基于电子标签技术实现多义性路径识别系统的应用方案

作者：邓洪波;张远见;李宇辉;浦江;刁穗东

随着我国经济的高速发展，高速公路的建设需求也越来越大。由于投资巨大，单靠国家的投入有时不能及时解决经济发展与高速公路建设的矛盾，在东南沿海某些省份，往往采用国家建设和私人投资相结合，收益按比例分配的方式。这种方式虽然解决了建设需求，但随着高速公路建设的网络化发展，汽车在公路网络行驶的不确定性，使利益分配变得越来越困难。例如：某省内有1000多条高速公路，分属几百个业主，其收费是按车主在高速公路行驶的最短路径进行，但在利益分帐时却很难，因为如果在每个属不同业主的路段设收费站，投资巨大，也会影响高速公路的效率。如果按投资的比例进行分配，不同道路的行车流量又不能完全等同，因此这种分帐方式也有失公平。正是基于这种情况，我们开发了基于RFID的多义性路径识别系统，利用RFID技术，自动收集汽车在高速公路的行车路线，作为业主利益分配的依据。

系统功能与组成

该系统由RFID有源电子标签技术，以及配套的标识站和标签读出设备组成。考虑到高速公路现有的IC卡系统，为了减少资源浪费，本标签的功能除了实现收集汽车的行车路线，还包含了原有IC卡的功能，也就是双卡合一。在充分了解用户的需求后，系统设计了如下的主要服务功能：

·入口MTC发卡

司机在路网MTC入口车道处，领取一张二合一的“RFID电子标签＋IC卡”。系统利用现有的MTC车道IC卡读写器，向IC卡中写入入口信息，并由司机携带上路。

·标识站ETC自动读写

车辆行驶至具有标识站的ETC标识车道（多车道自由流方式），安装于ETC标识车道的天线基站控制系统会自动唤醒RFID电子标签，并实时向RFID标签中写入本标识站信息。

·出口MTC刷卡收费

车辆行驶至路网MTC出口车道，司机把“RFID电子标签 IC卡”交回给收费员，由收费员利用现有MTC车道系统的IC卡读写器，对多功能IC卡进行读写操作完成计费及收费，并把通过一个近距离的RFID读写设备，把RFID电子标签中的标识站信息读出，然后由车道系统组合到本次交易流水中去，再定时传送至结算中心后台进行分账。

由以上功能可以看出，系统主要由电子标签、发射装置和读卡器三部分组成（如图1）。

图1 系统组成

系统硬件实现

从技术指标上看，其硬件设计的难点在于电子标签的功耗控制以及双卡合一的设计。这里重点介绍电子标签。

图2 电子标签原理框图

电子标签由唤醒电路、MCU、电池、天线和RF模块组成（图2）。其工作原理为：平时电子标签处于休眠状态，当到达路边发射设备标识的有效区域，唤醒电路唤醒MCU，然后由MCU唤醒RF模块，进入接收状态，当接收到正确编码后，MCU使RF模块休眠， MCU延时（1.6s-接收时间）后进入休眠模式（防止重复唤醒）。当到达读卡器有效区域时，唤醒电路再度唤醒MCU，MCU唤醒RF模块，电子标签进入发射状态，把接收到路边设备的标识信息发送给读卡器，在收到读卡器的确认信息后，内存信息回零，又进入休眠状态。其中读卡器整合了高速公路原有IC卡和作标识用的读卡器，这样在发卡和读卡时，实际上是两套系统同时工作。

其中，RF模块在接收时可看成是一个传统的超外差接收器。RF输入信号经低噪声放大器（LNA）放大后翻转进入混频器，通过混频器混频产生中频IF信号，在中频处理阶段，该信号在送入解调器之前被放大和滤波。解调后，从引脚 D1输出解调数字信号，解调信号的同步性由P1提供的时钟信号完成。在发送模式下，频率合成器输出信号直接送入功率放大器（PA），采用FSK调制。其中，D1、D2为数据接口，P1、P2和P3为配置接口。配置主要确定工作频率，功率，数据结构等。

为了保证标签电池能够使用5年，MCU采用了业界最低功耗的MSP430单片机。该单片机休眠模式三时，功耗仅为1mA，2MHz工作时为400mA，唤醒电路功耗在5mA，再加上其它电路，静态功耗为7mA，工作时接收功耗为7.8mA，发射功耗为 12.4mA， 根据实际最大使用次数计算，一天总耗电为：0.1694 mAh，如果用560mAh的电池可以用9年。满足系统指标的要求。

路边设备硬件框图如图3。

图3 路边设备框图

考虑到开发速度和整体成本，路边设备的MCU和RF模块与电子标签相同。其中功放是为了保证系统的有效距离，滤波器主要是为了防止干扰。

读卡器的硬件设计与电子标签的设计类似，只是软件不同。

系统软件设计

根据系统要求，在读卡器对电子标签读取标识数据时，读卡器先发唤醒信号，然后进入接收模式，如果15ms内接收到信息，则给出蜂鸣声；没有接收到信号，则再次发射唤醒信号，循环工作。

电子标签平时处于休眠状态，当唤醒电路接收到433MHz射频信号时，向MCU发出唤醒信号，MCU被唤醒，立即唤醒RF模块，进入接收状态，检测RF模块有无信号，如无信号，标识电池电量不足。接收到正确信号后，MCU关闭RF模块，使其进入休眠状态，并关闭唤醒电路，设定8s延时，防止在同一标识区重复唤醒，MCU进入休眠状态，定时唤醒后，MCU打开唤醒电路，进入下一次接收状态。当1s内接收到唤醒信号，则再设10分钟延时，关闭唤醒电路，防止在同一标识区重复唤醒，在此期间MCU和RFID处于休眠状态。然后进入接收状态。流程图如图4。

图4 电子标签软件流程图

说明：休眠状态A—唤醒电路开，RF模块和MCU休眠，MCU定时器关闭；

休眠状态B—唤醒电路关，RF模块和MCU休眠，MCU定时器开。

结语

本系统是根据国内东南沿海某省实际需求进行开发的，2006年初已经在北京的测试场通过测试，第一阶段的研发圆满完成，现已进入生产型开发。该省一期投入将达到几十万套标签。

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