TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP
.......................***........................

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY)
Đề tài:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU PHÍ GIAO THÔNG TỰ ĐỘNG
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID

Sinh viên thực hiện

:

Lớp

:

Giảng viên hướng dẫn :

Hà Nội – 20xx


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

- Độ rộng của làn đường thu phí: 4-5m
- Độ cao của anten reader so với mặt đường: khoảng 10m
- Lựa chọn giải pháp công nghệ: lựa chọn linh kiện điện tử, vi điều khiển, các module
trên thị trường
- Thiết kế phần cứng
- Thiết kế phần mềm
4. Cán bộ hướng dẫn
xxxxxxxxxxxxxxxxx
5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế
xx/xx/xxxx


6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ
xx/xx/xxxx

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN
(Ký, ghi rõ họ tên)

Ngày...... tháng...... năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM


+ Tính đúng đắn của kiến thức trình bày trong đồ án: …/10
+ Tính chuyên cần của sinh viên: …/10
+ Tính hoàn thiện của nội dung đồ án so với yêu cầu đặt ra của đề tài: …/10
+ Cách thức trình bày đồ án: …/10
Điểm trung bình chung:

Hà Nội, ngày….-….-2015
Giảng viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU


Thu phí tự động ứng dụng công nghệ RFID

LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết, giao thông là một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu đối
với sự phát triển kinh tế xã hội của nước ta.
Trong đó, thu phí đường bộ là một hoạt động không thể thiếu của mỗi quốc gia góp
phần bù đắp chi phí xây dựng cũng như có thêm nguồn vốn cải tạo nâng cấp xây dựng con
đường. Vì vậy, việc xây dựng các trạm thu phí là bắt buộc. Từ đó, nhiều vấn đề đã nảy sinh.
Theo thống kê hiện nay, cả nước ta có khoảng 70 trạm thu phí giao thông đường bộ với
nhiều loại hình thuộc quyền quản lý của nhiều cơ quan khác nhau như: Tổng cục đường bộ,
Sở giao thông vận tải các tỉnh, UBND, các doanh nghiệp,… Các trạm thu phí này hoạt động
chủ yếu theo hình thức thu phí một dừng mã vạch kết hợp với thủ công hoặc triển khai 100%
thu phí một dừng mã vạch.
Với các hình thức thu phí trên, tình trạng ùn tắc các phương tiện tại các trạm thu phí

Thu phí tự động ứng dụng công nghệ RFID
Với việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô trong
trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô trong chương trình đào tạo
xxxxxxxxxxxxx cũng như các thầy cô trong bộ môn xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx đã nhiệt tình
truyền đạt các kiến thức cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt hơn nữa, em
xin chân thành cảm ơn thầy giáo xxxxxxxxxxxxxx – Th.s, giảng viên bộ môn Kĩ thuật đo và
Tin học công nghiệp đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp em hoàn thành nhiệm vụ tốt
nghiệp này.
Cuối cùng, qua đồ án này em cũng muốn gửi lời cám ơn tới các bạn trong lớp
xxxxxxxxx đã giúp đỡ, chia sẻ kiến thức với em trong thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng nhưng do những hạn chế về mặt thời gian, kiến thức cũng như kinh
nghiệm nên khiến cho đồ án này không tránh khỏi thiếu sót. Kính mong được sự nhận xét,
góp ý của thầy cô và các bạn.

7


Thu phí tự động ứng dụng công nghệ RFID

CHƯƠNG 1: CÁC MÔ HÌNH THU PHÍ GIAO
THÔNG ĐƯỜNG BỘ.
1 Thu phí đường bộ thủ công.
Đây là mô hình điển hình ở nước ta hiện nay. Với việc thu phí các phương tiện giao
thông được thực hiện bằng cách bán vé giấy và xé vé trực tiếp khi xe đi qua trạm thu phí. Quy
trình này rườm rà, chưa đem lại sự thuận tiện nhất cho người tham gia giao thông, sử dụng
nhiều nhân lực, gây tốn kém cho nhà nước. Phương pháp này còn cho thấy tồn tại nhiều kẽ hở
phát sinh tiêu cực về nguồn thu chính xác cho các cơ quan chức năng, tình trạng chậm chạp
gây nên tắc đường, ô nhiễm môi trường, tai nạn giao thông…

Hình 1. 1 Cận cảnh thu phí thủ công

phí để trả tiền mặt).
Các thành phần của ETC bao gồm các thành phần trong làn đường, quản lý cơ sở và các
thành phần trung tâm dịch vụ khách hàng. Ba thành phần của hệ thống ETC là:

• Tự động nhận dạng xe (Automatic Vehicle Identification - AVI)
• Tự động phân loại xe (Automatic Vehicle Classification - AVC)
• Hệ thống thực thi vi phạm (A Violation Enforcement System - VES)
Mỗi một hệ thống ETC sẽ có một trung tâm máy tính cơ sở để quản lý mọi hoạt động
của trạm thu phí đó. Bao gồm các hoạt động như xác định thẻ, xác định phương tiện, thanh
toán điện tử, lưu trữ dữ liệu (chủ phương tiện, loại xe, biển số xe, lượt xe, lộ trình…). Tất cả
các trung tâm máy tính cơ sở đều được kết nối cơ sở dữ liệu đến trung tâm quản lý dữ liệu
được đặt tại trung tâm thành phố thông qua các đường truyền Ethernet.

1

Tự động nhận dạng xe (AVI).

Hệ thống tự động nhận dạng xe có các thành phần khác nhau của hệ thống tự động nhận
dạng phương tiện xe cộ và chủ sở hữu của chúng cho mục đích tính phí đến người dùng và
thu thập dữ liệu cho các chiến lược quản lý giao thông khác nhau. Công nghệ AVI có thể chia
làm 3 loại chính: Laser, nhận dạng biển số xe, và Radio Frequency (RF). Hệ thống Laser sử
dụng một nhãn dán, mã vạch Bar code và đọc bởi máy quét Laser khi xe đi qua các làn thu
phí. Hệ thống nhận dạng biển số sử dụng hình ảnh biển số được lấy từ camera giám sát, xử lý

9


Thu phí tự động ứng dụng công nghệ RFID
hình ảnh thu được để thu được biển số. Hệ thống RF nhận dạng phương tiện bằng cách truyền
thông tin qua các sóng Radio. Một thẻ điện tử RF được đặt nằm trong hoặc trên các phương

Hệ thống sử dụng các thẻ được dán trên xe đơn giản là các mã vạch đen trắng, một máy
quét laser sẽ quét lên các thẻ và tín hiệu phản xạ thu được sẽ được dùng để trích xuất mã. Xử
lý tín hiệu này đơn giản hơn nhiều so với việc đọc một biển số.
Ưu điểm:

-

Độ tin cậy cao hơn so với hệ thống đọc biển số.
Thẻ đơn giản chỉ là một mã vạch in trên chất kết dính.
Phạm vi hạn chế nên hạn chế xung đột giữa các làn.

Nhược điểm:

2

Các thẻ dễ dàng giả mạo.
Rất dễ thất bại bởi ảnh hưởng gây ra bởi mưa, sương mù, độ ẩm, bụi bẩn trên thẻ
Thẻ dễ bị hư hại do ảnh hưởng của thời tiết
Khoảng cách giữa thẻ và máy quét laser để đọc thẻ thành công còn ngắn làm khó
khăn cho việc triển khai và tốc độ còn chậm.
Công nghệ nhận dạng biển số.

Hệ thống nhận dạng biển số, đọc biển số xe trực tiếp và so sánh với dữ liệu trong một
cơ sở dữ liệu để nhận dạng. Khi xe đi qua các trạm thu phí, một máy quay video sẽ quay và

10


Thu phí tự động ứng dụng công nghệ RFID
trích xuất hình ảnh, số hóa, số hóa và xử lý để trích xuất biển số xe. Tuy nhiên xử lý 1 hình

A, Hệ thống RF tích cực.
Ưu điểm của hệ thống:

-

Phạm vi hoạt động lớn hơn hệ thống thụ động bởi các thẻ sử dụng nguồn riêng.
Độ tin cậy cao hơn so với hệ thống thụ động vì các tín hiệu trả về là nhanh hơn,
mạnh hơn.
Ít bị nhiễu điện so với các hệ thống thụ động vì tín hiệu mạnh.
Không bị ảnh hưởng bởi thời tiết, môi trường: đêm, mưa, sương mù vẫn hoạt động
tốt như thường.

Nhược điểm của hệ thống:

-

Các mạch thẻ phức tạp hơn, dẫn đến chi phí sản xuất cao hơn.
Sự can thiệp tín hiệu giữa các làn xe lớn hơn do cường độ tín hiệu mạnh.
Các thẻ phải có pin hoặc lấy năng lượng từ xe.

B, Hệ thống RF thụ động.
Ưu điểm của hệ thống:

-

Các thẻ không cần phải có pin hoặc nguồn năng lượng từ xe.
Các thẻ là ít phức tạp hơn so với hệ thống tích cực, dẫn đến chi phí triển khai thấp
hơn.

11


Năm 1945, Leon Theremin phát minh ra một công cụ nghe lén cho chính phủ Liên Xô
cũ bằng cách truyền các sóng tần số vô tuyến được tạo thành do sự phản xạ của các sóng âm
thanh. Thiết bị này là một thiết bị chuyển đổi âm thanh thụ động chứ không phải là một thẻ
nhận dạng và chính là thiết bị đầu tiên sử dụng nguyên lý như một hệ thống RFID thụ động.
Thiết bị của Mario Cardullo được cấp bằng sang chế vào ngày 23 tháng 1 năm 1973 là tổ tiên
thực sự đầu tiên của hệ thống RFID hiện đại, vì nó là một transponder phát thanh thụ động
được trang bị bộ nhớ. Bằng sáng chế đầu tiên được gắn liền với tên viết tắt RFID được cấp
cho Charles Walton vào năm 1983.

2.2.

Hệ thống RFID

Một hệ thống RFID thường có 3 thành phần chính:

-

Những chiếc thẻ điện tử có chip và anten chứa thông tin của thẻ.
Đầu đọc cũng chứa chip và anten để giao tiếp và đọc thông tin từ thẻ.
Máy tính và cơ sở dữ liệu dùng để nhận, lưu trữ, xử lý các thông tin được truyền đến
từ đầu đọc.

Hình 2. 1 Hệ thống RFID

Đầu đọc và các thẻ giao tiếp với nhau thông qua các sóng điện từ, nơi mà các thông tin
đã được mã hóa thành các tín hiệu điện từ. Tùy theo thiết kế mà ta có thể phân ra làm 2 chế độ
trong giao tiếp đó là: đầu đọc nói trước (Reader talks first) và thẻ nói trước (Tag talks first).

13

Hình 2. 3 Nguyên lý hoạt động của thẻ RF thụ động

Thẻ thụ động có những nhược điểm như sau:

• Khoảng cách truyền ngắn.
• Khung truyền của một gói dữ liệu là cố định
• Giao thức truyền không thay đổi dẫn đến tính bảo mật kém
Bù lại thẻ thụ động có giá thành rẻ hơn.
Các thành phần chính của một thẻ thụ động bao gồm:

•
•
•
•
•
•
•

Vi mạch.
Anten.
Bộ chỉnh lưu: chuyển nguồn AC từ anten của đầu đọc thành nguồn DC.
Khối tách xung.
Bộ điều chế: điều chỉnh các tín hiệu nhận được từ đầu đọc.
Đơn vị luận lý: cung cấp giao thức truyền của thẻ và đầu đọc.
Bộ nhớ vi mạch: bộ nhớ dữ liệu (rất nhỏ).

B, Thẻ tích cực.
Khác với thẻ thụ động, thẻ tích cực được trang bị thêm một nguồn năng lượng như pin.
Nên loại thẻ này có thể khắc phục được một số nhược điểm của thẻ thụ động: Cho phép
truyền xa hơn, lên đến vài chục mét tùy theo thiết kế, khung truyền có thể do người dùng tự

Việc trang bị thêm pin, những vi mạch tốt hơn và bộ nhớ lớn hơn làm thẻ tích cực có
kích thước lớn hơn và giá thành cao hơn.

2.2.2. Đầu đọc RFID – Reader.
Thành phần quan trọng nhất của hệ thống RFID là đầu đọc. Cần tối thiểu một đầu đọc
để giao tiếp, đọc thẻ và giao tiếp với máy tính. Về cơ bản, đầu đọc phải được tích hợp các
module như: Module giao tiếp vô tuyến sử dụng anten, module mã hóa và giải mã, module xử
lý tín hiệu từ thẻ, module truyền thông (hỗ trợ các kết nối như RS232, USB…)

16


Thu phí tự động ứng dụng công nghệ RFID

Hình 2. 5 Các thành phần của đầu đọc RFID

• Phát và thu sóng RF: Máy phát đầu đọc truyền xung tín hiệu tần số cao đến

•
•
•

•

anten, cũng như thẻ đầu đọc luôn bảo đảm tốt hai nhiệm vụ, phát và thu sóng.
Có nghĩa là nó có thể chuyển đổi và giải mã qua lại giữa tín hiệu tương tự và
sóng RF.
Vi mạch: Đầu đọc luôn được trang bị những chip vi điều khiển mạnh hơn so với
thẻ vì nó cần xử lý nhiều công việc trong một khoảng thời gian hơn, giao tiếp
với nhiều ngoại vi hơn.


Tần số làm việc là tần số của sóng điện từ phát ra từ các anten trên đầu đọc và thẻ. Tần
số ảnh hưởng đến tốc độ truyền thông và khoảng cách giao tiếp giữa các anten. Tần số cao
cho biết phạm vi đọc xa hơn, tốc độ nhanh nhưng tốn năng lượng hơn. Mỗi ứng dụng phù hợp
với một kiểu tần số cụ thể do đặc điểm của sóng điện từ ở mỗi dải tần là khác nhau, ví dụ
sóng có tần số thấp có khả năng truyền xuyên qua tường tốt hơn sóng có tần số cao hơn nó,
nhưng tần số cao có tốc độ đọc nhanh. RFID sử dụng sóng từ 30 KHz đến 5,8GHz. Có thể
thấy 4 dải tần chính được sử dụng ở các hệ thống RFID.

• Low – Frequency: 125 KHz – 134 KHz, phù hợp với các ứng dụng phạm vi
•
•

•

ngắn như hệ thống chống trộm, khóa tự động.
High – Frequency: Băng tần 13,65 MHz, với phạm vi quét khoảng 1m, thích hợp
cho các ứng dụng đọc các item như quản lý hiệu sách, theo dõi hành lý trên máy
bay.
Ultrahigh – Frequency: Tần số khoảng từ 860 MHz– 960 MHz, cho phép
khoảng cách đọc lên đến vài mét, thích ứng cho các ứng dụng dây chuyền vì tốc
độ và phạm vi của nó, được ứng dụng trong quản lý hàng tại các nhà kho, các
dây chuyền sản xuất tự động.
Microware – Frequency: Tần số trong khoảng 2.45 GHz- 5,8 GHz. Cho phép
khoảng cách truyền xa hơn, lên đến vài chục mét.

Việc phân chia các dải tần là tương đối, lưu ý là ở mỗi quốc gia, tần số hoạt động của hệ
thống cần được sự cho phép của nhà nước. Ví dụ, đối với các thẻ RFID UHF, ở Hoa Kì,
chúng làm việc từ 902 MHz – 928 MHz. Ở Ấn Độ chấp nhận phạm vi tần số từ 865 MHz –
867MHz.

Vì là công nghệ nhận dạng sử dụng sóng tần số vô tuyến nên RFID có ứng dụng rộng
rãi trong cuộc sống. Bất kì hệ thống nào cần quản lý người, vật, đồ vật, đều có thể sử dụng
công nghệ này, ví dụ hệ thống quản lý đăng nhập vào/ra cho nhân viên nơi xí nghiệp, công sở,
hệ thống theo dõi vật nuôi, quản lý sách trong thư viện, quản lý ô tô của bãi giữ xe, thu phí
điện tử phương tiện giao thông.
Một vài hình ảnh ví dụ về ứng dụng RFID:

Hình 2. 8 Ứng dụng của RFID trong quản lý nhà kho

19


Thu phí tự động ứng dụng công nghệ RFID

Hình 2. 9 Quản lý bệnh nhân qua RFID

20


Thu phí tự động ứng dụng công nghệ RFID

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG.
3.1. Yêu cầu hệ thống
Khi một phương tiện giao thông đi vào các làn đường của các trạm thu phí giao thông,
nó cần được nhận dạng chính xác để tính phí đến người dùng.
Một mô hình thu phí điện tử được triển khai như sau:

Hình 3. 1 Mô phỏng hệ thống thu phí điện tử RFID

Mỗi một hệ thống thu phí sẽ được chia làm các làn đường khác nhau và tùy vào độ rộng

- Cập nhật các thông tin thu vi về cơ sở dữ liệu: Thời gian, lượt, lộ trình…
3.2. Cấu trúc của hệ thống.
Hệ thống thu phí tự động dựa trên công nghệ thẻ điện tử RF được triển khai sẽ có 3
thành phần chính sau:

-

Thẻ điện tử RF: Thẻ này được gắn trên phương tiện giao thông, nó chứa thông tin về
chủ phương tiện, loại phương tiện, biển số xe giúp ta nhận dạng và thu phí. Các
thông tin này sẽ được truyền qua sóng vô tuyến đến thiết bị thu Reader rồi truyền
đến máy tính, dựa vào cơ sở dữ liệu trong máy để tính phí cũng như cập nhật thông
tin.
- Đầu đọc RF (Reader): Có nhiệm vụ giao tiếp, nhận và giải mã thông tin do thẻ
truyền đến, có thể ghi dữ liệu lên thẻ, nó truyền thông tin nhận được đến máy tính
để xử lý.
- Máy tính PC: Nhận các thông tin do đầu đọc truyền đến, thực hiện việc thu phí, gửi
xác nhận cho đầu đọc, thực hiện việc điều khiển đầu đọc qua phần mềm.
3.3. Hoạt động của hệ thống
Các xe đi vào làn đường thu phí nối tiếp nhau. Khi một xe đi vào vùng phủ
sóng của đầu đọc, đầu đọc sẽ phát đi bản tin hỏi ID của thẻ xe, sau đó thẻ xe sẽ gửi lại
thông tin về xe được lưu trữ trong thẻ cho đầu đọc. Đầu đọc sẽ gửi thông tin này lại
cho máy tính. Dựa vào cở sở dữ liệu trung tâm về các thẻ xe đã đăng kí trước đó, máy
tính sẽ so sánh đối chiếu thông tin nhận được từ đầu đọc gửi về và thực hiện công việc
tính phí. Nếu tiền trong thẻ là đủ cho một lần tính phí, hệ thống sẽ tự động trừ tiền tài
khoản của thẻ và đồng thời báo hiệu cho chủ phương tiện thông qua màn hình hiển thị.
Xe được phép đi tiếp. Trường hợp thẻ không đủ tiền cho việc tính phí, hệ thống sẽ
thông báo cho chủ phương tiện biết đồng thời yêu cầu xe đi vào khu vực riêng để xử lý
sau (có thể là thu phí thủ công, yêu cầu chủ phương tiện mua vé…).
3.4. Các vấn đề gặp phải và giải pháp


3.4.4. Trường hợp nhiều xe giao tiếp với đầu đọc cùng lúc
Dù các xe không chạy song song khi đi qua các làn thu phí nhưng nếu chạy nối tiếp
nhau vẫn có khả năng hai hoặc nhiều hơn xe cùng nằm trong phạm vi hoạt động của đầu đọc.
Vì thế, đầu đọc sẽ phải giao tiếp cùng lúc với hai thẻ RF.
Để giải quyết vấn đề này, với yêu cầu hệ thống hoạt động theo nguyên tắc reader first,
ta có thể sử dụng thuật toán giao thức chống xung đột anti-collision RFID, cho phép phân
chia thời gian đa truy cập, mà tại mỗi khoảng thời gian tức thì, chỉ có một thẻ được giao tiếp
với đầu đọc.

23


Thu phí tự động ứng dụng công nghệ RFID

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG.
4.1. Sơ đồ khối của đầu đọc RF – Reader.

Hình 4. 1 Sơ đồ khối của đầu đọc

Thông thường các bộ phận chính của đầu đọc bao gồm:

• Vi điều khiển: Khối này là bộ xử lý chính mà tất cả các giao thức giao tiếp
giữa đầu đọc và thẻ, đầu đọc và máy tính cần được lập trình ở đây. Nhiệm vụ chính
của nó là điều khiển khối RF, xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu với máy tính qua chuẩn
giao tiếp UART hoặc USB.
• Khối RF: Khối này là khối thu phát sóng điện tử, nó chuyển các bản tin (là các
byte dữ liệu từ vi điều khiển truyền đến) mã hóa thành sóng điện từ rồi truyền đi qua
không gian.
• Khối kết nối với máy tính: Dùng chuẩn USB, RS232, Ethernet, trong đề tài
này, em lập trình dùng chuẩn giao tiếp UART- RS232.

•
•
•

Tốc độ xử lý tối đa 25MHz
Tập lệnh 16bit.
Nguồn: 1,8V đến 3,6V.
4 Timer 16bit.
2 kênh truyền nối tiếp USCI_A(SPI, UART) , USCI_B(SPI, I2C), mỗi kênh có 2
khối cho các chế độ truyền.
Tích hợp sẵn USB, tạo các cổng COM ảo trên máy tính.
ADC 12bit.
128 KB Flash, 8KB RAM

Với vi điều khiển MSP430F5529. Sau khi tham khảo trên thị trường, em thấy module
MSP430F5529 USB LaunchPad Evaluation Kit do chính hãng TI cung cấp hoàn toàn phù
hợp với yêu cầu của hệ thống, nên em quyết định sử dụng Module này:

Hình 4. 3 MSP430F5529 USB LaunchPad Evaluation Kit

25