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RFID(Radio Frequency Identification；無線射頻識別)技術(shù)有非接觸、閱讀速度快、閱讀信息量大、可讀可寫、識別率極高、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、能同時識別多個目標(biāo)等特點和優(yōu)勢。將RFID應(yīng)用于車輛的自動收費系統(tǒng)是十分理想的。 在國外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收費系統(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)展計劃，車輛保有量出現(xiàn)了飛速的增長，也推動了我省的高速公路發(fā)展。與此同時，原有的以人工為主的收費系統(tǒng)因為效率低下，逐漸無法適應(yīng)當(dāng)前的狀況。基于射頻識別(RFID)技術(shù)的自動收費系統(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 考慮到安全，車輛通過收費口時車速時速不應(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)將總的通信時間控制在1 S以內(nèi)。識別率為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，讀寫器安裝在收費口外側(cè)，共兩個。上位機(jī)安裝在高速入口原收費崗內(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)費用、降低生產(chǎn)成本。如圖1所示： 1．2 電子標(biāo)簽硬件設(shè)計 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，工作電流只有l(wèi)O．5 mA，接收時工作電流只有18 mA，其DuoCeiverTM 技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(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這電池的國際IEC編號，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)簽最長工作0．5年。 1．3 讀寫器硬件設(shè)計 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，車輛信息會臨時儲存在讀寫器中。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，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)讀寫器會不停的向周圍發(fā)射詢問信號。當(dāng)有車輛進(jìn)入外側(cè)讀寫器信號覆蓋范圍，車上的電子標(biāo)簽會被詢問信號喚醒。 (2)標(biāo)簽向讀寫器發(fā)出握手信號，提出通信申請。握手信號中包含電子標(biāo)簽擁有的唯一的ID號。讀寫器接受握手信號后，向電子標(biāo)簽發(fā)出確認(rèn)握手信號。在接收到確認(rèn)握手信號前，標(biāo)簽將會不斷發(fā)射握手信號。 (3)電子標(biāo)簽接受到握手信號后，向讀寫器發(fā)出請求認(rèn)證信號，包含加密信息。讀寫器接受到請求認(rèn)證信號后，如加密信息確認(rèn)，則發(fā)送認(rèn)證完成信號給電子標(biāo)簽，信號中包含高速路口代碼和當(dāng)前時間。如加密信息沒有確認(rèn)，讀寫器將返回錯誤信號給電子標(biāo)簽。 (4)讀寫器向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號，上位機(jī)將此時的時間及高速人口代碼存儲進(jìn)數(shù)據(jù)庫。 (5)電子標(biāo)簽接受到認(rèn)證完成信號后，將當(dāng)前時間和高速人LI代碼記錄進(jìn)存儲器。若接受到錯誤信號，標(biāo)簽會再次發(fā)送認(rèn)證信號。 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，提出通信申請。握手信號中包含電子標(biāo)簽擁有的唯一的ID號和標(biāo)簽存儲的人口時間和人口代碼。讀寫器接受握手信號后，向電子標(biāo)簽發(fā)出確認(rèn)握手信號。在接收到確認(rèn)握手信號前，標(biāo)簽將會不斷發(fā)射握手信號。 (4)標(biāo)簽收到確認(rèn)握手信號，將入口信息清空。 (5)讀寫器將人口時間和代碼發(fā)送給上位機(jī)。 (6)上位機(jī)通過與當(dāng)前出口代碼比較，計算出兩個路口之間的距離并計算出相應(yīng)費用。 (6)人工收費后，開啟橫桿放行車輛。 3 關(guān)鍵技術(shù) 3．1 車輛識別技術(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 ，試驗證明可以在10 m范圍內(nèi)檢測到車輛上的電子標(biāo)簽。在出人口設(shè)置2個讀寫器，讀寫器相距20 m。在讀寫器中間設(shè)置微波感應(yīng)器。當(dāng)兩個讀寫器同時檢測到同一個電子標(biāo)簽，且微波感應(yīng)器感應(yīng)到車輛，則系統(tǒng)判斷出一個車輛正在通過出入口。這樣保證車輛通過時能正確識別車輛。如圖2所示： 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電子標(biāo)簽通信，ID列入黑名單。 4 結(jié)論 通過試驗，本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。試驗2O次，識別成功20次，成功率100 。試驗到5O次，識別成功49次，成功率98％。該系統(tǒng)可以有效解決高速公路收費堵車的問題，實現(xiàn)了無人值守不停車自動收費，提高收費工作的效率。 |
