溫 雯，高 歌

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070）

基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)的道路交通管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

溫 雯，高 歌

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070）

0 引言

目前，全國公路交通隨著快速增長(zhǎng)的汽車數(shù)量呈現(xiàn)出秩序紊亂、疏導(dǎo)壓力驟增的狀況，高速路超速、超重現(xiàn)象比比皆是，事故頻發(fā)。市區(qū)交通車輛擁塞常態(tài)化。為加強(qiáng)路面交通管理，路政、交通管理部門紛紛采用增加人力、警力、安裝先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備等手段來強(qiáng)化交通管制與疏導(dǎo)，如：采用感應(yīng)線圈測(cè)速、雷達(dá)測(cè)速、視頻測(cè)速、激光測(cè)速等多種測(cè)速系統(tǒng)對(duì)違章行為進(jìn)行監(jiān)督。但是，各種應(yīng)用技術(shù)的局限性也影響其廣泛的應(yīng)用，雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)成熟，但測(cè)量精度低；感應(yīng)線圈需要安裝在地下且維護(hù)工作量大，激光測(cè)速測(cè)速精度高，可是受天氣影響大且價(jià)格昂貴視，視頻測(cè)速安裝維修方便，測(cè)量精度高而且可以提供多種交通資料越來越受到人們的重視。但這些測(cè)速方法依靠的還是要投入大批警力，并且這些治理方法無法全面、實(shí)時(shí)、有效地實(shí)現(xiàn)路面交通監(jiān)控。射頻技術(shù)與壓電電纜的綜合應(yīng)用為解決交通管理問題提供了非常好的前景，無線射頻識(shí)別是二十世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用射頻信號(hào)通過空間藕合實(shí)現(xiàn)無接觸的信息傳遞, 并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。它與條形碼技術(shù)、磁卡技術(shù)、光學(xué)符號(hào)識(shí)別等技術(shù)相比較具有精度高、防水、防磁、耐高溫、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量大、存儲(chǔ)信息更改自如、抗干擾強(qiáng)、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)。已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。融合傳感器技術(shù)，可將重量信號(hào)、速度信號(hào)通過RFID卷標(biāo)（安裝在機(jī)動(dòng)車上）, 與公路沿線布置的多個(gè)讀寫器構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車超速、超重的全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而且可實(shí)現(xiàn)市區(qū)交通違章自動(dòng)記錄并語音通知駕駛員，預(yù)防交通事故的發(fā)生等作用。

1 RFID應(yīng)用技術(shù)體系

RFID 應(yīng)用技術(shù)體系包括RFID標(biāo)簽和讀寫器兩個(gè)部分，RFID 標(biāo)簽可以分為有源、無源和半有源三種；按照工作頻率的不同，RFID 標(biāo)簽可以分為超高頻（UHF）、微波頻率（MW）、低頻（LF）和高頻（HF）四種。其中，具有遠(yuǎn)距離識(shí)別和低成本特點(diǎn)的當(dāng)屬UHF標(biāo)簽，它容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，作為智能交通管理系統(tǒng)中重要的一次元件能夠很好地與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合并快速處理相關(guān)的信息，由此構(gòu)成完整的RFID應(yīng)用體系。RFID標(biāo)簽是將多個(gè)功能模塊集成在芯片中實(shí)現(xiàn)與讀寫器的通信。芯片存儲(chǔ)了多種信息，如車主姓名、車輛型號(hào)、車牌號(hào)等，芯片外圍需配合以天線與電源，可以設(shè)置識(shí)別碼和身份驗(yàn)證標(biāo)志等。讀寫器基本上由發(fā)射單元、接收單元、信號(hào)處理控制單元和電源組成，又稱作收發(fā)器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RFID射頻識(shí)別電子標(biāo)簽的架構(gòu)可選用比較成熟的nd2401+AT89C51組對(duì)，由于nrf2401芯片使用2.4 GHz全球開放頻段，頻道數(shù)達(dá)到125個(gè)，能很好地滿足調(diào)頻及多頻需要，數(shù)據(jù)吞吐量較大，速率在1 Mbit/s,且外圍元件不多，一般連入一個(gè)晶振和一個(gè)電阻即可實(shí)現(xiàn)射頻電路設(shè)計(jì)，工作頻率和發(fā)射功率等全部工作參數(shù)均可通過軟件來進(jìn)行設(shè)置，電源電壓較小，范圍在1.9 V～3.6 V之間，該芯片的內(nèi)部設(shè)有穩(wěn)壓電路，因此，不論使用DC電源還是DC開關(guān)電源，均能達(dá)到穩(wěn)定的通信質(zhì)量和效果，利用軟件可在芯片上設(shè)置40b地址，當(dāng)收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)將數(shù)據(jù)輸出，有關(guān)協(xié)議和CRC糾錯(cuò)硬件電路均內(nèi)置在芯片里。

AT89C51是一種8位單片機(jī)，具有低功耗高性能的特點(diǎn)，內(nèi)嵌一個(gè)4 K字節(jié)的Flash可編擦除只讀存儲(chǔ)器，它采用了高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)和CMOS工藝，由ALU、專用寄存器組、定時(shí)控制部件等組成的央處理器，其調(diào)用、跳轉(zhuǎn)、判斷的能力較為強(qiáng)大并具有豐富的數(shù)據(jù)傳輸功能，還有提供存放中間結(jié)果、常用參數(shù)寄存器等功能。為方便高頻（工作頻率為13.56MHz）RIDF標(biāo)簽貼附在機(jī)動(dòng)車表面，感應(yīng)器線圈不能繞制，而要采用腐蝕或者印刷的方式制作成天線。當(dāng)接通和斷開感應(yīng)器上的負(fù)載電阻時(shí)，讀寫器天線上的電壓就會(huì)發(fā)生變化，從而可以利用遠(yuǎn)距離感應(yīng)器對(duì)天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。負(fù)載電壓的接通和斷開則可以通過數(shù)據(jù)來進(jìn)行控制，迅捷地將數(shù)據(jù)從感應(yīng)器傳輸?shù)阶x寫器。限重路段可通過設(shè)置路面壓力應(yīng)變區(qū)段，當(dāng)路面壓力超限時(shí)，壓電電纜感應(yīng)器發(fā)出超載信號(hào)的同時(shí)，讀卡器采集超載車輛信息，傳入交通監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行處理。RFID標(biāo)簽?zāi)K采用有源標(biāo)簽。由車載電源供電。讀卡器模塊位于路口，可采用32位微處理器，將識(shí)別的信息通過RS-485總線發(fā)送至路口的交通信號(hào)控制機(jī)，也可通過網(wǎng)口將信息直傳監(jiān)控中心的管理計(jì)算機(jī)，每一個(gè)十字路口可安裝多臺(tái)讀卡器，至少安裝4臺(tái)讀卡器，使其位于道路右側(cè)，為防止讀卡器出現(xiàn)誤讀，可將（至少）4臺(tái)讀卡器放置在彼此距離較遠(yuǎn)的安全位置上。當(dāng)采集到的機(jī)動(dòng)車速度超過限速值如60KM/H（市區(qū)）或120KM/H或載重超限時(shí)，該超限數(shù)據(jù)送到AT89C51的串口緩沖器中被RIDF標(biāo)簽采集后可無線傳送給聯(lián)網(wǎng)的讀寫器和控制中心, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車的分布式全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

RFID射頻識(shí)別交通管理系統(tǒng)可以根據(jù)被管理對(duì)象狀況靈活構(gòu)建，從功能上滿足不同的機(jī)動(dòng)車監(jiān)控要求，一般由如下子系統(tǒng)構(gòu)成：

1）交通違章檢測(cè)子系統(tǒng)

由RFID閱讀器、車輛過往檢測(cè)單元、交通信號(hào)燈狀態(tài)檢測(cè)單元和用于在通過交通信號(hào)燈狀態(tài)檢測(cè)單元判定當(dāng)前交通信號(hào)燈處于紅燈狀態(tài)且通過車輛過往檢測(cè)單元,檢測(cè)到有車輛經(jīng)過時(shí)判定該車輛違章并控制RFID閱讀器讀取該車輛RFID身份標(biāo)簽的控制單元。這樣構(gòu)成的檢測(cè)裝置可在車輛闖紅燈時(shí)有效獲取車輛身份信息，并抓拍現(xiàn)場(chǎng)畫面以提供有效證據(jù)，以及回傳RFID身份標(biāo)簽和現(xiàn)場(chǎng)畫面，解決現(xiàn)有闖紅燈攝像裝置圖片模糊等問題。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2）超速檢測(cè)子系統(tǒng)

系統(tǒng)包括測(cè)速單元和記錄單元，即射頻識(shí)別標(biāo)簽、射頻識(shí)別讀取器、信息傳輸單元、監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；射頻識(shí)別標(biāo)簽存儲(chǔ)車輛的信息，并貼附在機(jī)動(dòng)車輛上；由射頻識(shí)別讀取器完成對(duì)車輛的識(shí)別、車輛信息的讀取、違規(guī)車輛信息的記錄；射頻識(shí)別讀取器與信息傳輸單元連接并通過信息傳輸單元發(fā)送和接收信息；信息傳輸單元采用有線連接通訊技術(shù)或無線通訊技術(shù)，將信息發(fā)送到監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或?qū)⒈O(jiān)控中心發(fā)送的命令傳送給射頻識(shí)別讀取器進(jìn)行相應(yīng)的操作；監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)射頻識(shí)別讀取器發(fā)送來的信息并做相應(yīng)處理，同時(shí)發(fā)送控制射頻識(shí)別讀取器的指令。如圖2所示。

圖2 超速檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

3）超載檢測(cè)子系統(tǒng)

壓電薄膜交通傳感器檢測(cè)，經(jīng)過傳感器的輪胎,會(huì)對(duì)壓電薄膜產(chǎn)生壓力形變，輸出一個(gè)與所收壓力成正比的模擬信號(hào), 其輸出的周期與輪胎經(jīng)過傳感器上的時(shí)間相同。每一個(gè)輪胎碾壓傳感器時(shí),傳感器就會(huì)即時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的電子脈沖。利用壓電薄膜傳感器對(duì)行駛車輛稱重的檢測(cè)原理是對(duì)受力產(chǎn)生的信號(hào)積分?？刹捎秒姼芯€圈+ 壓電傳感器的方案，既可測(cè)得軸數(shù)又可測(cè)得車數(shù)，兩個(gè)傳感器之間的距離L一般取3 米,或短于3 米(也可根據(jù)需要確定)。動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)同時(shí)具備識(shí)別單、雙輪胎的能力,即通過斜埋壓電電纜3就可解決這個(gè)問題。Φ一般取30°～50°。對(duì)經(jīng)過車輛通過身份識(shí)別后，讀取壓力傳感器數(shù)據(jù)，將身份數(shù)據(jù)與載重?cái)?shù)據(jù)送入上位機(jī)進(jìn)行超載檢測(cè)，應(yīng)用壓電電纜進(jìn)行動(dòng)態(tài)超載檢測(cè)的布置如圖3所示。

圖3 壓電電纜埋設(shè)示意圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行應(yīng)考慮的問題

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用有源RFID標(biāo)簽來標(biāo)識(shí)車輛，因有源RFID標(biāo)簽具有投入成本低、可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)便、定位精確等優(yōu)點(diǎn)，安裝實(shí)施簡(jiǎn)單。無須對(duì)（市區(qū)）原有紅綠燈設(shè)備進(jìn)行拆卸，只需在車輛上安裝粘貼相應(yīng)的電子標(biāo)簽，而在原來有紅綠燈基礎(chǔ)上安裝RFID讀寫設(shè)備及調(diào)整信號(hào)燈控制器軟件即可實(shí)行。

由于道路的情況復(fù)雜，很容易對(duì)標(biāo)簽的微波信號(hào)進(jìn)行反射與衍射，為防止同一RFID卡號(hào)被多個(gè)讀卡器讀取到，從而導(dǎo)致對(duì)請(qǐng)求信號(hào)的誤判，可通過軟件設(shè)定一旦讀到RFID標(biāo)簽信號(hào)，則后續(xù)讀卡器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)(如30秒)對(duì)此RFID卡號(hào)進(jìn)行屏蔽，這樣可以避免同一ID號(hào)被一條道路上兩臺(tái)讀卡器讀到后造成對(duì)信息的誤判。而對(duì)多個(gè)信號(hào)的識(shí)別本著時(shí)間優(yōu)先的原則進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集及處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集與處理流程

4 結(jié)束語

本文對(duì)一種集機(jī)動(dòng)車超速、超載監(jiān)測(cè)與市區(qū)交通路口違章監(jiān)控功能于一體的路面交通管理系統(tǒng)的構(gòu)成做了分析，認(rèn)為該系統(tǒng)能夠完成對(duì)機(jī)動(dòng)車行駛車速、超載、違章信號(hào)的采集、無線傳輸及處理，當(dāng)機(jī)動(dòng)車的實(shí)際行駛速度、載重超過限定值，或是交通路口違章時(shí),系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，該系統(tǒng)進(jìn)一步的完善應(yīng)用，將會(huì)為嚴(yán)肅交通秩序，強(qiáng)化交通管理提供一種有效的管理手段，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景和推廣價(jià)值。

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RFID radio frequency identification technology based on road traffic management system design and development

WEN Wen, GAO Ge

本文介紹了一種由基于射頻識(shí)別技術(shù)的芯片與微控制器組成的射頻標(biāo)簽與讀卡器系統(tǒng)。文中闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括標(biāo)簽?zāi)K，讀卡器模塊，通信模塊，以及各種主要單元模塊的功能和工作過程。并將這一系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的道路交通，對(duì)于強(qiáng)化交通管理、維護(hù)交通秩序能發(fā)揮良好的作用。

射頻識(shí)別；交通違章；速度檢測(cè)；超載檢測(cè)

溫雯（ 1963－），女，副教授，高級(jí)工程師，主要從事電氣工程設(shè)計(jì)、智能化工程技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)和教學(xué)工作。

TP315

A

1009-0134(2011)4(下)-0151-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).45

2010-11-22