基于射頻識別技術(shù)的車輛路口

0. 引言

日常生活中經(jīng)?？梢钥匆娔承┨厥庥猛镜能囕v，這些車輛通過交叉路口時，往往是通過交警臨時操作交通信號控制機(jī)改變信號燈的顏色或是通過相關(guān)人員直接上路指揮等方式以獲得在交叉路口的優(yōu)先通行權(quán)。這樣的做法實(shí)時性和安全性都不是很好。射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，在無須人工干預(yù)的前提下工作，并可識別高速運(yùn)動物體且操作快捷方便，同時可工作于各種惡劣環(huán)境。本系統(tǒng)可以針對特種車輛發(fā)出的申請，對其進(jìn)行有效地識別，通過位于路口的交通信號控制機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的控制，決定其是否獲得路口的優(yōu)先通行權(quán)。監(jiān)控中心也可以根據(jù)車輛反饋的信息獲得特定路口及其周邊一定范圍內(nèi)的道路交通通行狀況，從而為道路交通的區(qū)域協(xié)調(diào)控制和決策提供有力依據(jù)。

1. 系統(tǒng)設(shè)計要求及總體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)的硬件平臺主體主要包括射頻識別(RFID)電子標(biāo)簽?zāi)K和射頻識別讀卡器模塊兩部分。電子標(biāo)簽?zāi)K安裝于車輛上，一般位于方便駕駛員操作的適當(dāng)位置。考慮到性價比和開發(fā)周期的因素，電子標(biāo)簽部分的微控制器采用美國ATMEL公司的基于51核的單片機(jī)AT89C51[1]。RFID標(biāo)簽按供電方式可以分為有源和無源兩種，有源是指標(biāo)簽內(nèi)有電池提供電源，其作用距離較遠(yuǎn)，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作;無源標(biāo)簽內(nèi)無電池，利用波束供電技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離相對有源卡短，但壽命長且對工作環(huán)境要求不高[2]?？紤]到標(biāo)簽的工作環(huán)境為車內(nèi)，且為了提高信號質(zhì)量和作用距離，本系統(tǒng)的電子標(biāo)簽?zāi)K采用有源標(biāo)簽。電子標(biāo)簽?zāi)K由車載電源供電。讀卡器模塊位于路口，采用韓國SAMSUNG公司的基于ARM7TDMI-S核的32位微處理器S3C44B0X，將識別的信息通過RS-485總線傳給位于路口的交通信號控制機(jī)，或是通過網(wǎng)口將信息直接傳給監(jiān)控中心的上位計算機(jī)，再由交通信號控制機(jī)或監(jiān)控中心決定是否改變信號燈的狀態(tài)。每一個十字路口安裝四臺讀卡器，均位于道路右側(cè)，為了防止出現(xiàn)讀卡器誤讀，將四臺讀卡器放置于彼此距離較遠(yuǎn)的安全位置上。

2. 硬件設(shè)計

圖2 電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)框圖

電子標(biāo)簽采用nrf2401+AT89C51架構(gòu)。nrf2401是NORDIC semiconductor的RFID芯片，采用全球開放的2.4GHz頻段，有125個頻道，可滿足多頻及跳頻需要，具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量，速率可達(dá)1Mbps，外圍元件較少，只需一個晶振和一個電阻即可設(shè)計射頻電路，發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置，電源電壓范圍為1.9V～3.6V，功耗很低，電流消耗很小，-5dBm輸出功率時典型峰值電流為10.5mA，芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源(包括DC/DC開關(guān)電源)均有良好的通信效果，每個芯片均可以通過軟件設(shè)置最多40bit地址，而且只有收到本機(jī)地址時才會輸出數(shù)據(jù)，內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議。AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個4K字節(jié)的Flash可編擦除只讀存儲器，它采用了CMOS工蟻和高密度非易失性存儲器技術(shù)，其中央處理器由ALU，專用寄存器組，定時控制部件等組成，具有較強(qiáng)的調(diào)用、跳轉(zhuǎn)、判斷、豐富的數(shù)據(jù)傳輸功能，以及提供存放中間結(jié)果、常用參數(shù)寄存器等功能。電子標(biāo)簽安裝于車輛上，操作面板由5個按鍵組成，分別是開關(guān)，復(fù)位，左轉(zhuǎn)請求，右轉(zhuǎn)請求和直行請求。其中請求鍵采用中斷方式，用于在車輛接近路口需要優(yōu)先通過時向讀卡器發(fā)送優(yōu)先通行請求。標(biāo)簽中還存儲有關(guān)于該車輛的信息數(shù)據(jù)，如車種，車牌，型號和用途等。

圖3 讀卡器系統(tǒng)框圖

讀卡器系統(tǒng)仍然采用nrf2401作為接收節(jié)點(diǎn)。讀卡器部分主要實(shí)現(xiàn)信息識別和通信功能。采用SAMSUNG公司的基于ARM7TDMI-S核的高性能32位微處理器S3C44B0X[3]。它的工作電壓僅為2.5V，大大降低了芯片的功耗，可以外擴(kuò)SDRAM，F(xiàn)LASH，內(nèi)置的LCD控制器最大可以支持256色STN的LCD[4]，71個通用I/O，包括8個外部中斷源。本系統(tǒng)中擴(kuò)展了10Mbps以太網(wǎng)接口芯片Realtek公司的RTL8019，該芯片具有16位數(shù)據(jù)線接口和20位的地址線接口，可以在發(fā)送的物理幀上自動添加幀頭，幀起始定界符和校驗和。讀卡器將接收到的信息通過RS-485總線傳輸?shù)浆F(xiàn)場的交通信號控制機(jī)上，直接改變交通燈狀態(tài)，如果路口中有相同或更高的申請級別，則將請求信息通過網(wǎng)口送到監(jiān)控中心仲裁，然后由監(jiān)控中心直接向信號機(jī)發(fā)送指令[5]。

3. 軟件設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信，同時使系統(tǒng)盡可能地輕量和簡潔，本系統(tǒng)通過在uC/OS-II操作系統(tǒng)上移植LwIP協(xié)議棧加以實(shí)現(xiàn)。lwIP是瑞士計算機(jī)科學(xué)院的一個開源的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，它是一套專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的源碼開放的輕型協(xié)議棧。LwIP在保持TCP/IP協(xié)議基本要求的前提下，通過層與層之間共享內(nèi)存，避免了許多繁瑣的復(fù)制處理，這樣做大幅度地節(jié)省了代碼和數(shù)據(jù)存儲空間，因此非常適合嵌入式應(yīng)用。與其他輕型協(xié)議棧不同的是，LwIP不僅支持一般的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，比如UDP協(xié)議、DHCP協(xié)議、PPP協(xié)議等，而且還支持多網(wǎng)絡(luò)接口、IPv6和標(biāo)準(zhǔn)API。

3.1 LwIP在uC/OS-II上的移植

針對uC/OS-II[6]和ARM的ADS編譯器，LwIP的移植只需要編寫arch文件夾下的3個文件——cc.h、sys_arch.h和sys_arch.c。其中cc.h中有與CPU和編譯器有關(guān)的定義，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和大小端存儲方式等。為了增強(qiáng)移植性，LwIP專門把和操作系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)放在一起組成操作系統(tǒng)封裝層，為諸如定時、進(jìn)程同步和消息傳遞等操作系統(tǒng)服務(wù)提供統(tǒng)一的接口，移植時需針對不同的操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)特定的操作系統(tǒng)封裝層，這些是由sys_arch.h和sys_arch.c實(shí)現(xiàn)的。其中sys_arch.h主要定義與操作系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——信號量、郵箱和進(jìn)程號，這些在uC/OS-II中都有對應(yīng)的實(shí)體，LwIP中的郵箱對應(yīng)于uC/OS-II中的消息隊列。sys_arch.c中要實(shí)現(xiàn)和操作系統(tǒng)有關(guān)函數(shù)的定義，包括系統(tǒng)的初始化以及信號和郵箱的操作——創(chuàng)建、刪除、投遞和等待，這些功能需要用uC/OS-II中相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行重新封裝。另外，TCP/IP協(xié)議棧中需要許多定時器的功能，在LwIP中是用sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊列和相應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。每個sys_timeout結(jié)構(gòu)體包括本線程的timeout時間長度，以及超時后的回調(diào)處理函數(shù)sys_arch.c中sys_arch_timeouts()函數(shù)的功能就是返回當(dāng)前進(jìn)程所對應(yīng)的sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊列的頭指針。本系統(tǒng)用的方法是在系統(tǒng)初始化的時候根據(jù)最大的LwIP進(jìn)程數(shù)創(chuàng)建一個sys_timeout結(jié)構(gòu)體指針的數(shù)組，以后每創(chuàng)建一個LwIP進(jìn)程其優(yōu)先級都從一個連續(xù)的已知區(qū)間進(jìn)行分配，sys_arch_timeouts()函數(shù)通過調(diào)用OSTaskQuery()函數(shù)獲得進(jìn)程的優(yōu)先級進(jìn)而獲得對應(yīng)的sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊列的頭指針。

3.2 RTL8019驅(qū)動程序的編寫

RTL8019驅(qū)動程序做的工作主要是8019的初始化、發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。初始化函數(shù)rtl8019_init()是在添加以太網(wǎng)絡(luò)接口時由netif_add()函數(shù)調(diào)用，調(diào)用過程中首先初始化此接口對應(yīng)的全局網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)體，然后設(shè)置8019的各功能寄存器。初始化完8019之后調(diào)用arp_init()函數(shù)啟動ARP功能，然后用sys_timeout()函數(shù)啟動ARP緩沖列表生命周期的定時器。數(shù)據(jù)包的發(fā)送首先從ARP緩沖隊列中查找目的MAC地址，然后構(gòu)造以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的頭部，最后調(diào)用底層的發(fā)送函數(shù)low_level_output()將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。如果找不到對應(yīng)的IP/MAC項，發(fā)送ARP請求數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)包的接收由中斷[7]處理函數(shù)rtl8019_ISR()調(diào)用，它的執(zhí)行過程是先調(diào)用最底層的接收函數(shù)low_level_input()從8019中接收數(shù)據(jù)幀，如果接收的是IP數(shù)據(jù)包，則更新ARP緩沖隊列并把數(shù)據(jù)包傳給網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)指定的函數(shù)進(jìn)行處理。如果接收的是ARP數(shù)據(jù)包，則調(diào)用etharp_arp_input()函數(shù)處理。最底層的接收發(fā)送函數(shù)采用的都是8019的遠(yuǎn)程DMA工作方式以提高性能[8]。

3.3 軟件框圖

圖4 讀卡器系統(tǒng)軟件框圖

信號機(jī)的響應(yīng)級由監(jiān)控中心的上位機(jī)設(shè)定，信號機(jī)可以在事先獲得授權(quán)的情況下自主改變燈色，如果事先未獲授權(quán)，或是同時收到多個不同標(biāo)簽的請求，則信息必須送到監(jiān)控中心處理，由監(jiān)控中心的上位機(jī)判定優(yōu)先級后發(fā)指令控制信號機(jī)的動作。監(jiān)控中心還可以隨時獲得特定車輛的位置以及所在區(qū)域的路況等信息，通過合理改變區(qū)域內(nèi)信號機(jī)的綠信比，達(dá)到區(qū)域協(xié)調(diào)控制的目的。

4. 實(shí)驗結(jié)果

監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件由Mircosoft Visual C++.NET 2003開發(fā)。

該系統(tǒng)應(yīng)用于某市政務(wù)區(qū)的繁華大道與錦繡大道的交口。由于事先設(shè)定由監(jiān)控中心控制，所以當(dāng)標(biāo)簽發(fā)送通行請求時，讀卡器將向監(jiān)控中心發(fā)送請求，監(jiān)控中心的上位機(jī)彈出圖5所示的對話框，該對話框顯示了車輛所在的路口，車號，車型，車種，請求通行的類型以及請求時間等相關(guān)信息，由監(jiān)控中心決定是否處理其請求，監(jiān)控中心操作人員可以點(diǎn)擊“忽略”以不響應(yīng)該車輛本次的申請。

圖6 上位機(jī)軟件控制界面

在圖5對話框中點(diǎn)擊“同意受控”后，將會出現(xiàn)圖6所示的設(shè)置窗口，左上角的為科學(xué)城區(qū)域內(nèi)的主要道路列表，左下角顯示了與道路相應(yīng)的各交口信號機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，未聯(lián)機(jī)的信號機(jī)不顯示。右上角為當(dāng)前發(fā)送申請的車輛所在的繁華大道與錦繡大道交口的示意圖，通過右下角的列表設(shè)定當(dāng)前路口信號機(jī)的執(zhí)行方案。當(dāng)前的執(zhí)行方案如列表中所示，該路口信號機(jī)當(dāng)前執(zhí)行四個相位的方案，每個相位的燈組號如圖示。當(dāng)前執(zhí)行的為1號時段方案，對應(yīng)到本信號機(jī)，1號方案表明將一天分為7：00～21：00，22：00～6：00兩個時段，每個時段的相位配時不同。后面的時間即為當(dāng)前時段每個相位的時間長度。通過改變時間長度可以設(shè)定放行的時間。

5. 總結(jié)

本系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的路口，使得特種車輛的通行更加迅速便捷，同時極大降低了人力消耗。作為智能交通系統(tǒng)的一部分，本系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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