新型便攜機在高速收費車道上的應用

(福建省高速公路永安監控分中心，永安 366000)

新型便攜機在高速收費車道上的應用

■吳健

(福建省高速公路永安監控分中心，永安 366000)

本文基于SoC架構，對原有無法滿足高速公路收費系統自動化和智能化發展需要的便攜機進行改造，設計出新型工控機技術改造方案，此方案不僅有效提升設備在高速高溫、高粉塵惡劣環境下運行的穩定性，還能大大節省升級改造及維護成本。

新型便攜機 機構設計 性能測試 調試應用

1 引言

目前福建省內高速公路收費系統在車道應急設備上主要使用便攜式車道控制器和一體化便攜式收費機。便攜式車道控制器外觀與超市收銀刷卡POS機類似，非常便攜。但該設備啟用程序復雜，功能簡單，續航能力差，使用也不方便，且與車道稱臺設備無通信接口，無法進行計重收費。而一體化便攜式收費機采用與筆記本Baytrail-M平臺類似的技術，但它集成了IC卡讀卡器和票據打印機體，從而導致設備質量重、體積大攜帶不太方便，加上售價高，每個路段按分中心只配置一臺，無法真正滿足應急使用的需求。為保障高速公路收費站通行效率，需要一款功能強大，適應性能強而且使用及攜帶方便的產品。

2 便攜機的設計分析

2.1 設備機構設計

按照現有系統自動化和智能化發展需求，道口便攜收費機系統必須具備高靠性且能在7X24小時環境下運行。由于運行在惡劣的環境下，需選擇具有易維護、散熱好、防塵、防潮、抗電磁干擾能全天候運行的工控型產品。一般情況下，工控產品考慮的更多的是機構的設計，然后才是對性能等的考慮。

2.1.1 便攜機尺寸及外觀設計

基于便攜性和實際使用空間的考慮，將便攜機的機殼設計的與8V視頻光端機大小相當。受機箱體積的限制，需取消機內風扇設計。為加速機內熱量擴散，我們將鰭片波紋散熱全鋁機箱作為便攜機外殼。這種無風扇嵌入式機殼，降低了設備重量，使得設備運行低噪音、低功耗，同時整機溫控比大量有風扇電腦強。外觀尺寸規格如圖1所示。

圖1 機殼規格尺寸(單位:mm)

2.1.2 整機設計

依據便攜機外殼尺寸，尺寸規格定制為 170mm× 170mm的MINI ITX型工控主板，如圖2所示。本主板為開纖維材質PCB板設計，能減少濕氣對電路板的侵蝕，從而降低因濕氣所造成未知主板短路的可能。而板上全固態電容及超低電阻式晶體管全固態電容，不但可以降低主板的溫度，更具有較好的耐高溫效果。在低電阻式晶體管的支持下，讓計算機比采用傳統晶體管及電容的計算機更穩定、更耐久更低溫。抗突波防護芯片和減少電磁輻射(EMI)阻抗設計，增強了系統的穩定性。此外，引入看門狗技術，支持硬件復位功能(256級，0-255s)，可防止程序由于干擾而進入死循環，使系統更可靠。

圖2 便攜機整機和主板

為了適宜主板的高度集成化，CPU選用基于SoC架構的Baytrail-D處理器，如圖3所示。該架構的處理器擁有更好的性能和更低的功耗，其優點主要有：第一，更小的封裝方式可以融合在更小的主板上；第二，處理器體積的縮小，也讓平臺的散熱配備有了更多選擇，可以搭配無風扇設計的散熱片，正常使用不成問題；第三，SoC系統帶來的高集成度，還能有效的降低平臺的制造供貨成本；第四，就是可以支持更多設備，性能可以滿足更多的應用程序。

考慮到道口收費的實際需求，便攜機主機即要能與費顯、IC卡讀卡器、車牌識別、計重等設備的通信,還要實現與票據打印機和收費鍵盤的連接，如圖4所示。這就要求其不僅有多串口設計，還要有LPT口與PS/2接口。此外，為增強主機擴展性能，主板還有雙網口、多USB口及PCI擴展插槽配置，如圖5所示。尤其是PCI插槽能加裝研華1730的IO卡，可用于控制車道通行信號燈和收費天棚燈的開關，還能控制欄桿機的升降，該功能徹底解決了前兩代便攜機無法控制車道通行外設的問題。在機子抗震性能方面，結合主板規格，對收費數據的存儲采用了MSATA接口的固體硬盤。

圖3 基于SoC架構的CPU

圖4 便攜機設連接示意圖

圖5 便攜機主要外設接口

2.2 系統性能測試

2.2.1 CPU性能

便攜機主板搭載直接板載了的Intel Atom D2550處理器，該處理器主頻為1.86GHz，并采用了雙核四線程設計，這樣能夠更好的應付多任務的運行。此外，處理器集成有 x86、MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3和 EM64T指令集。性能較便攜一體機N270的CPU有了明顯提升。CPU參數如圖6所示。

默認狀態下CPU占用率為2%。而運行二代收費軟件、MYSQL數據庫、VNC軟件的情況下CPU占用率為23%左右，如圖7所示。

2.2.2 整機功耗

機子采用額定電壓12V，最大輸出電流為5A的直流適配器供電，能使用筆記本電腦移動電源充電寶做為后備電源使用，如圖8所示。該平臺功耗小，適合全天候運行。經測試主機空載運行功耗為12W，滿載為18W。

2.2.3 散熱性能

圖6 CPU參數

圖7 CPU運行軟件前后占有率對比圖

便攜機內部采用進口含銀導熱膏、紫銅片等導熱材料，外部使用鰭片散熱全鋁機箱，整機溫控比有風扇電腦要強。在室溫27.8℃環境中，連續進行收費8個小時后，使用紅外線測溫儀，測得主機處最高溫度為33.6℃，如圖9所示。

圖8 設備后備電源使用

圖9 設備運行溫度

3 高速收費中的實際應用

由于體積小巧，價格適中，在高速公路收費系統中，各收費站均可配備。當道口系統出現緊急情況導致暫時車流量高峰時，使用該設備會有效緩解車道通行壓力，避免車輛擁堵造成不良社會影響。目前高速公路采用計重收費方式，該便攜機自帶多串口，能直接與稱重設備進行連接，實現貨車計重收費。此外，還可根據系統網絡情況，通過千兆以太網口采取聯網或者離線方式快速上傳收費相關數據。綜合來說，此設備在高速公路收費系統中的應用有以下幾個方面：

3.1 提升高速車道的應急保障能力

應急保障應用是機子的設計初衷，作為便攜式應急收費設備，將其拿至道口，插上電源并依據現場實際情況接上外設即可實現收費或發卡。緊急情況下，幾分鐘內就能安裝到位立竿見影，為收費站的保障工作起到重要作用。與前兩代產品相比，新型機接口豐富，布局合理，安裝方便，部署快。同時性能強，適應性好，最快能在5分鐘內完成啟用工作，極大提升了車道應急保障能力。各類便攜機性能比較見表1。

3.2 車道工控機替換備件

因設備與車道收費系統工控機具有相同的接口，當遇到工控機硬件或軟件故障導致無法使用時，可毫無壓力地直接將此機作為替換備件，連接道口相關通行設備，維持正常過車收費。在車道通行壓力較大的收費站，能讓故障車道快速恢復，減緩相鄰車道的通行壓力，避免堵車現象的發生。同時也為故障設備的維修提供便利，贏得寶貴的維修時間。

3.3 快速搭建臨時收費系統

對于有土建預留但無機電設備的車道，在收費站遇到交通事故需要車輛分流或節假日期間暫時性車流高峰導致的通行壓力時，可用便攜機快速搭建無需通訊布線的臨時客車通行收費系統。機子板載的WIFI模塊使其可以無線輕松接入收費系統，不僅確保了收費安全，還縮短了臨時系統的安裝周期。通行壓力解除后，又可將其快速收回作為收費站的常用備件使用，節省了道口日常使用的成本。

3.4 當后臺收費工作站使用

集工業級PC性能于一身的新型便攜機憑著優異的性能，在不增加硬件的情況下，接入標準鍵盤和鼠標后可將其拓展為工作站使用。經安裝統一收費監控和收費管理軟件測試，該機完全具備替代收費站、分中心各類型工作站的能力，可作為普通PC備件使用。

表1 各類便攜機性能對比

3.5 收費培訓測評的理想設備

可用于新進收費人員崗前培訓，在職收費人員業務等級考試、技能比武使用。既減少了投入費用，還使得培訓測評地點靈活，最關鍵的是排除培訓測評過程中出現的誤操作對正常收費業務的影響。該設備特別是作為培訓使用，能讓培訓達到更好效果，能使培訓效率得到更好的提高，從而使新收費員快速掌握業務技能，盡快投入工作。

4 結束語

新研發的車道收費一體化便攜機是一款移動式車道收費應急系統，它將一套完整的收費系統工控機經過小型化、精簡化，高度集成到一臺小型的設備中，在緊急情況下用于車道通行費用的收取。該設備系統穩定性高，兼容性好，體積小巧，接口豐富便于現場安裝調試，且單套設備的采購費用比便攜一體機節省50%以上。由于能流暢運行福建高速第二代收費軟件，是省內三百多個收費站現有便攜產品的升級換代的首選。產品若能投入批量生產使用，不僅能提升收費系統可靠性，還能大幅提高收費道口服務質量，對提升高速窗口形象也具有積極的意義。

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