劉 凱，楊登輝，齊國(guó)強(qiáng)，呂天劍

（浙江?？悼萍加邢薰荆憬?杭州 310012）

0 引言

非機(jī)動(dòng)車如電動(dòng)車，因其體積小、機(jī)動(dòng)靈活，駕駛者在道路上行駛時(shí)，為了省事方便，常無(wú)視交通規(guī)則，不顧交通安全。如駕駛電動(dòng)車逆行，一旦出現(xiàn)緊急情況，行人和電動(dòng)車都難以及時(shí)躲避，事故率非常高。為了提高非機(jī)動(dòng)車如電動(dòng)車駕駛者的交通安全意識(shí)和降低非機(jī)動(dòng)車因逆行或其他危險(xiǎn)行為引起的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失情況，交警采用多點(diǎn)部署、蹲點(diǎn)排查等方式對(duì)非機(jī)動(dòng)車進(jìn)行糾章，雖然有一定的效果，但大大增加了交警的勞動(dòng)強(qiáng)度，耗費(fèi)了大量的警力資源。本文提出了一種基于有源RFID的非機(jī)動(dòng)車輛逆行檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是電動(dòng)車防控射頻網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展，可以有效發(fā)揮公安建設(shè)的有源射頻RFID防控網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)[1]，能夠提高交警部門對(duì)非機(jī)動(dòng)車輛的智能化管理水平，降低交警勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省警力資源，并填補(bǔ)非機(jī)動(dòng)車輛逆行檢測(cè)的空白。通過(guò)本系統(tǒng)也可以對(duì)非機(jī)動(dòng)車違章駕駛者造成心理威懾，從而降低違章發(fā)生率，維護(hù)交通安全。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用分布式計(jì)算的設(shè)計(jì)思想，車輛感知及逆行判斷均由分布式基站完成，最終將結(jié)果發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，此種設(shè)計(jì)方式可以最大化利用基站資源并降低服務(wù)器大數(shù)據(jù)量處理的壓力。系統(tǒng)由傳感層、感知層、后臺(tái)服務(wù)及WEB服務(wù)組成。

1.1 傳感層

有源RFID作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一，通過(guò)無(wú)線方式識(shí)別特定目標(biāo)信息而無(wú)需直接接觸[2][3]，特別適合在該方案中用于車輛身份標(biāo)識(shí)的傳感層。有源標(biāo)簽由電池供電，功耗極低，一顆2450紐扣電池即可保障正常工作3年，且發(fā)包周期短，具備最快100km/h時(shí)速下的快速抓取能力，完全可以勝任對(duì)非機(jī)動(dòng)車輛的感知工作[4]。

1.2 感知層

由雙天線有源RFID閱讀器構(gòu)成非機(jī)動(dòng)車輛監(jiān)控的感知層。采用1Mbps的空口通信速率加高性能處理器，使得有源閱讀器多標(biāo)簽接入能力高達(dá)500張/s，可以滿足任意場(chǎng)景的目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)。

1.3 后臺(tái)服務(wù)

主要用于設(shè)備維護(hù)及數(shù)據(jù)接入，將感知層回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)管理，供WEB服務(wù)分析使用。

1.4 WEB服務(wù)

主要提供人機(jī)交互界面，用于提供基于時(shí)間的數(shù)據(jù)篩選和違章信息的地理位置統(tǒng)計(jì)分布。整體框圖如圖1所示。

圖1 WEB服務(wù)系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 有源標(biāo)簽設(shè)計(jì)

采用 NORDIC提供的 soc芯片nRF24LE1，其內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核及nRF24L01+射頻前端，只需增加極少的外圍射頻匹配電路等即可完成有源標(biāo)簽設(shè)計(jì)。

2.2 雙天線有源閱讀器

閱讀器硬件主要由主控芯片GD32F450、兩塊射頻前端芯片、4G模塊、供電系統(tǒng)組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

其中射頻前端芯片采用NORDIC提供的nRF51/52系列芯片，其特有的射頻DMA處理機(jī)制為多標(biāo)簽處理性能提供了保障。

4G模組采用移遠(yuǎn)EC20模塊，其內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，可以直接通過(guò)AT指令為有源閱讀器提供訪問(wèn)服務(wù)器主機(jī)的4G網(wǎng)絡(luò)接入能力，滿足接入服務(wù)與閱讀器之間數(shù)據(jù)交互的要求。

3 算法設(shè)計(jì)

閱讀器包括讀取有源RFID標(biāo)簽的兩個(gè)定向天線，分別為定向天線A和定向天線B。兩個(gè)定向天線分別朝向非機(jī)動(dòng)車正向行駛方向和非機(jī)動(dòng)車逆向行駛方向。逆行檢測(cè)閱讀器通過(guò)RSSI閾值劃分檢測(cè)區(qū)域，檢測(cè)區(qū)域由進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域和同側(cè)檢測(cè)區(qū)C組成。進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域包括分別與兩個(gè)定向天線同側(cè)劃分的兩個(gè)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，分別為進(jìn)入檢測(cè)區(qū)A、進(jìn)入檢測(cè)區(qū)B，同側(cè)檢測(cè)區(qū)C位于兩個(gè)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域A、B之間的位置，如圖3所示。

系統(tǒng)對(duì)非機(jī)動(dòng)車進(jìn)行逆行檢測(cè)的方法[5]，包括如下步驟：

（1）逆行檢測(cè)閱讀器的定向天線A與電動(dòng)車同側(cè)正向行駛方向一致，定向天線B與電動(dòng)車同側(cè)正向行駛方向相反，由此確定了逆行檢測(cè)閱讀器同側(cè)的逆行判斷規(guī)則；

（2）設(shè)定進(jìn)入檢測(cè)RSSI閾值和同側(cè)檢測(cè)RSSI閾值，將空間劃分為進(jìn)入檢測(cè)區(qū)A、同側(cè)檢測(cè)區(qū)C、進(jìn)入檢測(cè)區(qū)B二個(gè)區(qū)域；

（3）電動(dòng)車I在1時(shí)刻所處位置為 I1，當(dāng)逆行檢測(cè)閱讀器檢測(cè)到電動(dòng)車有源RFID信號(hào)強(qiáng)度值即RSSI超過(guò)進(jìn)入檢測(cè)RSSI閾值時(shí)，認(rèn)為有效數(shù)據(jù)，并開(kāi)始進(jìn)行逆行分析，并將電動(dòng)車首次出現(xiàn)時(shí)讀取數(shù)據(jù)的定向天線A的區(qū)域認(rèn)定為起始區(qū)域，即電動(dòng)車I的起始區(qū)域?yàn)锳。

圖3 逆行檢測(cè)算法原理示意圖

（4）電動(dòng)車 I在3時(shí)刻所處位置為I3，當(dāng)逆行檢測(cè)閱讀器檢測(cè)到電動(dòng)車RSSI值低于進(jìn)入檢測(cè)RSSI閾值時(shí)，判斷最后讀取的定向天線B的區(qū)域?yàn)檐囕v行駛的終止方向，即圖示電動(dòng)車的終止區(qū)域?yàn)锽。

（5）根據(jù)電動(dòng)車I整個(gè)逆行分析過(guò)程是否出現(xiàn)RSSI值超過(guò)同側(cè)檢測(cè)RSSI閾值，判定該電動(dòng)車是否在與逆行檢測(cè)閱讀器安裝位置同側(cè)的非機(jī)動(dòng)車道上行駛，如圖3所示，電動(dòng)車I在2時(shí)刻所處位置I2進(jìn)入了同側(cè)檢測(cè)區(qū)域C，即電動(dòng)車I與逆行檢測(cè)閱讀器同側(cè)；

（6）綜合分析，逆行檢測(cè)閱讀器同側(cè)正行方向?yàn)锽→A，而電動(dòng)車I的行駛軌跡為A→B，因此為逆行違章，即電動(dòng)車I在與逆行檢測(cè)閱讀器同側(cè)方向發(fā)生逆行違章。

同理分析電動(dòng)車J（圖3中左側(cè)非機(jī)動(dòng)車道）：

（1）電動(dòng)車J在1時(shí)刻所處位置為J1，當(dāng)逆行檢測(cè)閱讀器檢測(cè)到電動(dòng)車有源RFID信號(hào)強(qiáng)度值即RSSI超過(guò)進(jìn)入檢測(cè)RSSI閾值時(shí)，認(rèn)為有效數(shù)據(jù)，并開(kāi)始進(jìn)行逆行分析，并將電動(dòng)車首次出現(xiàn)時(shí)讀取數(shù)據(jù)的定向天線B的區(qū)域認(rèn)定為起始區(qū)域，即電動(dòng)車J的起始區(qū)域?yàn)锽；

（2）電動(dòng)車 J在2時(shí)刻所處位置為 J2，當(dāng)逆行檢測(cè)閱讀器檢測(cè)到電動(dòng)車RSSI值低于進(jìn)入檢測(cè)RSSI閾值時(shí)，判斷最后讀取數(shù)據(jù)的定向天線A的區(qū)域?yàn)檐囕v行駛的終止方向，即圖示電動(dòng)車的終止區(qū)域?yàn)锳；

（3）根據(jù)電動(dòng)車J整個(gè)逆行分析過(guò)程未出現(xiàn)RSSI值超過(guò)同側(cè)檢測(cè)RSSI閾值，判定電動(dòng)車在與逆行檢測(cè)閱讀器的異側(cè)方向行駛；

（4）綜合分析，逆行檢測(cè)閱讀器同側(cè)正行方向?yàn)锽→A，那么異側(cè)正行方向?yàn)锳→B，而電動(dòng)車J的行駛軌跡為B→A，因此為逆行違章，即電動(dòng)車J在與逆行檢測(cè)閱讀器異側(cè)方向發(fā)生逆行違章。

（5）其他任意不符合該規(guī)則的車輛均認(rèn)定為正向行駛。

逆行檢測(cè)算法軟件流程詳見(jiàn)圖4。

圖4 逆行檢測(cè)算法流程

4 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，在和睦醫(yī)院門口安裝一臺(tái)逆行分析閱讀器并在測(cè)試車輛中安裝有源標(biāo)簽，通過(guò)在道路兩側(cè)分別逆行后，在后臺(tái)分析服務(wù)器中查詢糾章明細(xì)，系統(tǒng)成功檢測(cè)到同側(cè)和異側(cè)逆行，結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果查詢

為驗(yàn)證系統(tǒng)準(zhǔn)確率，在測(cè)試車輛中安裝了5張測(cè)試標(biāo)簽，并沿設(shè)備測(cè)試點(diǎn)同側(cè)及異側(cè)進(jìn)行逆行測(cè)試，共計(jì)行駛次數(shù)5圈，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 逆行測(cè)試結(jié)果

注：“√”：表示有效數(shù)據(jù)；“/”：表示無(wú)效數(shù)據(jù)；“×”：表示錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；

從表1可以看出，同側(cè)逆行檢測(cè)準(zhǔn)確率為100%；異側(cè)逆行檢測(cè)結(jié)果成功率為84%，判斷不出順行逆行的無(wú)效數(shù)據(jù)占16%，逆行檢測(cè)成順行的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)為0%。從數(shù)據(jù)上分析可知，異側(cè)行駛車輛由于受到機(jī)動(dòng)車輛等外在環(huán)境因素影響準(zhǔn)確率比設(shè)備同側(cè)略低，但已初步具有一定的實(shí)際意義。由于受測(cè)試環(huán)境影響及樣本數(shù)量較少，準(zhǔn)確率上存在一定誤差，有待后續(xù)項(xiàng)目進(jìn)行修正。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于有源RFID技術(shù)的非機(jī)動(dòng)車逆行檢測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)講解了逆行檢測(cè)系統(tǒng)組成及算法實(shí)現(xiàn)原理并通過(guò)實(shí)際環(huán)境測(cè)試驗(yàn)證其有效性。該系統(tǒng)可以有效發(fā)揮公安建設(shè)的有源RFID射頻防控網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，為有源電動(dòng)車防控射頻網(wǎng)提供橫向應(yīng)用擴(kuò)展，有效提高交警部門對(duì)非機(jī)動(dòng)車輛的智能化管理水平，優(yōu)化警力資源配置，具有很好的社會(huì)價(jià)值及應(yīng)用前景。