RFID(Radio Frequency Identification；無線射頻識(shí)別)技術(shù)有非接觸、閱讀速度快、閱讀信息量大、可讀可寫、識(shí)別率極高、不受環(huán)境的影響、便于調(diào)試和安裝、保密性強(qiáng)、無磨損、壽命長(zhǎng)、能同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。將RFID應(yīng)用于車輛的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)是十分理想的。
在國(guó)外RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于高速公路的車輛不停車自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)。山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃將在原有基礎(chǔ)上增加2 110 km，2009年高速公路建設(shè)里程將超2 000 km。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及2009年經(jīng)濟(jì)危機(jī)背景下發(fā)布的汽車工業(yè)發(fā)展計(jì)劃，車輛保有量出現(xiàn)了飛速的增長(zhǎng)，也推動(dòng)了我省的高速公路發(fā)展。與此同時(shí)，原有的以人工為主的收費(fèi)系統(tǒng)因?yàn)樾实拖拢饾u無法適應(yīng)當(dāng)前的狀況。基于射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)為解決這一矛盾提供了可能。本文提出了一種基于nRf2401無線收發(fā)芯片的ETC系統(tǒng)。
1 硬件設(shè)計(jì)
考慮到安全，車輛通過收費(fèi)口時(shí)車速時(shí)速不應(yīng)超過60 km／h。本系統(tǒng)采用的無線收發(fā)模塊通信距離為30 m，則總的通信時(shí)間應(yīng)控制在1．8 S以內(nèi)。考慮到環(huán)境干擾等因素，應(yīng)將總的通信時(shí)間控制在1 S以內(nèi)。識(shí)別率為99．9 。
1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)分為讀寫器、上位機(jī)及電子標(biāo)簽三部分。電子標(biāo)簽安置在車輛前檔風(fēng)玻璃下，讀寫器安裝在收費(fèi)口外側(cè)，共兩個(gè)。上位機(jī)安裝在高速入口原收費(fèi)崗內(nèi)，便于保護(hù)貴重的電腦系統(tǒng)。讀寫器和電子標(biāo)簽8O 硬件電路相同，可以減少開發(fā)費(fèi)用、降低生產(chǎn)成本。如圖1所示：
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1．2 電子標(biāo)簽硬件設(shè)計(jì)
無線通信采用nRF2401單片射頻收發(fā)芯片，工作頻率2．4 GHz ISM 頻段。芯片能耗非常低，以0．032 mW 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有l(wèi)O．5 mA，接收時(shí)工作電流只有18 mA，其DuoCeiverTM 技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。
nRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。
控制器采用AT89S52，TQFP封裝。At89s52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程FLASH。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。在休眠狀態(tài)，單片機(jī)僅消耗5OμA的電流，可以大幅延長(zhǎng)標(biāo)簽內(nèi)部電池壽命。標(biāo)簽電源采用CR2032電池，屬3 V扣式鋰錳電池，CR這電池的國(guó)際IEC編號(hào)，2O代表此款電池的直徑是20 mm，32代表此款電池的厚度為3．2mm。標(biāo)稱電壓為3．0 V，額定容量為220 mAh。一枚CR2032可以使電子標(biāo)簽最長(zhǎng)工作0．5年。
1．3 讀寫器硬件設(shè)計(jì)
無線通信部分采用nRF2401；控制器部分采用AT89S52。硬件電路與電子標(biāo)簽相同。讀寫器包含RS232通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，傳送車輛信息。當(dāng)上位機(jī)與讀寫器無法通信時(shí)，車輛信息會(huì)臨時(shí)儲(chǔ)存在讀寫器中。電源包括220 V交流和鋰電池，220 V整流穩(wěn)壓后為電路提供電能，當(dāng)220 V 電源不可用時(shí)，由鋰電池繼續(xù)供電維持讀寫器工作。
2 系統(tǒng)工作流程
高速入口：
(1)讀寫器會(huì)不停的向周圍發(fā)射詢問信號(hào)。當(dāng)有車輛進(jìn)入外側(cè)讀寫器信號(hào)覆蓋范圍，車上的電子標(biāo)簽會(huì)被詢問信號(hào)喚醒。
(2)標(biāo)簽向讀寫器發(fā)出握手信號(hào)，提出通信申請(qǐng)。握手信號(hào)中包含電子標(biāo)簽擁有的唯一的ID號(hào)。讀寫器接受握手信號(hào)后，向電子標(biāo)簽發(fā)出確認(rèn)握手信號(hào)。在接收到確認(rèn)握手信號(hào)前，標(biāo)簽將會(huì)不斷發(fā)射握手信號(hào)。
(3)電子標(biāo)簽接受到握手信號(hào)后，向讀寫器發(fā)出請(qǐng)求認(rèn)證信號(hào)，包含加密信息。讀寫器接受到請(qǐng)求認(rèn)證信號(hào)后，如加密信息確認(rèn)，則發(fā)送認(rèn)證完成信號(hào)給電子標(biāo)簽，信號(hào)中包含高速路口代碼和當(dāng)前時(shí)間。如加密信息沒有確認(rèn)，讀寫器將返回錯(cuò)誤信號(hào)給電子標(biāo)簽。
(4)讀寫器向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，上位機(jī)將此時(shí)的時(shí)間及高速人口代碼存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。
(5)電子標(biāo)簽接受到認(rèn)證完成信號(hào)后，將當(dāng)前時(shí)間和高速人LI代碼記錄進(jìn)存儲(chǔ)器。若接受到錯(cuò)誤信號(hào)，標(biāo)簽會(huì)再次發(fā)送認(rèn)證信號(hào)。
高速出口：
(1)～(2)與入口流程相同。
(3)標(biāo)簽向讀寫器發(fā)出握手信號(hào)，提出通信申請(qǐng)。握手信號(hào)中包含電子標(biāo)簽擁有的唯一的ID號(hào)和標(biāo)簽存儲(chǔ)的人口時(shí)間和人口代碼。讀寫器接受握手信號(hào)后，向電子標(biāo)簽發(fā)出確認(rèn)握手信號(hào)。在接收到確認(rèn)握手信號(hào)前，標(biāo)簽將會(huì)不斷發(fā)射握手信號(hào)。
(4)標(biāo)簽收到確認(rèn)握手信號(hào)，將入口信息清空。
(5)讀寫器將人口時(shí)間和代碼發(fā)送給上位機(jī)。
(6)上位機(jī)通過與當(dāng)前出口代碼比較，計(jì)算出兩個(gè)路口之間的距離并計(jì)算出相應(yīng)費(fèi)用。
(6)人工收費(fèi)后，開啟橫桿放行車輛。
3 關(guān)鍵技術(shù)
3．1 車輛識(shí)別技術(shù)
nRF2401具有發(fā)射功率可調(diào)功能。當(dāng)讀寫器發(fā)射功率為0．1 mW ，試驗(yàn)證明可以在10 m范圍內(nèi)檢測(cè)到車輛上的電子標(biāo)簽。在出人口設(shè)置2個(gè)讀寫器，讀寫器相距20 m。在讀寫器中間設(shè)置微波感應(yīng)器。當(dāng)兩個(gè)讀寫器同時(shí)檢測(cè)到同一個(gè)電子標(biāo)簽，且微波感應(yīng)器感應(yīng)到車輛，則系統(tǒng)判斷出一個(gè)車輛正在通過出入口。這樣保證車輛通過時(shí)能正確識(shí)別車輛。如圖2所示：
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3．2 信息加密技術(shù)
為保證通信信息在傳輸中的安全性，防止信息被篡改和偽造，信息在傳輸過程中進(jìn)行了加密處理。讀寫器和電子標(biāo)簽首次通信采用明碼，確認(rèn)對(duì)方存在。然后由讀寫器發(fā)送一串加密的隨機(jī)數(shù)給電子標(biāo)簽，標(biāo)簽解密后重新加密再發(fā)送給讀寫器，若讀寫器判斷解密后的數(shù)字與隨機(jī)數(shù)相同，則握手成功，此后電子標(biāo)簽和讀寫器之間的通信數(shù)據(jù)全部加密；若不相同則停止與這個(gè)電子標(biāo)簽通信，ID列入黑名單。
4 結(jié)論
通過試驗(yàn)，本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。試驗(yàn)2O次，識(shí)別成功20次，成功率100 。試驗(yàn)到5O次，識(shí)別成功49次，成功率98％。該系統(tǒng)可以有效解決高速公路收費(fèi)堵車的問題，實(shí)現(xiàn)了無人值守不停車自動(dòng)收費(fèi)，提高收費(fèi)工作的效率。
(文/山西大學(xué)工程學(xué)院，王曉峰，張致恒，張 波，李紹唐)
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