中圖分類號(hào)：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research and Design of High-Speed Path Recognition System Based on Dual Frequency RFID Composite Tag

LI Lu （Academic Affairs Office， Anhui University of Finance and Economics，Bengbu 2330o，Anhui，China）

Abstract：In order to solve the problem of accurate identification and charging of highway ambiguous path，a high-speed path identification system with dual frequency RFID composite tag is designed. The high-speed path identification and charging system is composed of provincial settlement and charging center， section sub center，Lane charging system and roadside identification system. By adopting the modular design method，the overall architecture design of the ETC high-speed path composite RFID active tag identification system in the 5.8GHz frequency band was completed. The software and hardware system scheme of the core main e^- quipment （dual-frequency composite RFID tag） was customized and gradually analyzed and implemented according to the module functions. After the test，the data reading accuracy of the system has reached 98% ，which meets the requirements of precise identification of vehicle path information and precise determination of vehicle driving paths，and has strong specific promotion value.

Key words：composite label; accurate identification;RFID dual band; roadside sign

0 引言

理、交通流量統(tǒng)計(jì)以及路況監(jiān)測(cè)等多方面工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié).傳統(tǒng)的路徑識(shí)別技術(shù)主要基于車牌識(shí)別、GPS定位等方法，都存在一定的局限性.文獻(xiàn)[1提出最短路徑法，從起始節(jié)點(diǎn)開始，逐步向外

隨著我國高速公路網(wǎng)絡(luò)的日益完善，運(yùn)營管理面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中路徑識(shí)別是影響收費(fèi)管擴(kuò)展，每次選擇距離起始節(jié)點(diǎn)最近的未訪問節(jié)點(diǎn)，并更新其到其他節(jié)點(diǎn)的距離.通過不斷重復(fù)這個(gè)過程，最終找到從起始節(jié)點(diǎn)到所有其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑.文獻(xiàn)[2]通過運(yùn)用決策理論的思想，提出決策系數(shù)的概念，將出行者個(gè)人行為引人到模型中.通過對(duì)現(xiàn)有的兩類靜態(tài)多路徑交通分配方法進(jìn)行對(duì)比分析，建立一種新的靜態(tài)多路徑交通分配模型.這些方法存在受人為、環(huán)境因素影響較大、數(shù)據(jù)更新延遲等問題，使得數(shù)據(jù)偏差較大.準(zhǔn)確、高效地識(shí)別車輛在高速公路上的行駛路徑對(duì)于實(shí)現(xiàn)合理的收費(fèi)政策、優(yōu)化交通資源配置以及提升道路服務(wù)水平具有重要意義.因此，利用信息化技術(shù)來尋求高速公路精準(zhǔn)收費(fèi)和多義路徑精準(zhǔn)識(shí)別的解決方案日益迫切[3」.

針對(duì)高速公路收費(fèi)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于雙頻RFID復(fù)合標(biāo)簽的高速路徑識(shí)別系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)核心設(shè)施之一的雙頻RFID復(fù)合標(biāo)簽軟硬件系統(tǒng).

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

射頻識(shí)別（radio frequencyidentification，RFID）技術(shù)作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、讀寫速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在高速公路領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-5].然而，單一頻段的RFID系統(tǒng)在面對(duì)復(fù)雜路況和大量車輛時(shí)，也面臨著信號(hào)干擾、標(biāo)簽識(shí)別率下降等問題.基于雙頻RFID復(fù)合標(biāo)簽的高速路徑識(shí)別系統(tǒng)可以充分發(fā)揮雙頻信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，提高路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性.通過硬件模塊化設(shè)計(jì)以及多頻段通信調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo).

精準(zhǔn)路徑識(shí)別：利用雙頻標(biāo)簽分時(shí)記錄動(dòng)態(tài)行駛路徑與靜態(tài)車輛信息，解決復(fù)雜路網(wǎng)多路徑歧義問題.

雙頻復(fù)合優(yōu)勢(shì)：結(jié)合低頻的強(qiáng)穿透性和高頻的高速數(shù)據(jù)傳輸能力，解決單一頻段在復(fù)雜環(huán)境（如金屬遮擋、多徑干擾）中的局限性

路徑連續(xù)性：通過多標(biāo)簽協(xié)同定位，構(gòu)建動(dòng)態(tài)路徑軌跡，避免單標(biāo)簽漏讀導(dǎo)致路徑斷裂[6].

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1.2.1 雙頻協(xié)同通信模型

通過頻段分工策略，充分發(fā)揮不同頻段的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理和安全的交易保障.5.8GHz 頻段的有源標(biāo)簽負(fù)責(zé)路徑標(biāo)識(shí)站的數(shù)據(jù)寫入操作，該頻段采用先進(jìn)的TDMA機(jī)制，支持多標(biāo)簽并發(fā)響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間 lt;10ms）.13.56MHz 無源標(biāo)簽則基于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443協(xié)議實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過非對(duì)稱加密算法保障交易安全[].

1.2.2 工作原理

當(dāng)車輛進(jìn)入高速公路時(shí)，將雙頻RFID復(fù)合標(biāo)簽安裝在車輛的指定位置，車輛行駛過程中，沿途的讀寫器會(huì)分別發(fā)射高頻和超高頻信號(hào)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作.高頻信號(hào)主要用于近距離讀取車輛基礎(chǔ)信息，確保車輛身份的準(zhǔn)確識(shí)別；超高頻信號(hào)則用于遠(yuǎn)距離讀取和更新車輛行駛路徑信息，記錄車輛經(jīng)過的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如收費(fèi)站、互通立交等.標(biāo)簽接收到讀寫器的信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)的頻率和指令要求，從相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中讀取或?qū)懭藬?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的頻段發(fā)送回讀寫器，從而實(shí)現(xiàn)車輛路徑信息的實(shí)時(shí)采集和傳輸.

2高速路徑識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 高速路徑識(shí)別收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速路徑識(shí)別收費(fèi)系統(tǒng)主要由以下四個(gè)部分組成：省結(jié)算計(jì)費(fèi)中心，該中心是整個(gè)收費(fèi)系統(tǒng)的核心，主要包括RFID有源標(biāo)簽發(fā)卡系統(tǒng)、收費(fèi)子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)；路段分中心，該中心主要負(fù)責(zé)特定路段的收費(fèi)管理和運(yùn)營，主要包括收費(fèi)子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)；車道收費(fèi)系統(tǒng)是直接與車輛交互的前端設(shè)備，主要包括ODU讀卡器和復(fù)合RFID有源標(biāo)簽；路側(cè)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)是用于識(shí)別車輛路徑的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括路側(cè)單元（roadsideunit，RSU）天線、攝像系統(tǒng)車輛RFID標(biāo)簽識(shí)別8.高速路徑識(shí)別收費(fèi)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

其中，省結(jié)算計(jì)費(fèi)中心子系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能為：省結(jié)算收費(fèi)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)車輛的通行路徑數(shù)據(jù)，精確拆分車輛的高速通行費(fèi)，同時(shí)將費(fèi)用分拆至各路段實(shí)現(xiàn)精確費(fèi)用分配.管理子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別軟硬件系統(tǒng)的異常警報(bào)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)管理與系統(tǒng)維護(hù).RFID有源標(biāo)簽發(fā)卡系統(tǒng)根據(jù)車輛需求，將空白R(shí)FID射頻卡發(fā)行為正式卡，并將卡片數(shù)據(jù)存入后臺(tái)[9].

路段分中心的收費(fèi)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)車輛路徑通行數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，并將該數(shù)據(jù)上傳至省計(jì)費(fèi)中心.管理子系統(tǒng)專注于路段分中心的系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)與故障處理[10].

車輛進(jìn)出口收費(fèi)子系統(tǒng)中的車輛入口標(biāo)簽發(fā)送系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)準(zhǔn)備駛?cè)烁咚俚能囕v進(jìn)行RFID復(fù)合標(biāo)簽的發(fā)放.車輛出口標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)通過無線讀卡器，實(shí)現(xiàn)高速車輛的入口數(shù)據(jù)、路徑數(shù)據(jù)和出口數(shù)據(jù)的讀取，進(jìn)行通行費(fèi)用的結(jié)算[11].

通過無線天線RSU對(duì)車輛的RFID標(biāo)簽進(jìn)行廣播識(shí)別，并將車輛的通行路徑數(shù)據(jù)精確地寫入RFID 標(biāo)簽內(nèi).

2.2 高速路徑識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1復(fù)合雙頻標(biāo)簽硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.8GHz 頻段的RFID有源電子標(biāo)簽用來精確記錄車輛的高速行駛路徑識(shí)別數(shù)據(jù)；13.56MHz 頻段無源電子標(biāo)簽（MIFARE1邏輯加密卡）記錄車輛進(jìn)入高速的入口數(shù)據(jù)和車輛具體數(shù)據(jù)[12].RFID復(fù)合雙頻標(biāo)簽設(shè)計(jì)如圖2所示.

5.8GHz（UHF）頻段 13.56 GHz（HF）頻段無主控MCU單元 源電子標(biāo)簽（MIFARE1RFID有源電子標(biāo)簽 邏輯加密卡）

如圖2，主控MCU采用了PIC24F08芯片，該芯片具有9路A/D通道、數(shù)據(jù)速率最高可以達(dá)到32MIPS、超低功耗、 深度休眠和 2μA 的空閑模式的特點(diǎn). 5.8GHz 頻段模塊采用S50作為HF讀寫芯片， 13.56MHz 頻段模塊采用CC1101作為射頻識(shí)別模塊，電源模塊采用CR3032實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)的供電功能.ODU標(biāo)簽IC卡讀寫器采用了聯(lián)機(jī)操作模式，通過RS232實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)串口的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了雙頻RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫功能.

2.2.2 路側(cè)標(biāo)識(shí)站RSU標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

路側(cè)標(biāo)簽標(biāo)識(shí)站包括RSU主機(jī)模塊、RSU主機(jī)天線模塊、電源模塊和遠(yuǎn)程通信模塊[13].標(biāo)識(shí)站RSU系統(tǒng)建設(shè)方案如圖3所示.

從圖3可看出，該建設(shè)方案在高速公路的關(guān)鍵位置部署路徑信息標(biāo)識(shí)站（如A、B、C、D），并為這些標(biāo)識(shí)站配備天線以實(shí)現(xiàn)與車輛上OBU的無線通信，確保能夠準(zhǔn)確記錄車輛的行駛路徑.同時(shí)，還需要考慮各標(biāo)識(shí)站之間的通信干擾問題，以保證通信的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性.路側(cè)標(biāo)識(shí)站主要實(shí)現(xiàn)了車輛行駛過程中的路徑精確定位和車輛信息寫人的功能，它提供了路段標(biāo)識(shí)站RSU的實(shí)時(shí)設(shè)備監(jiān)測(cè)、配置和維保功能.

3高速路徑識(shí)別系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)高速路徑識(shí)別收費(fèi)系統(tǒng)中對(duì)車輛高速網(wǎng)的通

行路徑詳細(xì)信息的精確記錄是重中之重，為了實(shí)現(xiàn)多義性路段精確計(jì)費(fèi)拆分，設(shè)計(jì)了高速路徑識(shí)別系統(tǒng)軟件流程，

3.1 高速收費(fèi)系統(tǒng)主要流程設(shè)計(jì)

高速收費(fèi)系統(tǒng)主要分為入口、行駛和出口三個(gè)步驟，其總體流程如圖4所示.

從圖4可看出，在入口處對(duì)駛?cè)敫咚俟返能囕v通過ODU尋卡并發(fā)行，通過車道軟件上傳數(shù)據(jù).行駛過程中，系統(tǒng)利用沿線監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄車輛路徑.出口時(shí)，車輛出口ODU尋卡并讀取入口路徑信息，通過車道軟件上傳數(shù)據(jù)，分中心數(shù)據(jù)庫記錄.整個(gè)系統(tǒng)通過對(duì)高速通行車輛路徑的精確定位和車輛信息寫入，將數(shù)據(jù)上傳路段分中心的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行記錄，再由省計(jì)算中心OBU初始化記錄到省中心數(shù)據(jù)庫，確保收費(fèi)高效、準(zhǔn)確和安全[14].

3.2復(fù)合RFID標(biāo)簽軟件流程設(shè)計(jì)

復(fù)合雙頻標(biāo)簽路徑識(shí)別系統(tǒng)流程如圖5所示.

該流程主要包括以下3步：當(dāng)車輛進(jìn)入高速路口時(shí)，車道口站發(fā)放可以記錄車輛行駛路徑精確信息的RFID復(fù)合雙頻標(biāo)簽IC卡；當(dāng)高速車輛行進(jìn)至安裝無線傳感標(biāo)識(shí)站車道時(shí)，雙頻標(biāo)簽會(huì)自動(dòng)觸發(fā)標(biāo)識(shí)站的廣播信號(hào)門限，喚醒標(biāo)簽并同時(shí)實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)標(biāo)識(shí)信息的寫入；當(dāng)車輛行駛出高速路口時(shí)，雙頻讀卡器讀取標(biāo)識(shí)站信息、車輛具體信息和車輛高速入口信息.計(jì)費(fèi)中心根據(jù)車輛的行駛路段進(jìn)行計(jì)費(fèi)，同時(shí)將該繳費(fèi)信息上傳至各級(jí)計(jì)費(fèi)中心，完成后臺(tái)稅費(fèi)劃分和分賬.

復(fù)合RFID有源標(biāo)簽的流程如圖6所示，復(fù) 合RFID有源標(biāo)簽與復(fù)合讀寫器進(jìn)行通信流程如 圖7所示，復(fù)合RFID有源標(biāo)簽與RSU通信的流 程如圖8所示.

從圖6可看出，復(fù)合RFID有源標(biāo)簽的軟件主流程通常包括初始化、處理與存儲(chǔ)、通信交互等環(huán)節(jié).流程從系統(tǒng)上電開始，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化.初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能源.當(dāng)系統(tǒng)被喚醒時(shí)，如果檢測(cè)到信號(hào)，系統(tǒng)將進(jìn)入正常工作模式，并與讀寫器進(jìn)行通信交互.如果沒有檢測(cè)到信號(hào)，系統(tǒng)將繼續(xù)處于休眠狀態(tài)，等待下一次喚醒.整個(gè)流程確保了系統(tǒng)在需要時(shí)能夠快速響應(yīng)，同時(shí)在不需要時(shí)節(jié)省能源.

從圖7可看出，當(dāng)復(fù)合RFID有源標(biāo)簽進(jìn)入復(fù)合讀寫器的射頻信號(hào)覆蓋范圍時(shí)，若未超過接收次數(shù)，讀寫器會(huì)發(fā)送一個(gè)包含特定命令的射頻信號(hào).有源標(biāo)簽接收到該信號(hào)后，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行CRC校驗(yàn).若校驗(yàn)通過，則根據(jù)命令（CMD）執(zhí)行相應(yīng)操作.整個(gè)流程確保了通信的可靠性和準(zhǔn)確性，通過校驗(yàn)機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，最終在任務(wù)完成后返回.

從圖8可看出，在智能交通等場(chǎng)景中，復(fù)合RFID有源標(biāo)簽與路邊單元RSU進(jìn)行通信時(shí)，如果未超過門限，則在WOR模式下接收數(shù)據(jù)包，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行幀格式校驗(yàn)和循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC.校驗(yàn)成功后，系統(tǒng)會(huì)保存接收到的路徑信息，并更新系統(tǒng)狀態(tài).整個(gè)流程確保了復(fù)合RFID有源標(biāo)簽與RSU之間的通信是可靠準(zhǔn)確的，通過校驗(yàn)機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的完整性和正確性.如果在校驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)返回錯(cuò)誤信息，以便于進(jìn)行故障排查和處理.

4系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證雙頻RFID復(fù)合標(biāo)簽的高速路徑識(shí)別系統(tǒng)的性能，采用了200張IC卡，并搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái).將復(fù)合標(biāo)簽通過讀寫器進(jìn)行入口發(fā)行，然后車輛經(jīng)過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的16個(gè)路側(cè)標(biāo)識(shí)站，來回通行循環(huán)6次共采集96次路側(cè)標(biāo)識(shí)站數(shù)據(jù).將該200張標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取后，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1和表2所列.

從表1可看出，在車輛正常行駛中，雙頻標(biāo)簽的識(shí)別率達(dá)到了 98% ，表明該路徑識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車輛行駛路徑信息的可靠采集.

從表2可看出，該電子標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)20萬次的數(shù)據(jù)讀寫，能保障5年內(nèi)的電能供應(yīng).綜合來看，該系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)性能優(yōu)良，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)初衷.

5 結(jié)語

針對(duì)高速公路多義性路段的復(fù)雜收費(fèi)需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于雙頻RFID復(fù)合標(biāo)簽的高速路徑識(shí)別系統(tǒng).該系統(tǒng)以雙頻復(fù)合標(biāo)簽為核心，通過融合 5.8GHz 有源標(biāo)簽和 13.56MHz 無源標(biāo)簽的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛行駛路徑的精準(zhǔn)識(shí)別與數(shù)據(jù)采集.經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)路徑識(shí)別的數(shù)據(jù)采集與車輛路徑判定功能，能夠?yàn)槎嗔x性高速路徑的稅費(fèi)分配提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支持.這一成果不僅有效解決了傳統(tǒng)路徑識(shí)別技術(shù)在復(fù)雜路況下的局限性，還為高速公路的精細(xì)化管理和智能化收費(fèi)提供了有力的技術(shù)支撐.

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