基于雙頻RFID復(fù)合標簽的高速路徑識別系統(tǒng)研究與設(shè)計

中圖分類號：TP393.1 文獻標志碼：A

Research and Design of High-Speed Path Recognition System Based on Dual Frequency RFID Composite Tag

LI Lu （Academic Affairs Office， Anhui University of Finance and Economics，Bengbu 2330o，Anhui，China）

Abstract：In order to solve the problem of accurate identification and charging of highway ambiguous path，a high-speed path identification system with dual frequency RFID composite tag is designed. The high-speed path identification and charging system is composed of provincial settlement and charging center， section sub center，Lane charging system and roadside identification system. By adopting the modular design method，the overall architecture design of the ETC high-speed path composite RFID active tag identification system in the 5.8GHz frequency band was completed. The software and hardware system scheme of the core main e^- quipment （dual-frequency composite RFID tag） was customized and gradually analyzed and implemented according to the module functions. After the test，the data reading accuracy of the system has reached 98% ，which meets the requirements of precise identification of vehicle path information and precise determination of vehicle driving paths，and has strong specific promotion value.

Key words：composite label; accurate identification;RFID dual band; roadside sign

0 引言

理、交通流量統(tǒng)計以及路況監(jiān)測等多方面工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié).傳統(tǒng)的路徑識別技術(shù)主要基于車牌識別、GPS定位等方法，都存在一定的局限性.文獻[1提出最短路徑法，從起始節(jié)點開始，逐步向外

隨著我國高速公路網(wǎng)絡(luò)的日益完善，運營管理面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中路徑識別是影響收費管擴展，每次選擇距離起始節(jié)點最近的未訪問節(jié)點，并更新其到其他節(jié)點的距離.通過不斷重復(fù)這個過程，最終找到從起始節(jié)點到所有其他節(jié)點的最短路徑.文獻[2]通過運用決策理論的思想，提出決策系數(shù)的概念，將出行者個人行為引人到模型中.通過對現(xiàn)有的兩類靜態(tài)多路徑交通分配方法進行對比分析，建立一種新的靜態(tài)多路徑交通分配模型.這些方法存在受人為、環(huán)境因素影響較大、數(shù)據(jù)更新延遲等問題，使得數(shù)據(jù)偏差較大.準確、高效地識別車輛在高速公路上的行駛路徑對于實現(xiàn)合理的收費政策、優(yōu)化交通資源配置以及提升道路服務(wù)水平具有重要意義.因此，利用信息化技術(shù)來尋求高速公路精準收費和多義路徑精準識別的解決方案日益迫切[3」.

針對高速公路收費業(yè)務(wù)的特點，設(shè)計了基于雙頻RFID復(fù)合標簽的高速路徑識別系統(tǒng)，并實現(xiàn)了系統(tǒng)核心設(shè)施之一的雙頻RFID復(fù)合標簽軟硬件系統(tǒng).

系統(tǒng)設(shè)計分析

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

射頻識別（radio frequencyidentification，RFID）技術(shù)作為一種非接觸式的自動識別技術(shù)，具有識別距離遠、讀寫速度快、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，在高速公路領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-5].然而，單一頻段的RFID系統(tǒng)在面對復(fù)雜路況和大量車輛時，也面臨著信號干擾、標簽識別率下降等問題.基于雙頻RFID復(fù)合標簽的高速路徑識別系統(tǒng)可以充分發(fā)揮雙頻信號的優(yōu)勢，提高路徑識別的準確性和可靠性.通過硬件模塊化設(shè)計以及多頻段通信調(diào)度，可實現(xiàn)以下目標.

精準路徑識別：利用雙頻標簽分時記錄動態(tài)行駛路徑與靜態(tài)車輛信息，解決復(fù)雜路網(wǎng)多路徑歧義問題.

雙頻復(fù)合優(yōu)勢：結(jié)合低頻的強穿透性和高頻的高速數(shù)據(jù)傳輸能力，解決單一頻段在復(fù)雜環(huán)境（如金屬遮擋、多徑干擾）中的局限性

路徑連續(xù)性：通過多標簽協(xié)同定位，構(gòu)建動態(tài)路徑軌跡，避免單標簽漏讀導(dǎo)致路徑斷裂[6].

1.2 系統(tǒng)設(shè)計方法

1.2.1 雙頻協(xié)同通信模型

通過頻段分工策略，充分發(fā)揮不同頻段的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理和安全的交易保障.5.8GHz 頻段的有源標簽負責(zé)路徑標識站的數(shù)據(jù)寫入操作，該頻段采用先進的TDMA機制，支持多標簽并發(fā)響應(yīng)（響應(yīng)時間 lt;10ms）.13.56MHz 無源標簽則基于國際標準ISO/IEC14443協(xié)議實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)存儲，通過非對稱加密算法保障交易安全[].

1.2.2 工作原理

當(dāng)車輛進入高速公路時，將雙頻RFID復(fù)合標簽安裝在車輛的指定位置，車輛行駛過程中，沿途的讀寫器會分別發(fā)射高頻和超高頻信號對標簽進行讀寫操作.高頻信號主要用于近距離讀取車輛基礎(chǔ)信息，確保車輛身份的準確識別；超高頻信號則用于遠距離讀取和更新車輛行駛路徑信息，記錄車輛經(jīng)過的關(guān)鍵節(jié)點如收費站、互通立交等.標簽接收到讀寫器的信號后，根據(jù)信號的頻率和指令要求，從相應(yīng)的存儲單元中讀取或?qū)懭藬?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的頻段發(fā)送回讀寫器，從而實現(xiàn)車輛路徑信息的實時采集和傳輸.

2高速路徑識別系統(tǒng)設(shè)計

2.1 高速路徑識別收費系統(tǒng)設(shè)計

高速路徑識別收費系統(tǒng)主要由以下四個部分組成：省結(jié)算計費中心，該中心是整個收費系統(tǒng)的核心，主要包括RFID有源標簽發(fā)卡系統(tǒng)、收費子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)；路段分中心，該中心主要負責(zé)特定路段的收費管理和運營，主要包括收費子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)；車道收費系統(tǒng)是直接與車輛交互的前端設(shè)備，主要包括ODU讀卡器和復(fù)合RFID有源標簽；路側(cè)標識系統(tǒng)是用于識別車輛路徑的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括路側(cè)單元（roadsideunit，RSU）天線、攝像系統(tǒng)車輛RFID標簽識別8.高速路徑識別收費系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

其中，省結(jié)算計費中心子系統(tǒng)各個模塊的功能為：省結(jié)算收費子系統(tǒng)負責(zé)根據(jù)車輛的通行路徑數(shù)據(jù)，精確拆分車輛的高速通行費，同時將費用分拆至各路段實現(xiàn)精確費用分配.管理子系統(tǒng)可以實現(xiàn)路徑識別軟硬件系統(tǒng)的異常警報和狀態(tài)監(jiān)測，并實時進行系統(tǒng)管理與系統(tǒng)維護.RFID有源標簽發(fā)卡系統(tǒng)根據(jù)車輛需求，將空白RFID射頻卡發(fā)行為正式卡，并將卡片數(shù)據(jù)存入后臺[9].

路段分中心的收費子系統(tǒng)負責(zé)車輛路徑通行數(shù)據(jù)的采集與存儲，并將該數(shù)據(jù)上傳至省計費中心.管理子系統(tǒng)專注于路段分中心的系統(tǒng)實時故障監(jiān)測與故障處理[10].

車輛進出口收費子系統(tǒng)中的車輛入口標簽發(fā)送系統(tǒng)，負責(zé)對準備駛?cè)烁咚俚能囕v進行RFID復(fù)合標簽的發(fā)放.車輛出口標簽識別系統(tǒng)通過無線讀卡器，實現(xiàn)高速車輛的入口數(shù)據(jù)、路徑數(shù)據(jù)和出口數(shù)據(jù)的讀取，進行通行費用的結(jié)算[11].

通過無線天線RSU對車輛的RFID標簽進行廣播識別，并將車輛的通行路徑數(shù)據(jù)精確地寫入RFID 標簽內(nèi).

2.2 高速路徑識別系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1復(fù)合雙頻標簽硬件系統(tǒng)設(shè)計

5.8GHz 頻段的RFID有源電子標簽用來精確記錄車輛的高速行駛路徑識別數(shù)據(jù)；13.56MHz 頻段無源電子標簽（MIFARE1邏輯加密卡）記錄車輛進入高速的入口數(shù)據(jù)和車輛具體數(shù)據(jù)[12].RFID復(fù)合雙頻標簽設(shè)計如圖2所示.

5.8GHz（UHF）頻段 13.56 GHz（HF）頻段無主控MCU單元 源電子標簽（MIFARE1RFID有源電子標簽 邏輯加密卡）

如圖2，主控MCU采用了PIC24F08芯片，該芯片具有9路A/D通道、數(shù)據(jù)速率最高可以達到32MIPS、超低功耗、 深度休眠和 2μA 的空閑模式的特點. 5.8GHz 頻段模塊采用S50作為HF讀寫芯片， 13.56MHz 頻段模塊采用CC1101作為射頻識別模塊，電源模塊采用CR3032實現(xiàn)RFID系統(tǒng)的供電功能.ODU標簽IC卡讀寫器采用了聯(lián)機操作模式，通過RS232實現(xiàn)與計算機串口的對接，實現(xiàn)了雙頻RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫功能.

2.2.2 路側(cè)標識站RSU標簽識別系統(tǒng)方案設(shè)計

路側(cè)標簽標識站包括RSU主機模塊、RSU主機天線模塊、電源模塊和遠程通信模塊[13].標識站RSU系統(tǒng)建設(shè)方案如圖3所示.

從圖3可看出，該建設(shè)方案在高速公路的關(guān)鍵位置部署路徑信息標識站（如A、B、C、D），并為這些標識站配備天線以實現(xiàn)與車輛上OBU的無線通信，確保能夠準確記錄車輛的行駛路徑.同時，還需要考慮各標識站之間的通信干擾問題，以保證通信的準確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性.路側(cè)標識站主要實現(xiàn)了車輛行駛過程中的路徑精確定位和車輛信息寫人的功能，它提供了路段標識站RSU的實時設(shè)備監(jiān)測、配置和維保功能.

3高速路徑識別系統(tǒng)軟件流程設(shè)計高速路徑識別收費系統(tǒng)中對車輛高速網(wǎng)的通

行路徑詳細信息的精確記錄是重中之重，為了實現(xiàn)多義性路段精確計費拆分，設(shè)計了高速路徑識別系統(tǒng)軟件流程，

3.1 高速收費系統(tǒng)主要流程設(shè)計

高速收費系統(tǒng)主要分為入口、行駛和出口三個步驟，其總體流程如圖4所示.

從圖4可看出，在入口處對駛?cè)敫咚俟返能囕v通過ODU尋卡并發(fā)行，通過車道軟件上傳數(shù)據(jù).行駛過程中，系統(tǒng)利用沿線監(jiān)測設(shè)備記錄車輛路徑.出口時，車輛出口ODU尋卡并讀取入口路徑信息，通過車道軟件上傳數(shù)據(jù)，分中心數(shù)據(jù)庫記錄.整個系統(tǒng)通過對高速通行車輛路徑的精確定位和車輛信息寫入，將數(shù)據(jù)上傳路段分中心的數(shù)據(jù)庫進行記錄，再由省計算中心OBU初始化記錄到省中心數(shù)據(jù)庫，確保收費高效、準確和安全[14].

3.2復(fù)合RFID標簽軟件流程設(shè)計

復(fù)合雙頻標簽路徑識別系統(tǒng)流程如圖5所示.

該流程主要包括以下3步：當(dāng)車輛進入高速路口時，車道口站發(fā)放可以記錄車輛行駛路徑精確信息的RFID復(fù)合雙頻標簽IC卡；當(dāng)高速車輛行進至安裝無線傳感標識站車道時，雙頻標簽會自動觸發(fā)標識站的廣播信號門限，喚醒標簽并同時實現(xiàn)站點標識信息的寫入；當(dāng)車輛行駛出高速路口時，雙頻讀卡器讀取標識站信息、車輛具體信息和車輛高速入口信息.計費中心根據(jù)車輛的行駛路段進行計費，同時將該繳費信息上傳至各級計費中心，完成后臺稅費劃分和分賬.

復(fù)合RFID有源標簽的流程如圖6所示，復(fù) 合RFID有源標簽與復(fù)合讀寫器進行通信流程如 圖7所示，復(fù)合RFID有源標簽與RSU通信的流 程如圖8所示.

從圖6可看出，復(fù)合RFID有源標簽的軟件主流程通常包括初始化、處理與存儲、通信交互等環(huán)節(jié).流程從系統(tǒng)上電開始，首先進行系統(tǒng)初始化.初始化完成后，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能源.當(dāng)系統(tǒng)被喚醒時，如果檢測到信號，系統(tǒng)將進入正常工作模式，并與讀寫器進行通信交互.如果沒有檢測到信號，系統(tǒng)將繼續(xù)處于休眠狀態(tài)，等待下一次喚醒.整個流程確保了系統(tǒng)在需要時能夠快速響應(yīng)，同時在不需要時節(jié)省能源.

從圖7可看出，當(dāng)復(fù)合RFID有源標簽進入復(fù)合讀寫器的射頻信號覆蓋范圍時，若未超過接收次數(shù)，讀寫器會發(fā)送一個包含特定命令的射頻信號.有源標簽接收到該信號后，首先對信號進行CRC校驗.若校驗通過，則根據(jù)命令（CMD）執(zhí)行相應(yīng)操作.整個流程確保了通信的可靠性和準確性，通過校驗機制保證了數(shù)據(jù)的完整性和準確性，最終在任務(wù)完成后返回.

從圖8可看出，在智能交通等場景中，復(fù)合RFID有源標簽與路邊單元RSU進行通信時，如果未超過門限，則在WOR模式下接收數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包進行幀格式校驗和循環(huán)冗余校驗CRC.校驗成功后，系統(tǒng)會保存接收到的路徑信息，并更新系統(tǒng)狀態(tài).整個流程確保了復(fù)合RFID有源標簽與RSU之間的通信是可靠準確的，通過校驗機制保證了數(shù)據(jù)的完整性和正確性.如果在校驗過程中發(fā)現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)會返回錯誤信息，以便于進行故障排查和處理.

4系統(tǒng)測試

為了驗證雙頻RFID復(fù)合標簽的高速路徑識別系統(tǒng)的性能，采用了200張IC卡，并搭建了實驗測試平臺.將復(fù)合標簽通過讀寫器進行入口發(fā)行，然后車輛經(jīng)過實驗平臺中的16個路側(cè)標識站，來回通行循環(huán)6次共采集96次路側(cè)標識站數(shù)據(jù).將該200張標簽數(shù)據(jù)通過讀卡器進行數(shù)據(jù)讀取后，統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果如表1和表2所列.

從表1可看出，在車輛正常行駛中，雙頻標簽的識別率達到了 98% ，表明該路徑識別系統(tǒng)實現(xiàn)了車輛行駛路徑信息的可靠采集.

從表2可看出，該電子標簽可以實現(xiàn)20萬次的數(shù)據(jù)讀寫，能保障5年內(nèi)的電能供應(yīng).綜合來看，該系統(tǒng)的各項指標性能優(yōu)良，達到了系統(tǒng)設(shè)計初衷.

5 結(jié)語

針對高速公路多義性路段的復(fù)雜收費需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于雙頻RFID復(fù)合標簽的高速路徑識別系統(tǒng).該系統(tǒng)以雙頻復(fù)合標簽為核心，通過融合 5.8GHz 有源標簽和 13.56MHz 無源標簽的優(yōu)勢，實現(xiàn)了對車輛行駛路徑的精準識別與數(shù)據(jù)采集.經(jīng)過測試驗證，該系統(tǒng)成功實現(xiàn)了精準路徑識別的數(shù)據(jù)采集與車輛路徑判定功能，能夠為多義性高速路徑的稅費分配提供準確、可靠的數(shù)據(jù)支持.這一成果不僅有效解決了傳統(tǒng)路徑識別技術(shù)在復(fù)雜路況下的局限性，還為高速公路的精細化管理和智能化收費提供了有力的技術(shù)支撐.

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[責(zé)任編輯：陳滿麗]