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基于电子标签技术实现多义性路径识别系统的应用方案

电子设计 2021-01-13 10:04 次阅读

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)。

基于电子标签技术实现多义性路径识别系统的应用方案

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:0.1694mAh,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。

责任编辑:gt

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