前言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高速公路的建設(shè)需求也越來越大。由于投資巨大，單靠國(guó)家的投入有時(shí)不能及時(shí)解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與高速公路建設(shè)的矛盾，在東南沿海某些省份，往往采用國(guó)家建設(shè)和私人投資相結(jié)合，收益按比例分配的方式。這種方式雖然解決了建設(shè)需求，但隨著高速公路建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，汽車在公路網(wǎng)絡(luò)行駛的不確定性，使利益分配變得越來越困難。例如：某省內(nèi)有1000多條高速公路，分屬幾百個(gè)業(yè)主，其收費(fèi)是按車主在高速公路行駛的最短路徑進(jìn)行，但在利益分帳時(shí)卻很難，因?yàn)槿绻诿總€(gè)屬不同業(yè)主的路段設(shè)收費(fèi)站，投資巨大，也會(huì)影響高速公路的效率。如果按投資的比例進(jìn)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(fā)了基于RFID的多義性路徑識(shí)別系統(tǒng)，利用RFID技術(shù)，自動(dòng)收集汽車在高速公路的行車路線，作為業(yè)主利益分配的依據(jù)。
系統(tǒng)功能與組成
該系統(tǒng)由RFID有源電子標(biāo)簽技術(shù)，以及配套的標(biāo)識(shí)站和標(biāo)簽讀出設(shè)備組成。考慮到高速公路現(xiàn)有的IC卡系統(tǒng)，為了減少資源浪費(fèi)，本標(biāo)簽的功能除了實(shí)現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計(jì)了如下的主要服務(wù)功能：
·入口MTC發(fā)卡
司機(jī)在路網(wǎng)MTC入口車道處，領(lǐng)取一張二合一的“RFID電子標(biāo)簽＋I(xiàn)C卡”。系統(tǒng)利用現(xiàn)有的MTC車道IC卡讀寫器，向IC卡中寫入入口信息，并由司機(jī)攜帶上路。
·標(biāo)識(shí)站ETC自動(dòng)讀寫
車輛行駛至具有標(biāo)識(shí)站的ETC標(biāo)識(shí)車道(多車道自由流方式)，安裝于ETC標(biāo)識(shí)車道的天線基站控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)喚醒RFID電子標(biāo)簽，并實(shí)時(shí)向RFID標(biāo)簽中寫入本標(biāo)識(shí)站信息。
·出口MTC刷卡收費(fèi)
車輛行駛至路網(wǎng)MTC出口車道，司機(jī)把“RFID電子標(biāo)簽 IC卡”交回給收費(fèi)員，由收費(fèi)員利用現(xiàn)有MTC車道系統(tǒng)的IC卡讀寫器，對(duì)多功能IC卡進(jìn)行讀寫操作完成計(jì)費(fèi)及收費(fèi)，并把通過一個(gè)近距離的RFID讀寫設(shè)備，把RFID電子標(biāo)簽中的標(biāo)識(shí)站信息讀出，然后由車道系統(tǒng)組合到本次交易流水中去，再定時(shí)傳送至結(jié)算中心后臺(tái)進(jìn)行分賬。
由以上功能可以看出，系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、發(fā)射裝置和讀卡器三部分組成(如圖1)。
圖1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
從技術(shù)指標(biāo)上看，其硬件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于電子標(biāo)簽的功耗控制以及雙卡合一的設(shè)計(jì)。這里重點(diǎn)介紹電子標(biāo)簽。
圖2 電子標(biāo)簽原理框圖
電子標(biāo)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(shí)電子標(biāo)簽處于休眠狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)路邊發(fā)射設(shè)備標(biāo)識(shí)的有效區(qū)域，喚醒電路喚醒MCU，然后由MCU喚醒RF模塊，進(jìn)入接收狀態(tài)，當(dāng)接收到正確編碼后，MCU使RF模塊休眠， MCU延時(shí)(1.6s-接收時(shí)間)后進(jìn)入休眠模式(防止重復(fù)喚醒)。當(dāng)?shù)竭_(dá)讀卡器有效區(qū)域時(shí)，喚醒電路再度喚醒MCU，MCU喚醒RF模塊，電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，把接收到路邊設(shè)備的標(biāo)識(shí)信息發(fā)送給讀卡器，在收到讀卡器的確認(rèn)信息后，內(nèi)存信息回零，又進(jìn)入休眠狀態(tài)。其中讀卡器整合了高速公路原有IC卡和作標(biāo)識(shí)用的讀卡器，這樣在發(fā)卡和讀卡時(shí)，實(shí)際上是兩套系統(tǒng)同時(shí)工作。
其中，RF模塊在接收時(shí)可看成是一個(gè)傳統(tǒng)的超外差接收器。RF輸入信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器(LNA)放大后翻轉(zhuǎn)進(jìn)入混頻器，通過混頻器混頻產(chǎn)生中頻IF信號(hào)，在中頻處理階段，該信號(hào)在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。解調(diào)后，從引腳 D1輸出解調(diào)數(shù)字信號(hào)，解調(diào)信號(hào)的同步性由P1提供的時(shí)鐘信號(hào)完成。在發(fā)送模式下，頻率合成器輸出信號(hào)直接送入功率放大器(PA)，采用FSK調(diào)制。其中，D1、D2為數(shù)據(jù)接口，P1、P2和P3為配置接口。配置主要確定工作頻率，功率，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。
為了保證標(biāo)簽電池能夠使用5年，MCU采用了業(yè)界最低功耗的MSP430單片機(jī)。該單片機(jī)休眠模式三時(shí)，功耗僅為1mA，2MHz工作時(shí)為400mA，喚醒電路功耗在5mA，再加上其它電路，靜態(tài)功耗為7mA，工作時(shí)接收功耗為7.8mA，發(fā)射功耗為 12.4mA, 根據(jù)實(shí)際最大使用次數(shù)計(jì)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(tǒng)指標(biāo)的要求。
路邊設(shè)備硬件框圖如圖3。
圖3 路邊設(shè)備框圖
考慮到開發(fā)速度和整體成本，路邊設(shè)備的MCU和RF模塊與電子標(biāo)簽相同。其中功放是為了保證系統(tǒng)的有效距離，濾波器主要是為了防止干擾。
讀卡器的硬件設(shè)計(jì)與電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)類似，只是軟件不同。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)要求，在讀卡器對(duì)電子標(biāo)簽讀取標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，讀卡器先發(fā)喚醒信號(hào)，然后進(jìn)入接收模式，如果15ms內(nèi)接收到信息，則給出蜂鳴聲；沒有接收到信號(hào)，則再次發(fā)射喚醒信號(hào)，循環(huán)工作。
電子標(biāo)簽平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)喚醒電路接收到433MHz射頻信號(hào)時(shí)，向MCU發(fā)出喚醒信號(hào)，MCU被喚醒，立即喚醒RF模塊，進(jìn)入接收狀態(tài)，檢測(cè)RF模塊有無信號(hào)，如無信號(hào)，標(biāo)識(shí)電池電量不足。接收到正確信號(hào)后，MCU關(guān)閉RF模塊，使其進(jìn)入休眠狀態(tài)，并關(guān)閉喚醒電路，設(shè)定8s延時(shí)，防止在同一標(biāo)識(shí)區(qū)重復(fù)喚醒，MCU進(jìn)入休眠狀態(tài)，定時(shí)喚醒后，MCU打開喚醒電路，進(jìn)入下一次接收狀態(tài)。當(dāng)1s內(nèi)接收到喚醒信號(hào)，則再設(shè)10分鐘延時(shí)，關(guān)閉喚醒電路，防止在同一標(biāo)識(shí)區(qū)重復(fù)喚醒，在此期間MCU和RFID處于休眠狀態(tài)。然后進(jìn)入接收狀態(tài)。流程圖如圖4。
圖4 電子標(biāo)簽軟件流程圖
說明：休眠狀態(tài)A—喚醒電路開，RF模塊和MCU休眠，MCU定時(shí)器關(guān)閉；
休眠狀態(tài)B—喚醒電路關(guān)，RF模塊和MCU休眠，MCU定時(shí)器開。
結(jié)語
本系統(tǒng)是根據(jù)國(guó)內(nèi)東南沿海某省實(shí)際需求進(jìn)行開發(fā)的，2006年初已經(jīng)在北京的測(cè)試場(chǎng)通過測(cè)試，第一階段的研發(fā)圓滿完成，現(xiàn)已進(jìn)入生產(chǎn)型開發(fā)。該省一期投入將達(dá)到幾十萬套標(biāo)簽。
參考文獻(xiàn)：
1. 陳邦媛：《射頻通信電路》，科學(xué)出版社，2002年8月