孙酉山 王亮

(1.河南省交通科学技术研究院有限公司,河南郑州 450000;2.河南农业大学,河南郑州 450000)

基于双向射频技术的车联网子系统初步研究

孙酉山1王亮2

(1.河南省交通科学技术研究院有限公司,河南郑州 450000;2.河南农业大学,河南郑州 450000)

随着物联网等信息技术的发展,交通信息采集、传输和发布等设备日趋完善,为车联网系统的发展和应用奠定了重要的物质基础。在现阶段,将双向射频技术应用到高速公路管理系统中,通过信息交互特性实现车辆的路径精确识别,既解决了高速公路二义性问题,又为车流量调查,车辆定位,交通管理决策等提供了技术手段,为构建高速公路车联网子系统创造了先决条件。

车联网 双向射频 路径识别

智能交通和物联网技术的进步给车联网系统的发展提供了良好的理论指导和技术支持，车联网系统也为智能化交通的最终实现勾勒出了一个理想的平台，它使全面、即时、安全、高效、统一的车辆管理成为可能。当汽车制造与智能信息技术完美地交织在一起时，车联网构建了一个安全、通畅、环保，使人、车、环境能够有机结合的公路运输系统。

1 车联网系统

1.1 感知交通生活,提高出行质量

减少交通事故、提高路网效率以及降低车辆能耗是近几十年来人们研究和发展智能交通系统的主要目标。然而随着时间的推移，人们不仅仅只关注于解决这些交通问题，更重要的是感受交通出行带给人类的生活品质的改变。全新的车辆出行特征在带给人们娱乐的同时，也带来了对未来更便捷、更通畅交通环境的期望。通过对车联网技术应用的展望我们不难想象，在未来的道路上，车辆既不需要交通信号的引导也不需要交警的指挥，但依然能够高速畅通的行驶，秩序井然，安全可靠。

1.2 车联网系统的构成及功能

从系统的角度看，车联网系统如同物联网一样可划分为一个由感知互动层、网络传输层和应用服务层组成的三层体系。感知互动层由大量具有感知和识别功能的设备组成，主要部署于交通运输基础设施环境中，例如线圈检测器、视频监控设备、RFID设备以及路标基站等等。网络传输层包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，可以是提供公共服务的电信网、互联网，也可以是依托行业或技术建立的专业网络，例如无线传感网、各种通信协议等。应用服务层在车联网体系中是将物联网技术与交通运输行业技术进行结合而产生的实现智能化服务方案的集合，例如车辆电子联网收费、路径识别定位等等。

对车联网系统而言，其方法就是将现代汽车技术和现代通信技术以及网络技术结合起来把车辆变成网络终端。因此，我们将车联网系统的基本功能归结为：“为运输车辆和驾驶人提供无处不在的智能链接和智能在线服务”。就是说它可以利用网络和信息的传输为人类在车辆驾驶过程中所面对的一切问题提供快捷的解决方案。车联网系统的应用层可以支持多种多样的智能交通服务，主要涉及区域智能交通系统控制、动态交通信息服务、智能道路电子收费、城市公共交通系统以及智能汽车等等。

图2-1 双向RFID通行卡工作示意图

2 车联网子系统的构建

从整体上看，构建车联网系统应该走一条规划为先导，由局部子系统到整体大系统，由局部技术突破到整体技术融合的循序渐进的过程。高速公路系统一直具有封闭性好、信息化强等特点，对交通管理而言具有很强的规范性和代表性。将双向射频技术应用到高速公路系统中来，实现对车辆行驶过程、状态等信息的全程网络化监控，为出行者提供安全、便捷的交通服务，从而形成了以高速公路为基础的车联网子系统。

2.1 双向射频技术

RFID即射频识别技术，是一种基于无线通信的自动识别技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。双向射频技术是相对于单项射频技术而言的，但其基本原理完全相同，双向最突出的特点是设备与设备之间进行的主动的信息交互。目前，单向射频技术已在浙江省、四川省的高速公路系统中平稳运行，它通过标识站对通行卡的写入，实现了车辆数据的单向记录。在系统构成上，单向与双向并无区别，其主要差别在各设施的具体性能要求上。双向射频技术方案能够实现路标基站与通行卡之间的信息交互，通过交互信息可实现交通流数据的多种采集形式。双向射频技术识别精度较高，可达到99%以上。

2.2 车联网子系统方案

以高速公路行驶车辆信息为研究对象，采用双向通信技术，实现了交通流数据实时记录传输，实现了车-路-车的联网互通，解决车辆行驶的路径、定位、交通信息数据等相关问题，形成了具有一定应用价值的高速公路车联网子系统方案。

如图2-1所示，系统具体工作过程如下：

(1)车辆进入高速入口发通行卡，写入即时车辆信息;

(2)过往车辆携带通行卡在高速公路通行;

(3)车辆经过高速公路网中电子路标基站时，车内通行卡与其进行双向通信，通行卡记录电子路标基站内的“桩号”信息，同时发送本车辆数据信息给电子路标基站;

(4)电子路标基站接收通行卡信息后实时传输给上级服务器，中心服务器把相关信息进行汇总、整理、归类和分析，做好信息数据采集工作;

(5)车辆在高速公路出口处上交通行卡，对通行卡内的信息进行读取，从而获取车辆准确的行驶信息，根据实际路径进行收费管理;

(6)可视化路网运行态势，监控车辆位置、车速、运行状态及行驶路径。为公路管理部门提供直观、科学的决策管理信息;

(7)通过数据共享和统计分析，建立省、区、站信息共享网络，Web服务器向客户之间提供信息访问、浏览和查询。

2.3 系统研究内容

高速公路车联网子系统的主要研究内容包括：通信模块、通行卡模块、查询统计模块、动态跟踪车辆模块、服务器间传输数据及相关数据库研究等几部分。

2.3.1 通信模块

电子路标是高速公路路旁竖立的电子通信基站，承担着和车载射频卡相互通信、上传数据信息的任务。车辆携带着通行卡在高速公路上行驶，与安装在高速公路隔离带上的电子路标在双向车道的有效距离内进行正常通信。电子路标读取通行卡记录关于车辆的详细信息，并将电子路标编号及时间等数据写入通行卡，间隔一定周期后将收集的通行卡信息传输给各个收费站服务器。

考虑到路标设置需满足系统在复杂路网中及时准确的实现交通流信息采集功能，路标的设置必须布局合理，构成路网坐标。路标基站模块要周期性发布路标信息，与车载卡通信，记录通过车辆信息。路标基站模块需实时传输经过车辆及经过时间等信息到收费服务器。电子路标工作在野外，供电环境复杂，而电子路标功率特别小，建议使用太阳能+蓄电瓶方案解决电子路标供电问题。

2.3.2 通行卡模块

通行卡包括了无源RFID、PCB天线、无线收发芯片、单片机、EEPROM存储芯片、锂电池、充电器开关接口等。通行卡读写系统采用先进无线电技术，通信距离远、抗干扰能力强、可靠性高。为解决系统的节电性，系统在软件通信技术方面采用高效唤醒睡眠算法，功耗低、工作时间长。通行卡锂电池要求小型化、待机时间长、充电时间短，并具有防止过冲、防止过放等功能。

无线通信模块采用433MHz频段。该频率绕射能力强，通信可靠，能实现在不停车、不减速、大流量、多车型条件下车辆识别功能。通过使用抗干扰的通信技术和高度集成的单片收发芯片来保证系统通信的可靠性和工作的稳定性。在无线通信中，采用优化的防碰撞和远程唤醒技术，实现无线路径标识站在极短时间内与大量无线车辆识别卡的通信功能，实现大流量识别效果。单片机采用MSP430系列，配1MB可擦写存储器，用于记忆途径所有标识站。无源电子标签频率13.56MHz，实现与收费站近距离信息交互，兼容传统计费方法，同时也为远程无线通信失效情况提供收费依据。

其它几项辅助模块可以实现对车辆联网数据的全方位跟踪、调取以及分析，为解决车辆行驶过程中面临的问题提供解决方案，并通过全方位的信息发布设备告知出行车辆。

3 结语

双向射频技术在高速公路中的应用，能够完全取代现有的交通监控采集系统，并能够完成交通信息采集、数据处理、智能传输等功能，使安全、便捷的车联网成为可能。并且其依托现有高速公路收费系统构建，能够节省资金，避免重复投资带来的资源浪费。从长远看，其实现了交通信息交互无障碍化、交通流数据通信的实时化，这大大提高这了交通管理效率，也为更多智能交通功能的拓展提供基础支持，具有较好的发展前景和社会效益。