基于nRf2401無線收發(fā)芯片的ETC系統(tǒng)———基于nRf2401無線收發(fā)芯片的ETC系統(tǒng)
RFID(Radio Frequency Identification;無線射頻識別)技術(shù)有非接觸、閱讀速度快、閱讀信息量大、可讀可寫、識別率極高、不受環(huán)境的影響、便于調(diào)試和安裝、保密性強(qiáng)、無磨損、壽命長、能同時識別多個目標(biāo)等特點(diǎn)和優(yōu)勢。將RFID應(yīng)用于車輛的自動收費(fèi)系統(tǒng)是十分理想的。
在國外RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于高速公路的車輛不停車自動收費(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)布的汽車工業(yè)發(fā)展計劃,車輛保有量出現(xiàn)了飛速的增長,也推動了我省的高速公路發(fā)展。與此同時,原有的以人工為主的收費(fèi)系統(tǒng)因?yàn)樾实拖拢饾u無法適應(yīng)當(dāng)前的狀況?;谏漕l識別(RFID)技術(shù)的自動收費(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無線收發(fā)芯片的ETC系統(tǒng)。
1 硬件設(shè)計
考慮到安全,車輛通過收費(fèi)口時車速時速不應(yīng)超過60 km/h。本系統(tǒng)采用的無線收發(fā)模塊通信距離為30 m,則總的通信時間應(yīng)控制在1.8 S以內(nèi)??紤]到環(huán)境干擾等因素,應(yīng)將總的通信時間控制在1 S以內(nèi)。識別率為99.9 。
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)分為讀寫器、上位機(jī)及電子標(biāo)簽三部分。電子標(biāo)簽安置在車輛前檔風(fēng)玻璃下,讀寫器安裝在收費(fèi)口外側(cè),共兩個。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)。讀寫器和電子標(biāo)簽8O 硬件電路相同,可以減少開發(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
無線通信采用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,工作電流只有l(wèi)O.5 mA,接收時工作電流只有18 mA,其DuoCeiverTM 技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線,同時接收兩個不同頻道的數(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這電池的國際IEC編號,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)簽最長工作0.5年。
1.3 讀寫器硬件設(shè)計
無線通信部分采用nRF2401;控制器部分采用AT89S52。硬件電路與電子標(biāo)簽相同。讀寫器包含RS232通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信,傳送車輛信息。當(dāng)上位機(jī)與讀寫器無法通信時,車輛信息會臨時儲存在讀寫器中。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,由鋰電池繼續(xù)供電維持讀寫器工作。
2 系統(tǒng)工作流程
高速入口:
(1)讀寫器會不停的向周圍發(fā)射詢問信號。當(dāng)有車輛進(jìn)入外側(cè)讀寫器信號覆蓋范圍,車上的電子標(biāo)簽會被詢問信號喚醒。
(2)標(biāo)簽向讀寫器發(fā)出握手信號,提出通信申請。握手信號中包含電子標(biāo)簽擁有的唯一的ID號。讀寫器接受握手信號后,向電子標(biāo)簽發(fā)出確認(rèn)握手信號。在接收到確認(rèn)握手信號前,標(biāo)簽將會不斷發(fā)射握手信號。
(3)電子標(biāo)簽接受到握手信號后,向讀寫器發(fā)出請求認(rèn)證信號,包含加密信息。讀寫器接受到請求認(rèn)證信號后,如加密信息確認(rèn),則發(fā)送認(rèn)證完成信號給電子標(biāo)簽,信號中包含高速路口代碼和當(dāng)前時間。如加密信息沒有確認(rèn),讀寫器將返回錯誤信號給電子標(biāo)簽。
(4)讀寫器向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號,上位機(jī)將此時的時間及高速人口代碼存儲進(jìn)數(shù)據(jù)庫。
(5)電子標(biāo)簽接受到認(rèn)證完成信號后,將當(dāng)前時間和高速人LI代碼記錄進(jìn)存儲器。若接受到錯誤信號,標(biāo)簽會再次發(fā)送認(rèn)證信號。
高速出口:
(1)~(2)與入口流程相同。
(3)標(biāo)簽向讀寫器發(fā)出握手信號,提出通信申請。握手信號中包含電子標(biāo)簽擁有的唯一的ID號和標(biāo)簽存儲的人口時間和人口代碼。讀寫器接受握手信號后,向電子標(biāo)簽發(fā)出確認(rèn)握手信號。在接收到確認(rèn)握手信號前,標(biāo)簽將會不斷發(fā)射握手信號。
(4)標(biāo)簽收到確認(rèn)握手信號,將入口信息清空。
(5)讀寫器將人口時間和代碼發(fā)送給上位機(jī)。
(6)上位機(jī)通過與當(dāng)前出口代碼比較,計算出兩個路口之間的距離并計算出相應(yīng)費(fèi)用。
(6)人工收費(fèi)后,開啟橫桿放行車輛。
3 關(guān)鍵技術(shù)
3.1 車輛識別技術(shù)
nRF2401具有發(fā)射功率可調(diào)功能。當(dāng)讀寫器發(fā)射功率為0.1 mW ,試驗(yàn)證明可以在10 m范圍內(nèi)檢測到車輛上的電子標(biāo)簽。在出人口設(shè)置2個讀寫器,讀寫器相距20 m。在讀寫器中間設(shè)置微波感應(yīng)器。當(dāng)兩個讀寫器同時檢測到同一個電子標(biāo)簽,且微波感應(yīng)器感應(yīng)到車輛,則系統(tǒng)判斷出一個車輛正在通過出入口。這樣保證車輛通過時能正確識別車輛。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,信息在傳輸過程中進(jìn)行了加密處理。讀寫器和電子標(biāo)簽首次通信采用明碼,確認(rèn)對方存在。然后由讀寫器發(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)送給讀寫器,若讀寫器判斷解 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)簽和讀寫器之間的通信數(shù)據(jù)全部加 密;若不相同則停止與這個電子標(biāo)簽通信,ID列入黑名單。
4 結(jié)論
通過試驗(yàn),本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。試驗(yàn)2O次,識別成功20次,成功率100 。試驗(yàn)到5O次,識別成功49次,成功率98%。該系統(tǒng)可以有效解決高速公路收費(fèi)堵車的問題,實(shí)現(xiàn)了無人值守不停車自動收費(fèi),提高收費(fèi)工作的效率。