智能ETC 一體化機柜的設計及應用

盛燦英SHENG Can-ying

（萬馬科技股份有限公司，杭州311300）

0 引言

全自動電子收費系統（ETC，Electronic Toll Collection），是智能交通系統的服務功能之一，通過車載電子標簽與在收費站ETC 車道上的微波天線之間進行的專用短程通訊，利用計算機聯網技術與銀行進行后臺結算處理，從而達到車輛通過高速公路或橋梁收費站無需停車而能交納高速公路或橋梁費用的目的。

2019 年兩會政府工作報告中，李克強總理提出要深化收費公路制度改革，兩年內基本取消全國高速公路省界收費站，實現不停車快捷收費，減少擁堵，便利群眾。目前交通運輸行業正在全力推進此項重大任務。

5 月16 日《深化收費公路制度改革取消高速公路省界收費站實施方案》，5 月下旬，交通部又印發了《關于大力推動高速公路ETC 發展應用工作的通知》，目前交通運輸行業正在全力推進此項重大任務；正在有序地進行升級改造，優先解決高速公路省界收費站，部署ETC 智能門架系統；其次解決高速公路出入口收費站，實現不停車快捷收費，減少擁堵。

因此ETC 電子不停車收費系統的軟硬件升級改造需求迫在眉睫，ETC 戶外一體化機柜應運而生。ETC 門架系統戶外一體化機柜簡稱ETC 戶外機柜，它主要為門架車道控制機、工業交換機、收費系統服務器等設備提供收納、并為門架設備提供可靠供電及后備電，保障ETC 整套系統的可靠運行。

ETC 戶外一體化機柜具有高度集成、模塊化設計、部署靈活維護方便、可獨立運行等優勢，集機柜、配電、空調、門禁、動環監控為一體，能達到實時監測，智能預警，智能門鎖，遠程門禁，防水防塵防曬防盜的目的。在保持柜體通用性的同時，提供了多種配置以滿足不同的場景進行應用，便于擴展和維護。

同時，ETC 戶外一體化機柜需適應各種復雜氣候環境：暴曬、防塵防水、防潮濕、防霉變、防鹽霧、防銹，要抗風、抗震。即使斷電、斷網也可以啟動備用電源本地顯示電流、電壓數據，保證系統正常運行。

隨著城市化進程的加快以及生活水平的提高，公共交通擁堵的情況急需解決。ETC 系統的需求將會有大幅的增長，ETC 戶外一體化機柜的需求量也會上漲。

1 智能ETC 一體化戶外機柜特點

①ETC 戶外一體化機柜具有高度集成、模塊化設計、部署靈活維護方便、可獨立運行等優勢。

②機柜集配電、空調、門禁、動環監控為一體，能達到實時監測，智能預警，智能門鎖，遠程門禁，防水防塵防曬防盜的目的。

③專屬定制設計，在保持柜體通用性的同時，提供了多種配置以滿足不同的場景進行應用，便于擴展和維護。

④防護設計，機柜能適應各種復雜氣候環境：暴曬、防塵防水、防潮濕、防霉變、防鹽霧、防銹，要抗風、抗震。即使斷電、斷網也可以啟動備用電源本地顯示電流、電壓數據，保證系統正常運行。

⑤功能設計，機柜內部包含嵌入式開關電源、逆變電源、鐵鋰電池、電源防雷、配電單元、動環監控、攝像單元、無水空調、風扇、照明燈及傳感器，機柜內單元采用標準19 英寸安裝、接線方便，每個單元均可獨立更換。

2 智能ETC 一體化戶外機柜簡介和主要材料

2.1 智能ETC 一體化戶外機柜簡介

①金屬框架的設計：單艙，機柜外尺寸2100×750×750。

圖1 產品方案示意圖

②設備空間19 英寸。

③工作溫度范圍-40℃~+85℃，工作濕度≤95%RH；機箱工作電壓范圍AC165~AC264V；防護等級符合IP55。

機柜柜體外部的板材采用厚度為大于等于1.5mm 的熱浸鋅板，熱浸鋅板焊接后須噴涂戶外粉。機柜內部配置監控模塊、電源模塊、無線模塊、集成電路及煙霧水浸預警模塊等。

2.2 主要原材料

優質鋼板、鋁合金型材、監控模塊、電源模塊、無線模塊、集成電路、塑料件等。所有原材料均符合國家環境標準要求，產品符合國家法律、法規相關要求。

3 智能ETC 一體化戶外機柜原理

3.1 智能ETC 一體化戶外機柜原理

3.1.1 主柜體

機柜內部包含嵌入式開關電源、逆變電源、100AH 48V 鐵鋰電池、電源防雷、配電單元、動環監控、攝像單元、無水空調、風扇、照明燈及傳感器，機柜內單元采用標準19 英寸安裝、接線方便，每個單元均可獨立更換。機柜適合戶外環境使用，具備防雨、防塵、通風散熱、抗紫外線（耐老化）、防盜、防銹；柜體具有明顯標識，表明機柜用途等；箱體大小根據配套設備的數量和尺寸來設計，并預留充足的空間，方便設備安裝和維護。工作溫度范圍-40℃~+85℃，工作濕度≤95%RH；機柜工作電壓范圍AC165~AC264V；防護等級符合IP55。

3.1.2 集中供電

柜內配備一個3U 配電單元，配電單元由1 路32A/2P市電輸入、1 路 32A/2P 油機輸入（帶互鎖）、1 路 B 級/2P 防雷器、2 路 32A/1P 和 4 路智能空開交流輸出、3 路 16A/1P直流輸出及銅牌組成配電單元來集中給設備供電。

3.1.3 不間斷逆變電源

柜內配可備兩臺1KVA 的不間斷逆變電源給設備供電，UPS 電源的特點：

①純正弦波輸出，零轉換時間，有效保證了負載不間斷運行的可靠性。②CPU 微處理器控制，逆變電源系統自診斷、自保護，大幅延長UPS 的使用壽命。③智能化管理，市電故障時可實現數據自動存儲。④蓄電池在線管理，大幅延長蓄電池壽命，保護用戶投資。⑤直流開機，無須市電可用蓄電池啟動UPS 及負荷機器。⑥全天候EMI/RFI 濾波器防止了雜訊導致的數據錯誤。⑦可搭配發電機使用，有效凈化發電機所產生的不良電力⑧采用SPWM 脈寬調制技術、IGBT 功率模塊，強力抗干擾，輸出波形純正。⑨充電速度快，長效機可提供約5-10A 的初始充電電流。⑩綠色環保電源，輸入功率因數高達95%以上，避免對電網的污染。

3.1.4 DC48V 100AH 磷酸鐵鋰電池組

根據高速公路的使用場景的高溫特性和設備的功耗，我們選用DC48V 100AH 磷酸鐵鋰電池電池，磷酸鐵鋰電池的特點：①磷酸鐵鋰電池的壽命長，循環壽命在2000 次以上。在同樣的條件下，磷酸鐵鋰電池可使用7 到8 年的時間。②使用安全。磷酸鐵鋰電池經過嚴格的安全測試。③充電快速。使用專用充電器，1.5C 充電40 分鐘即可以使電池充滿。④磷酸鐵鋰電池耐高溫，磷酸鐵鋰電池熱風值可以達到350 到500 攝氏度。⑤磷酸鐵鋰電池的容量大。⑥磷酸鐵鋰電池沒有記憶效應。⑦磷酸鐵鋰電池綠色環保，無毒，無污染，原材料來源廣泛，價格便宜。選用100AH 鐵鋰電池的依據：例如柜內設備總功耗為1000W，則換算成DC48V 直流工作電流為1000W÷48V=20.8A；100AH÷20.8A=4.8H；所以在市電停電的情況下，DC48V 100AH 的磷酸鐵鋰電池能為總功耗100W 的負載供電4.8 個小時左右，兩組配置可以滿足8小時備電需求。

3.1.5 動環監控

SM2500 智能動環監控單元通過外接DC48V 或者AC220V 供電，可以提供1 路10M/100M 以太網口；路GPRS+GPS 通信；1 路溫濕度測量；4 路通用模擬量測量（AI）；2 路交流電壓檢測；1 路蓄電池組總電壓測量；8 路數字量輸入（DI）；8 路數字量輸出（DO）；4 路串口（包括 8路RS485 串口和2 路RS232 串口）等功能。①柜內狀態檢測功能：? 溫濕度檢測：配備溫濕度傳感器，實時采集本地顯示溫濕度，并上傳柜內溫濕度情況；柜內溫度過高上傳高溫告警。? 柜門狀態檢測：實時檢測柜門狀態，柜門非法打開告警；柜門開啟后，上報開門告警警。? 煙霧狀態檢測：實時檢測柜內是否有煙霧，當柜內有煙霧是，上傳煙霧告警。? 水浸狀態檢測：實時檢測柜內是否有進水，當柜內有進水是，上傳水浸告警。②箱內設備檢測功能：? 防雷器狀態檢測：實時檢測防雷器好壞狀態，?220V 強電檢測監測：實時監測并上傳電壓狀態，當市電斷電時，上傳市電斷電告警。? 電池組檢測監測：實時監測并上傳電壓狀態，當電池組電壓過低時，上傳電池組電壓過低告警。? 設備狀態檢測：通過RS485 或RS232 讀取4 路設備的數據，并將數據上傳給數據中心。③遠程控制功能：? 溫控控制：可遠程控制無水空調啟停。? 風扇控制：可遠程控制風扇啟停。? 照明燈控制：可遠程控制照明燈開關。? 斷路器控制：可實現遠程斷電重啟。? 復位控制：可遠程控制系統復位。詳見“圖2 智能ETC 一體化戶外機柜的監控解決方案”。

圖2 智能ETC 一體化戶外機柜的監控解決方案

3.1.6 節能型直流無水變頻空調

該產品是一款DC48V，1000W 制冷量的空調，采用智能控制器根據環境溫度的變化而自動檢測、自動運行，并記錄整個系統的運行時間、功耗、事件及歷史數據，數據可存儲100 條事件信息、1280 條歷史數據記錄、可查詢256天的日志信息。無水空調特點：①空調制冷所產生的冷凝水，利用獨特設計把水引到冷凝器上，利用冷凝器的熱量將水消耗完全，無需排水可達到“自產自消”的效果，同時、低溫的令凝水有效降低空調負荷，壓縮機運作電流下降，實現節能目的。②構思新穎，整體技術設計先進，從機械到硬件，從控制到云平臺，都遠遠超越同行，制冷系統合理的設計，電氣元件的選配，打水系統部分完美的設計，合理并簡易安裝方式等設計，既可以對設備制冷降溫，又不需要排冷凝水，適用于任何場所，解決了所有排水困難問題，在附圖結構可以看出，設計精巧，部件協調良好，配合電信電力行業機柜使用防水等級均達到IP55 以上?、圩詭Ц山狱c告警輸出與RS485 通信接口。④系統設計有高/低溫保護，使用更安全。

3.2 智能ETC 一體化戶外機柜解決方案

機柜內部安裝有溫、濕度探測裝置，能夠智能監測機柜設備艙內環境溫度和濕，并將監測到的溫度和濕度值實時顯示在動環監控的屏幕上。動環監控：可通過遠程控制功能的可以進行遠程設置以及監測柜內工況。門禁功能：機柜內部安裝有電子鎖，具有操作柜內設備權限的管理員可以通過輸入密碼或刷卡的方式打開電子鎖取消門禁，不具備該權限的人員將無法打開柜門。同時智能機柜還具備防入侵告警功能，機柜會檢測柜門狀態并實時顯示在屏幕上，用戶也可以通過網絡在遠程監控柜門狀態。首先我們要了解什么是智能機柜，智能機柜相比于普通機柜主要以下幾種功能，溫濕度監控：

機房專用空調機組應能提供多種送風及回風方式，包括上送風、下送風等多種方式。機房專用空調機組的送風余壓應不小于75Pa，并可根據設計需要提供更高余壓。提高機組送風余壓應不減少機組的送風量。機房專用空調機組應為系列產品，滿足不同工況和負荷下的應用。機房專用空調機組的另配件規格統一或成為系列，并易于更換。

智能電池管理系統除了電池電壓、電流、溫度等基本參量，還可以實時監控電池的SOC&SOH 狀態（SOH：State of Health，SOC：State of Charge），通過這些參數的收集，智能電池管理系統可以提供電池備電時間告警、落后單體替換告警等功能來延長電池組壽命以及避免站點的非正常掉電。

4 智能ETC 一體化戶外機柜的主要內容、技術關鍵點

4.1 項目主要研究開發內容

①機柜整體外觀的設計，做到防盜加固，外部無可利用拆裝點。②機柜內部空間排布方案的設計，做到操作便利，設備接線布局合理。③機柜所需滿足的功能及方案的設計，做到功能設計合理，可靠實用。④設計技術參數包括：1）金屬框架結構設計：單艙，機柜外尺寸2100×750×750。柜體采用1.5mm 優質鍍鋅板，頂蓋底座采用2.0mm 優質鍍鋅板。2）設備空間39U，19 英寸。3）機柜配置配電、空調、門禁、動環監控、油機插座、監控攝像等達到實時監測的功能智能預警。4）防護等級滿足IP55。5）設備運行環境要求：-40°~+85°，海拔高度：≤2000m。

4.2 產品技術關鍵點

①室外機柜采用隔熱型機柜，隔熱層材料采用導熱系數小于0.035W/m·K 的材料。②室外機柜的性能要求應符合YD/T1537-2006《通信系統用室外機柜一般要求》。③機柜板材的抗彎曲性能（剛度）要求：鍍鋅板彎曲180 后，外側表面不得有鋅層脫離，板基不得有龜裂及斷裂。④防護等級滿足IP55，確保機柜內的設備能在惡劣的戶外環境下穩定運行。⑤機柜內各設備可通過網絡遠程管理，線上智能預警，遠程控制設備。⑥機柜的主體結構及所有相關連接件的抗震能力應能滿足設防烈度7 度的抗震要求。

5 環境保護及消防安全

本項目生產過程中沒有“三廢”，不會對周圍環境造成影響，生活污水排入城市污水管道。

6 參照標準

YD/T 1537-2006 通信系統用戶外機柜一般要求；

YD/T 5186-2010 通信系統用室外機柜安裝設計規定；

GB/T 15395-1994 電子設備機柜通用技術條件。

7 結束語

目前交通運輸行業正在全力推進高速公路ETC 發展應用工作；各地正在有序地進行升級改造，優先解決高速公路省界收費站，部署ETC 智能門架系統；其次解決高速公路出入口收費站，實現不停車快捷收費，減少擁堵。因此ETC 系統的需求將會有大幅的增長，ETC 戶外一體化機柜的設計將會對ETC 系統的發展成為不可缺的應用。