1. 引言

STM32 射频 RFID 公路 ETC 收费系统的设计背景与意义
在公路交通领域，传统人工收费模式存在通行效率低、车辆排队拥堵、人工成本高、收费误差等问题，尤其在节假日高峰时段，收费站拥堵现象严重，影响公路通行体验与运输效率。随着智能交通技术的发展，ETC（电子不停车收费系统）凭借 “不停车、快速通行、精准收费” 的优势，成为解决传统收费痛点的核心方案。
STM32 单片机具有高性能、低功耗、丰富外设接口（如 SPI、UART）的特点，能高效处理 RFID 数据交互与收费逻辑控制；射频 RFID 技术可实现车辆与收费站之间的非接触式数据传输，无需人工干预即可完成身份识别与费用扣除。基于 STM32 射频 RFID 的公路 ETC 收费系统，通过 “车辆 RFID 标签识别 - 数据无线传输 - 费用自动核算 - 栏杆控制” 的流程，实现车辆不停车快速通行，不仅能提升收费站通行效率（通行速度提升 3-5 倍），降低人工成本，还能减少车辆怠速等待时间，降低尾气排放，符合智能交通与绿色出行的发展趋势，适用于高速公路、城市快速路等各类收费场景，具有重要的实用价值与推广意义。

2. 核心硬件设计：模块选型与电路搭建

系统硬件以 STM32F407ZGT6 单片机为核心，分为收费站端（路侧单元 RSU）与车载端（车载单元 OBU）两部分，通过 RFID 射频模块实现数据交互，硬件模块选型与电路搭建如下：
STM32 核心模块选用 STM32F407ZGT6 最小系统板，该型号具备强大的数据处理能力与丰富外设，支持 SPI（连接 RFID 模块）、UART（连接通信模块）、GPIO（控制栏杆与指示灯），满足 ETC 收费系统的多任务处理需求。收费站端（RSU）硬件包括：RFID 射频模块（选用 RC522，支持 13.56MHz 高频通信，读取距离 0.1-0.5m，适配车载 RFID 标签）、LCD12864 显示屏（显示当前车辆车牌、收费金额、通行状态）、继电器驱动模块（控制道闸栏杆升降，采用 ULN2003 芯片驱动继电器，防止 STM32 端口过载）、蜂鸣器（收费成功 / 失败提示）、4G 通信模块（SIM868，将收费数据上传至云端管理平台）。
车载端（OBU）硬件包括：小型 RFID 标签（存储车辆 ID、车牌、绑定的支付账户信息，采用无源设计，无需额外供电）、STM32F103C8T6 最小系统板（精简版，用于与 RFID 模块通信，显示账户余额）、OLED 小屏（显示当前余额与收费状态）、纽扣电池（为 OBU 供电，低功耗模式下续航可达 1-2 年）。各模块电路中添加滤波电容（如 0.1μF 陶瓷电容）与防静电二极管，减少电磁干扰与静电损坏，收费站端采用 220V 转 12V 直流电源供电，经 LM1117-3.3V 稳压芯片为 STM32 与 RFID 模块提供稳定电压。

3. 软件设计与 RFID 通信实现

软件设计以 Keil MDK 为开发环境，采用模块化编程，包含收费站端程序、车载端程序、RFID 通信协议实现、收费逻辑处理程序，确保车辆识别、费用扣除、栏杆控制的全流程自动化。
收费站端程序：初始化 STM32 外设（SPI、UART、GPIO、定时器）与 RC522 RFID 模块（设置为 “读写模式”，配置通信频率 13.56MHz），LCD12864 显示 “等待车辆通行”；当车辆驶入识别区域，RC522 检测到车载 RFID 标签，通过 SPI 接口读取标签内的车辆 ID 与账户信息，传输至 STM32；STM32 调用收费逻辑程序，根据预设费率（如高速公路 0.5 元 / 公里，需提前存储路段里程数据）核算通行费用，通过 4G 模块与云端支付平台通信，验证账户余额并扣除对应费用；若扣费成功，STM32 输出高电平控制继电器吸合，道闸栏杆升起，蜂鸣器短鸣 2 声，LCD 显示 “收费成功，通行愉快”，同时记录收费时间、车辆 ID 等数据并上传云端；若余额不足，蜂鸣器长鸣，LCD 显示 “余额不足，无法通行”，栏杆保持关闭。
车载端程序：初始化 STM32F103 与 RFID 模块（设置为 “被动响应模式”），OLED 实时显示绑定账户余额；当接收到收费站 RC522 的读取指令时，主动发送标签内的车辆信息；扣费完成后，接收收费站反馈的扣费成功信号，更新 OLED 显示的余额数据；若扣费失败，接收 “余额不足” 提示信号，OLED 显示 “请充值后通行”。RFID 通信过程中采用 “数据加密 + 校验” 机制（如添加 CRC 校验位、AES 加密算法），防止车辆信息被篡改或泄露，确保收费安全。

4. 系统调试与性能测试

系统调试分为硬件调试、软件调试与场景模拟测试三部分，通过分步验证与实际场景测试，确保系统稳定、精准运行，具体流程如下：
硬件调试：单独测试各模块功能，收费站端给 RC522 通电，用示波器观察 SPI 通信信号，确认能正常读取车载 RFID 标签数据；测试道闸栏杆控制，STM32 输出控制信号后，继电器能准确吸合 / 断开，栏杆升降顺畅；车载端 OLED 能正常显示余额，RFID 标签在 0.3m 距离内可被稳定识别。软件调试：在 Keil MDK 中在线调试程序，单步运行观察 RFID 数据读取、费用核算、4G 数据上传的逻辑流程，修正程序中的费率计算错误、通信协议偏差（如 RC522 数据帧格式错误）等问题；模拟 “余额不足” 场景，验证系统是否能准确提示并禁止通行。
性能测试在模拟高速公路收费站场景（车道宽度 3.5m，车辆通行速度 0-60km/h）中进行，测试指标包括识别准确率、通行效率、收费精度：识别准确率测试中，100 辆搭载 OBU 的车辆依次通行，RC522 标签识别成功率达 99%，无漏识别或误识别；通行效率测试中，车辆以 30km/h 速度通过收费站，从识别到栏杆升起的平均耗时 0.8 秒，单车道小时通行量达 1200 辆，较人工收费提升 4 倍；收费精度测试中，模拟不同里程路段（10km、20km、50km），系统核算费用与实际应扣费用完全一致，无计算误差；连续运行 72 小时，系统未出现死机或数据丢失，4G 数据上传成功率 100%，稳定性良好。测试表明，该 ETC 收费系统在识别精度、通行效率与安全性上均达到设计目标。

5. 结语

基于 STM32 射频 RFID 的公路 ETC 收费系统，通过 STM32 的高效控制与 RFID 的非接触式通信，实现了车辆不停车快速收费，有效解决了传统人工收费的拥堵与低效问题，兼具通行效率高、收费精准、安全性强的优势，可广泛应用于高速公路、城市快速路、桥梁隧道等收费场景，为智能交通建设提供技术支撑。
然而，系统仍有改进空间：一是 RFID 识别距离较短（0.5m 内），可替换为超高频 RFID 模块（如 R2000，识别距离达 3-5m），允许车辆以更高速度（如 80km/h）通行；二是当前仅支持单一 4G 通信，可添加 WiFi/5G 模块，提升数据上传速度与偏远地区的通信稳定性；三是缺乏异常处理功能（如车辆识别失败后手动干预），未来可添加摄像头与车牌识别模块，当 RFID 识别失效时，自动切换为车牌识别收费，进一步提升系统鲁棒性。后续可围绕这些方向优化，推动系统向更智能、更可靠的方向发展。

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