基于電子標簽技術實現多義性路徑識別系統的應用方案

作者：鄧洪波;張遠見;李宇輝;浦江;刁穗東

隨著我國經濟的高速發展，高速公路的建設需求也越來越大。由于投資巨大，單靠國家的投入有時不能及時解決經濟發展與高速公路建設的矛盾，在東南沿海某些省份，往往采用國家建設和私人投資相結合，收益按比例分配的方式。這種方式雖然解決了建設需求，但隨著高速公路建設的網絡化發展，汽車在公路網絡行駛的不確定性，使利益分配變得越來越困難。例如：某省內有1000多條高速公路，分屬幾百個業主，其收費是按車主在高速公路行駛的最短路徑進行，但在利益分帳時卻很難，因為如果在每個屬不同業主的路段設收費站，投資巨大，也會影響高速公路的效率。如果按投資的比例進行分配，不同道路的行車流量又不能完全等同，因此這種分帳方式也有失公平。正是基于這種情況，我們開發了基于RFID的多義性路徑識別系統，利用RFID技術，自動收集汽車在高速公路的行車路線，作為業主利益分配的依據。

系統功能與組成

該系統由RFID有源電子標簽技術，以及配套的標識站和標簽讀出設備組成?？紤]到高速公路現有的IC卡系統，為了減少資源浪費，本標簽的功能除了實現收集汽車的行車路線，還包含了原有IC卡的功能，也就是雙卡合一。在充分了解用戶的需求后，系統設計了如下的主要服務功能：

·入口MTC發卡

司機在路網MTC入口車道處，領取一張二合一的“RFID電子標簽＋IC卡”。系統利用現有的MTC車道IC卡讀寫器，向IC卡中寫入入口信息，并由司機攜帶上路。

·標識站ETC自動讀寫

車輛行駛至具有標識站的ETC標識車道（多車道自由流方式），安裝于ETC標識車道的天線基站控制系統會自動喚醒RFID電子標簽，并實時向RFID標簽中寫入本標識站信息。

·出口MTC刷卡收費

車輛行駛至路網MTC出口車道，司機把“RFID電子標簽 IC卡”交回給收費員，由收費員利用現有MTC車道系統的IC卡讀寫器，對多功能IC卡進行讀寫操作完成計費及收費，并把通過一個近距離的RFID讀寫設備，把RFID電子標簽中的標識站信息讀出，然后由車道系統組合到本次交易流水中去，再定時傳送至結算中心后臺進行分賬。

由以上功能可以看出，系統主要由電子標簽、發射裝置和讀卡器三部分組成（如圖1）。

圖1 系統組成

系統硬件實現

從技術指標上看，其硬件設計的難點在于電子標簽的功耗控制以及雙卡合一的設計。這里重點介紹電子標簽。

圖2 電子標簽原理框圖

電子標簽由喚醒電路、MCU、電池、天線和RF模塊組成（圖2）。其工作原理為：平時電子標簽處于休眠狀態，當到達路邊發射設備標識的有效區域，喚醒電路喚醒MCU，然后由MCU喚醒RF模塊，進入接收狀態，當接收到正確編碼后，MCU使RF模塊休眠， MCU延時（1.6s-接收時間）后進入休眠模式（防止重復喚醒）。當到達讀卡器有效區域時，喚醒電路再度喚醒MCU，MCU喚醒RF模塊，電子標簽進入發射狀態，把接收到路邊設備的標識信息發送給讀卡器，在收到讀卡器的確認信息后，內存信息回零，又進入休眠狀態。其中讀卡器整合了高速公路原有IC卡和作標識用的讀卡器，這樣在發卡和讀卡時，實際上是兩套系統同時工作。

其中，RF模塊在接收時可看成是一個傳統的超外差接收器。RF輸入信號經低噪聲放大器（LNA）放大后翻轉進入混頻器，通過混頻器混頻產生中頻IF信號，在中頻處理階段，該信號在送入解調器之前被放大和濾波。解調后，從引腳 D1輸出解調數字信號，解調信號的同步性由P1提供的時鐘信號完成。在發送模式下，頻率合成器輸出信號直接送入功率放大器（PA），采用FSK調制。其中，D1、D2為數據接口，P1、P2和P3為配置接口。配置主要確定工作頻率，功率，數據結構等。

為了保證標簽電池能夠使用5年，MCU采用了業界最低功耗的MSP430單片機。該單片機休眠模式三時，功耗僅為1mA，2MHz工作時為400mA，喚醒電路功耗在5mA，再加上其它電路，靜態功耗為7mA，工作時接收功耗為7.8mA，發射功耗為 12.4mA， 根據實際最大使用次數計算，一天總耗電為：0.1694 mAh，如果用560mAh的電池可以用9年。滿足系統指標的要求。

路邊設備硬件框圖如圖3。

圖3 路邊設備框圖

考慮到開發速度和整體成本，路邊設備的MCU和RF模塊與電子標簽相同。其中功放是為了保證系統的有效距離，濾波器主要是為了防止干擾。

讀卡器的硬件設計與電子標簽的設計類似，只是軟件不同。

系統軟件設計

根據系統要求，在讀卡器對電子標簽讀取標識數據時，讀卡器先發喚醒信號，然后進入接收模式，如果15ms內接收到信息，則給出蜂鳴聲；沒有接收到信號，則再次發射喚醒信號，循環工作。

電子標簽平時處于休眠狀態，當喚醒電路接收到433MHz射頻信號時，向MCU發出喚醒信號，MCU被喚醒，立即喚醒RF模塊，進入接收狀態，檢測RF模塊有無信號，如無信號，標識電池電量不足。接收到正確信號后，MCU關閉RF模塊，使其進入休眠狀態，并關閉喚醒電路，設定8s延時，防止在同一標識區重復喚醒，MCU進入休眠狀態，定時喚醒后，MCU打開喚醒電路，進入下一次接收狀態。當1s內接收到喚醒信號，則再設10分鐘延時，關閉喚醒電路，防止在同一標識區重復喚醒，在此期間MCU和RFID處于休眠狀態。然后進入接收狀態。流程圖如圖4。

圖4 電子標簽軟件流程圖

說明：休眠狀態A—喚醒電路開，RF模塊和MCU休眠，MCU定時器關閉；

休眠狀態B—喚醒電路關，RF模塊和MCU休眠，MCU定時器開。

結語

本系統是根據國內東南沿海某省實際需求進行開發的，2006年初已經在北京的測試場通過測試，第一階段的研發圓滿完成，現已進入生產型開發。該省一期投入將達到幾十萬套標簽。

責任編輯：gt