05 trong hệ thống................................................................ 10
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÂN LOẠI XE ............................................... 11
2.1. Bài toán phân loại xe............................................................................................. 11
2.1.1 Yêu cầu bài toán ................................................................................................ 11
2.1.2 Thiết kế thuật toán phát hiện xe......................................................................... 11
2.2 Thiết kế phần cứng phân loại xe........................................................................... 14
2.2.1 Nguyên lí đo khoảng cách ................................................................................. 15
2.2.2 Mạch xử lý tín hiệu thu...................................................................................... 23
2.2.3 Thiết kế cơ khí cột cảm biến.............................................................................. 28
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 29
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 31
ITS_HARDWARE_SRF05

Page 3


Báo cáo đồ án 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG
1.1 Mô hình trạm thu phí điện tử

Hình 1. Mô hình tổng quan hệ thống
Một trạm thu phí điện tử bao gồm rất nhiều thiết bịđiện tử có chức năng khác nhau nhưng
hỗ trợ nhau đảm bảo cho hệ thống thu phí được hoạt động một cách chính xác.
Hệ thống hoạt động theo 3 bước chính.
 Bước 1 : Phát hiện xe vào trạm và đọc thông tin xe qua thiết bị phát hiện xe và đầu
đọc thẻ, camera.
 Bước 2: Tiến hành giao dịch thanh toán điện tử qua máy tính tại trạm.
 Bước 3: Phản hồi kết quả giao dịch qua barrier,bảng led, thiết bị phát tin RSU.


ITS_HARDWARE_SRF05

Page 5


Báo cáo đồ án 3

1.1.4 Trạm trung tâm (station)

Đây là nơi chứa máy tính trung tâm, là thiết bị nhận các tín hiệu từ cảm biến, thông tin từ
đầu đọc, ảnh từ camera, xử lý và đưa ra những quyết định điều khiển các thiết bị điện tử
khác.
Trong trạm còn có tủ điện trung tâm, cấp nguồn cho toàn bộ thiết bị trong trạm hoạt
động.

Hình 3. Máy tính công nghiệp

1.1.5 RSU – OBU ( RoadSide Unit – On Board Unit)
RSU là thiết bị phản hồi thông tin thu phí đặt tại trạm. Thiết bị này sẽ truyền thông tin thu
phí bao gồm mức phí, biển số xe,…về cho một thiết bị thu đặt trên xe gọi là OBU. OBU
có chức năng thu và bóc tách, hiển thị thông tin thu phí lên báo cho lái xe biết.

1.1.6 Đèn giao thông (traffic light)
Đèn giao thông xanh đỏ có tác dụng điều khiển việc lưu thông của các phương tiện qua
trạm, khi barrier đóng thì đèn b ật đỏ, yêu cầu phương tiện dừng lại, khi barrier mở, đèn
bật xanh báo cho phương tiện được phép qua trạm.

ITS_HARDWARE_SRF05

Page 6

Khi trung tâm xử lý (station) nhận được tín hiệu từ cột cảm biến phát hiện xe đến nó sẽ
bật đầu đọc thẻ và camera. Đầu đọc thẻ sẽ bắt đầu đọc và camera sẽ bắt đầu chụp ảnh xe
tới.

ITS_HARDWARE_SRF05

Page 8


Báo cáo đồ án 3

Hình 8. Trung tâm điều khiển bảng led và barrie
Sau khi camera đã chụp ảnh xong và đầu đọc thẻ đã đọc thành công nếu xe tới trạm là
hợp lệ và tiến hành thu phí thành công, trạm trung tâm sẽ tiến hành hiển thị các thông tin
cần thiếu lên bảng LED và mở barrie.

Hình 9. Thu phí thành công và xe ra khỏi trạm
Sau khi xe qua khỏi cột cảm biến phát hiện xe ra khỏi hệ thống (barrie cuối cùng trong
trạm), mạch xử lý tại cột cảm biến sẽ đẩy tín hiệu phát hiện xe ra đến trung tâm xử lý.

ITS_HARDWARE_SRF05

Page 9


Báo cáo đồ án 3

Hình 10. Trung tâm xử lý gửi tín hiệu đóng barrie
Sau khi nhận được tín hiệu từ cột cảm biến phát hiện xe ra khỏi hệ thống, Trung tâm xử
lý sẽ gửi tín hiệu đóng barrie.

 0 : Báo động giả - khi SRF05 được kích hoạt nhưng nó phát hiện ra rằng không
có xe trong hệ thống
 Có chức năng kiểm tra kết nối với trung tâm xử lý với mục đích kết nối tự động : trung
tâm xử lý sẽ gửi chuỗi ký tự “>s\r\n” xuống mạch xử lý SRF05. Sau khi nhận được ký
tự này mạch xử lý sẽ gửi lại cho phần mềm ký tự ‘p’.
 Chức năng nhận ký tự kích hoạt từ trung tâm xử lý : SRF05 có khả năng hoạt động
trong hai chế độ.
-

Chế độ 1 : Trung tâm xử lý của hệ thống gửi ký tự kích hoạt ‘1’ khi đó SRF05
sẽ hoạt động liên tục để xác định chiều cao cao nhất của xe qua đó đưa ra phân
loại xe. Và ký tự ‘0’ khi muốn tắt SRF05 đồng thời mạch xử lý SRF05 sẽ gửi
phân loại xe về trung tâm xử lý.

-

Chế độ 2 : Yêu cầu module SRF05 hoạt động như một cảm biến phát hiện xe
tới và phân loại xe. Tín hiệu kích hoạt là ‘k’ và khi muốn quay trở lại chế độ 1
thì trung tâm xử lý chỉ việc gửi ký tự ‘0’.

2.1.2 Thiết kế thuật toán phát hiện xe
Hoạt động của một module SRF05 được chia làm hai giai đoạn:
 Giai đoạn 1: Kích hoạt SRF05 và nhận tín hiệu thu được về vi xử lý.

ITS_HARDWARE_SRF05

Page 11


Báo cáo đồ án 3

hiệu ta cần hiểu nguyên lí làm việc của cảm biến siêu âm.

ITS_HARDWARE_SRF05

Page 14


Báo cáo đồ án 3

2.2.1 Nguyên lí đo khoảng cách

2.2.1.1 Ứng dụng nguyên tắc TOF để đo khoảng cách
Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoản 343m/s. Nếu một cảm
biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sỏng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời
gian từ lúc phát đi tới lúc trở về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng
đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng
cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay khoảng
cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF:
d = v*t/2;

Hình 14. Nguyên lý TOF
2.2.1.2 Tầm quyét của cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở
giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm ở trên biên thì dường như có
chướng ngại vật nằm đâu đó.

ITS_HARDWARE_SRF05

Page 15


-

C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng.

-

D: Hoạt động ở một tần số 235kHZ cao hơn.
2.2.1.3 Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05

SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng
phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí. SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04.
Khoảng cách là tăng từ 3 mét đến 4 mét. Một chế độ hoạt động mới, SRF05 cho phép sử
dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm có giá trị trên chân
điều khiển của bạn. Khi chân chế độ không kết nối, SRF05 các hoạt động riêng biệt chân
kích hoạt và và chân hồi tiếp, như SRF04. SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi
xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian
cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh.
Các chế độ hoạt động
 Chế độ 1 – tương ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phản hồi
Chế độ náy sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn
giản nhất để sử dụng. Tất cả các chương trình đi ển hình cho SRF04 sẽ làm việc
cho SRF05 ở chế độ này. Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không kết
nối - SRF05 có một nội dừng trên chân này

ITS_HARDWARE_SRF05

Page 17


Báo cáo đồ án 3

Giản đồ định thời SRF05 thể hiện trên đây cho mỗi chế độ. Ta chỉ cần cung cấp một đoạn
xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách. Các SRF05 sẽ gửi cho ra
một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40khz và tăng cao dòng phản hồi của nó (hoặc kích
hoạt chế độ dòng 2). Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm các dòng
phản hồi lại. Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng là tỷ lệ với khoảng cách đến đối
tượng. Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch /
centimét hoặc bất cứ điều gì khác. Nếu không phát hiện gì cả SRF05 giảm thấp hơn dòng
phản hồi của nó sau khoảng 30mS. SRF04 cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoảng
cách. Nếu độ rộng của pulse được đo trong hệ uS, sau đó chia cho 58 sẽ cho khoảng cách
theo cm, hoặc chia cho 148 sẽ cho khoảng cách theo inch. uS/58 = cm hay uS/148 =
inch.SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây. Ta
nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng
gần và xung phản hồi ngắn hơn. Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã phai m ờ
và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp.
Các thiết lập khác của chân 5
Chân 5 được đóng nhãn là "programming pins" đư ợc sử dụng một lần duy nhất trong quá
trình sản xuất để lập trình cho bộ nhớ Flash trên chip PIC16F630. Các chương trình của
PIC16F630 pins cũng được sử dụng cho các chức năng khác trên SRF05, nên chắc chắn
rằng ta không kết nối bất cứ cái gì với các chân, hoặc ta sẽ làm gián đoạn hoạt động môđun.
Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm
Không có cách gì dễ dàng để giảm bớt hay thay đổi chiều rộng của chùm tia. Chùm tia
của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của diện tích mặt của các
cảm biến và là cố định. Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên SRF05, lấy từ bản dữ
liệu nhà sản xuất, sẽ được biểu diễn bên dưới.
ITS_HARDWARE_SRF05

Page 20


Báo cáo đồ án 3


ITS_HARDWARE_SRF05

Page 22


Báo cáo đồ án 3

Hình 21. Phương pháp giảm điểm mù
Các vùng hoạt động của 2 cảm biến SRF05 tạo góc chung 30 độ. Vùng chung thì được
phân biệt bởi 2 phần tín hiệu trái phải và phần cản ở giữa.

2.2.2 Mạch xử lý tín hiệu thu
2.2.2.1 Mạch nguyên lý
Khối xử lý trung tâm (microcontroler)

ITS_HARDWARE_SRF05

Page 23


Báo cáo đồ án 3

Hình 22. Khối xử lý và điều khiển.
Khối xử lý : Sử dụng PIC16F886 nhỏ gọn và phù hợp với yêu cầu của chức năng mạch.
Vi điều khiển sử dụng chân RB4 làm chân TRIGGER kích hoạt hoạt động của SRF05 và
tín hiệu xung vuông nhận được từ SRF05 sẽ được đưa về chân RC2 (ECHO).
Các chân RC6, RC7 là các chân truyền nhận dữ liệu được sử dụng để gửi các dữ liệu xử
lý từ vi điều khiển về trung tâm xử lý phục vụ cho hoạt động của hệ thống.