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    RFID(Radio Frequency Identification；無線射頻識別)技術有非接觸、閱讀速度快、閱讀信息量大、可讀可寫、識別率極高、不受環境的影響、便于調試和安裝、保密性強、無磨損、壽命長、能同時識別多個目標等特點和優勢。將RFID應用于車輛的自動收費系統是十分理想的。

    在國外RFID技術已經廣泛地應用于高速公路的車輛不停車自動收費系統。山西省高速公路網規劃將在原有基礎上增加2 110 km，2009年高速公路建設里程將超2 000 km。隨著中國經濟的飛速發展及2009年經濟危機背景下發布的汽車工業發展計劃，車輛保有量出現了飛速的增長，也推動了我省的高速公路發展。與此同時，原有的以人工為主的收費系統因為效率低下，逐漸無法適應當前的狀況。基于射頻識別(RFID)技術的自動收費系統為解決這一矛盾提供了可能。本文提出了一種基于nRf2401無線收發芯片的ETC系統。

    1 硬件設計

    考慮到安全，車輛通過收費口時車速時速不應超過60 km／h。本系統采用的無線收發模塊通信距離為30 m，則總的通信時間應控制在1．8 S以內。考慮到環境干擾等因素，應將總的通信時間控制在1 S以內。識別率為99．9 。

    1．1 系統總體結構

    系統分為讀寫器、上位機及電子標簽三部分。電子標簽安置在車輛前檔風玻璃下，讀寫器安裝在收費口外側，共兩個。上位機安裝在高速入口原收費崗內，便于保護貴重的電腦系統。讀寫器和電子標簽8O 硬件電路相同，可以減少開發費用、降低生產成本。如圖1所示： 

    1．2 電子標簽硬件設計

   無線通信采用nRF2401單片射頻收發芯片，工作頻率2．4 GHz ISM 頻段。芯片能耗非常低，以0．032 mW 的功率發射時，工作電流只有lO．5 mA，接收時工作電流只有18 mA，其DuoCeiverTM 技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數據。

    nRF2401有工作模式有四種：收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式。

    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80C51產品指令和引腳完全兼容。擁有靈巧的8位CPU 和在系統可編程FLASH。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。在休眠狀態，單片機僅消耗5OμA的電流，可以大幅延長標簽內部電池壽命。標簽電源采用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。標稱電壓為3．0 V，額定容量為220 mAh。一枚CR2032可以使電子標簽最長工作0．5年。

    1．3 讀寫器硬件設計

    無線通信部分采用nRF2401；控制器部分采用AT89S52。硬件電路與電子標簽相同。讀寫器包含RS232通信接口與上位機進行通信，傳送車輛信息。當上位機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整流穩壓后為電路提供電能，當220 V 電源不可用時，由鋰電池繼續供電維持讀寫器工作。

    2 系統工作流程

    高速入口：

    (1)讀寫器會不停的向周圍發射詢問信號。當有車輛進入外側讀寫器信號覆蓋范圍，車上的電子標簽會被詢問信號喚醒。

    (2)標簽向讀寫器發出握手信號，提出通信申請。握手信號中包含電子標簽擁有的唯一的ID號。讀寫器接受握手信號后，向電子標簽發出確認握手信號。在接收到確認握手信號前，標簽將會不斷發射握手信號。

    (3)電子標簽接受到握手信號后，向讀寫器發出請求認證信號，包含加密信息。讀寫器接受到請求認證信號后，如加密信息確認，則發送認證完成信號給電子標簽，信號中包含高速路口代碼和當前時間。如加密信息沒有確認，讀寫器將返回錯誤信號給電子標簽。

    (4)讀寫器向上位機發送確認信號，上位機將此時的時間及高速人口代碼存儲進數據庫。

    (5)電子標簽接受到認證完成信號后，將當前時間和高速人LI代碼記錄進存儲器。若接受到錯誤信號，標簽會再次發送認證信號。

    高速出口：

    (1)～(2)與入口流程相同。
    (3)標簽向讀寫器發出握手信號，提出通信申請。握手信號中包含電子標簽擁有的唯一的ID號和標簽存儲的人口時間和人口代碼。讀寫器接受握手信號后，向電子標簽發出確認握手信號。在接收到確認握手信號前，標簽將會不斷發射握手信號。
    (4)標簽收到確認握手信號，將入口信息清空。
    (5)讀寫器將人口時間和代碼發送給上位機。
    (6)上位機通過與當前出口代碼比較，計算出兩個路口之間的距離并計算出相應費用。
    (6)人工收費后，開啟橫桿放行車輛。 

    3 關鍵技術

    3．1 車輛識別技術

    nRF2401具有發射功率可調功能。當讀寫器發射功率為0．1 mW ，試驗證明可以在10 m范圍內檢測到車輛上的電子標簽。在出人口設置2個讀寫器，讀寫器相距20 m。在讀寫器中間設置微波感應器。當兩個讀寫器同時檢測到同一個電子標簽，且微波感應器感應到車輛，則系統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

    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行了加密處理。讀寫器和電子標簽首次通信采用明碼，確認對方存在。然后由讀寫器發送一串加密的隨機數給電子標簽，標簽解密后重新加密再發送給讀寫器，若讀寫器判斷解密后的數字與隨機數相同，則握手成功，此后電子標簽和讀寫器之間的通信數據全部加密；若不相同則停止與這個電子標簽通信，ID列入黑名單。

    4 結論

    通過試驗，本系統達到了預期的效果。試驗2O次，識別成功20次，成功率100 。試驗到5O次，識別成功49次，成功率98％。該系統可以有效解決高速公路收費堵車的問題，實現了無人值守不停車自動收費，提高收費工作的效率。

    (文/山西大學工程學院，王曉峰，張致恒，張 波，李紹唐)

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