基于nRf2401無(wú)線收發(fā)芯片的ETC系統(tǒng)———基于nRf2401無(wú)線收發(fā)芯片的ETC系統(tǒng)
RFID(Radio Frequency Identification;無(wú)線射頻識(shí)別)技術(shù)有非接觸、閱讀速度快、閱讀信息量大、可讀可寫(xiě)、識(shí)別率極高、不受環(huán)境的影響、便于調(diào)試和安裝、保密性強(qiáng)、無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、能同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。將RFID應(yīng)用于車(chē)輛的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)是十分理想的。
在國(guó)外RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于高速公路的車(chē)輛不停車(chē)自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)。山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃將在原有基礎(chǔ)上增加2 110 km,2009年高速公路建設(shè)里程將超2 000 km。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及2009年經(jīng)濟(jì)危機(jī)背景下發(fā)布的汽車(chē)工業(yè)發(fā)展計(jì)劃,車(chē)輛保有量出現(xiàn)了飛速的增長(zhǎng),也推動(dòng)了我省的高速公路發(fā)展。與此同時(shí),原有的以人工為主的收費(fèi)系統(tǒng)因?yàn)樾实拖?,逐漸無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前的狀況?;谏漕l識(shí)別(RFID)技術(shù)的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)為解決這一矛盾提供了可能。本文提出了一種基于nRf2401無(wú)線收發(fā)芯片的ETC系統(tǒng)。
1 硬件設(shè)計(jì)
考慮到安全,車(chē)輛通過(guò)收費(fèi)口時(shí)車(chē)速時(shí)速不應(yīng)超過(guò)60 km/h。本系統(tǒng)采用的無(wú)線收發(fā)模塊通信距離為30 m,則總的通信時(shí)間應(yīng)控制在1.8 S以?xún)?nèi)。考慮到環(huán)境干擾等因素,應(yīng)將總的通信時(shí)間控制在1 S以?xún)?nèi)。識(shí)別率為99.9 。
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)分為讀寫(xiě)器、上位機(jī)及電子標(biāo)簽三部分。電子標(biāo)簽安置在車(chē)輛前檔風(fēng)玻璃下,讀寫(xiě)器安裝在收費(fèi)口外側(cè),共兩個(gè)。上位機(jī)安裝在高速入口原收費(fèi)崗內(nèi),便于保護(hù)貴重的電腦系統(tǒng)。讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽8O 硬件電路相同,可以減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用、降低生產(chǎn)成本。如圖1所示:
1.2 電子標(biāo)簽硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線通信采用nRF2401單片射頻收發(fā)芯片,工作頻率2.4 GHz ISM 頻段。芯片能耗非常低,以0.032 mW 的功率發(fā)射時(shí),工作電流只有l(wèi)O.5 mA,接收時(shí)工作電流只有18 mA,其DuoCeiverTM 技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線,同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。
nRF2401有工作模式有四種:收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。
控制器采用AT89S52,TQFP封裝。At89s52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程FLASH。另外,AT89S52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。在休眠狀態(tài),單片機(jī)僅消耗5OμA的電流,可以大幅延長(zhǎng)標(biāo)簽內(nèi)部電池壽命。標(biāo)簽電源采用CR2032電池,屬3 V扣式鋰錳電池,CR這電池的國(guó)際IEC編號(hào),2O代表此款電池的直徑是20 mm,32代表此款電池的厚度為3.2mm。標(biāo)稱(chēng)電壓為3.0 V,額定容量為220 mAh。一枚CR2032可以使電子標(biāo)簽最長(zhǎng)工作0.5年。
1.3 讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線通信部分采用nRF2401;控制器部分采用AT89S52。硬件電路與電子標(biāo)簽相同。讀寫(xiě)器包含RS232通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信,傳送車(chē)輛信息。當(dāng)上位機(jī)與讀寫(xiě)器無(wú)法通信時(shí),車(chē)輛信息會(huì)臨時(shí)儲(chǔ)存在讀寫(xiě)器中。電源包括220 V交流和鋰電池,220 V整流穩(wěn)壓后為電路提供電能,當(dāng)220 V 電源不可用時(shí),由鋰電池繼續(xù)供電維持讀寫(xiě)器工作。
2 系統(tǒng)工作流程
高速入口:
(1)讀寫(xiě)器會(huì)不停的向周?chē)l(fā)射詢(xún)問(wèn)信號(hào)。當(dāng)有車(chē)輛進(jìn)入外側(cè)讀寫(xiě)器信號(hào)覆蓋范圍,車(chē)上的電子標(biāo)簽會(huì)被詢(xún)問(wèn)信號(hào)喚醒。
(2)標(biāo)簽向讀寫(xiě)器發(fā)出握手信號(hào),提出通信申請(qǐng)。握手信號(hào)中包含電子標(biāo)簽擁有的唯一的ID號(hào)。讀寫(xiě)器接受握手信號(hào)后,向電子標(biāo)簽發(fā)出確認(rèn)握手信號(hào)。在接收到確認(rèn)握手信號(hào)前,標(biāo)簽將會(huì)不斷發(fā)射握手信號(hào)。
(3)電子標(biāo)簽接受到握手信號(hào)后,向讀寫(xiě)器發(fā)出請(qǐng)求認(rèn)證信號(hào),包含加密信息。讀寫(xiě)器接受到請(qǐng)求認(rèn)證信號(hào)后,如加密信息確認(rèn),則發(fā)送認(rèn)證完成信號(hào)給電子標(biāo)簽,信號(hào)中包含高速路口代碼和當(dāng)前時(shí)間。如加密信息沒(méi)有確認(rèn),讀寫(xiě)器將返回錯(cuò)誤信號(hào)給電子標(biāo)簽。
(4)讀寫(xiě)器向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào),上位機(jī)將此時(shí)的時(shí)間及高速人口代碼存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。
(5)電子標(biāo)簽接受到認(rèn)證完成信號(hào)后,將當(dāng)前時(shí)間和高速人LI代碼記錄進(jìn)存儲(chǔ)器。若接受到錯(cuò)誤信號(hào),標(biāo)簽會(huì)再次發(fā)送認(rèn)證信號(hào)。
高速出口:
(1)~(2)與入口流程相同。
(3)標(biāo)簽向讀寫(xiě)器發(fā)出握手信號(hào),提出通信申請(qǐng)。握手信號(hào)中包含電子標(biāo)簽擁有的唯一的ID號(hào)和標(biāo)簽存儲(chǔ)的人口時(shí)間和人口代碼。讀寫(xiě)器接受握手信號(hào)后,向電子標(biāo)簽發(fā)出確認(rèn)握手信號(hào)。在接收到確認(rèn)握手信號(hào)前,標(biāo)簽將會(huì)不斷發(fā)射握手信號(hào)。
(4)標(biāo)簽收到確認(rèn)握手信號(hào),將入口信息清空。
(5)讀寫(xiě)器將人口時(shí)間和代碼發(fā)送給上位機(jī)。
(6)上位機(jī)通過(guò)與當(dāng)前出口代碼比較,計(jì)算出兩個(gè)路口之間的距離并計(jì)算出相應(yīng)費(fèi)用。
(6)人工收費(fèi)后,開(kāi)啟橫桿放行車(chē)輛。
3 關(guān)鍵技術(shù)
3.1 車(chē)輛識(shí)別技術(shù)
nRF2401具有發(fā)射功率可調(diào)功能。當(dāng)讀寫(xiě)器發(fā)射功率為0.1 mW ,試驗(yàn)證明可以在10 m范圍內(nèi)檢測(cè)到車(chē)輛上的電子標(biāo)簽。在出人口設(shè)置2個(gè)讀寫(xiě)器,讀寫(xiě)器相距20 m。在讀寫(xiě)器中間設(shè)置微波感應(yīng)器。當(dāng)兩個(gè)讀寫(xiě)器同時(shí)檢測(cè)到同一個(gè)電子標(biāo)簽,且微波感應(yīng)器感應(yīng)到車(chē)輛,則系統(tǒng)判斷出一個(gè)車(chē)輛正在通過(guò)出入口。這樣保證車(chē)輛通過(guò)時(shí)能正確識(shí)別車(chē)輛。如圖2所示:
3.2 信息加密技術(shù)
為保證通信信息在傳輸中的安全性,防止信息被篡改和偽造,信息在傳輸過(guò)程中進(jìn)行了加密處理。讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽首次通信采用明碼,確認(rèn)對(duì)方存在。然后由讀寫(xiě)器發(fā)送一串加密的隨機(jī)數(shù)給電子標(biāo)簽,標(biāo)簽解 密后重新加 密再發(fā)送給讀寫(xiě)器,若讀寫(xiě)器判斷解 密后的數(shù)字與隨機(jī)數(shù)相同,則握手成功,此后電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的通信數(shù)據(jù)全部加 密;若不相同則停止與這個(gè)電子標(biāo)簽通信,ID列入黑名單。
4 結(jié)論
通過(guò)試驗(yàn),本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。試驗(yàn)2O次,識(shí)別成功20次,成功率100 。試驗(yàn)到5O次,識(shí)別成功49次,成功率98%。該系統(tǒng)可以有效解決高速公路收費(fèi)堵車(chē)的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守不停車(chē)自動(dòng)收費(fèi),提高收費(fèi)工作的效率。