基于雙向射頻技術的車聯網子系統初步研究

孫酉山 王亮

(1.河南省交通科學技術研究院有限公司,河南鄭州 450000;2.河南農業大學,河南鄭州 450000)

基于雙向射頻技術的車聯網子系統初步研究

孫酉山1王亮2

(1.河南省交通科學技術研究院有限公司,河南鄭州 450000;2.河南農業大學,河南鄭州 450000)

隨著物聯網等信息技術的發展,交通信息采集、傳輸和發布等設備日趨完善,為車聯網系統的發展和應用奠定了重要的物質基礎。在現階段,將雙向射頻技術應用到高速公路管理系統中,通過信息交互特性實現車輛的路徑精確識別,既解決了高速公路二義性問題,又為車流量調查,車輛定位,交通管理決策等提供了技術手段,為構建高速公路車聯網子系統創造了先決條件。

車聯網 雙向射頻 路徑識別

智能交通和物聯網技術的進步給車聯網系統的發展提供了良好的理論指導和技術支持，車聯網系統也為智能化交通的最終實現勾勒出了一個理想的平臺，它使全面、即時、安全、高效、統一的車輛管理成為可能。當汽車制造與智能信息技術完美地交織在一起時，車聯網構建了一個安全、通暢、環保，使人、車、環境能夠有機結合的公路運輸系統。

1 車聯網系統

1.1 感知交通生活,提高出行質量

減少交通事故、提高路網效率以及降低車輛能耗是近幾十年來人們研究和發展智能交通系統的主要目標。然而隨著時間的推移，人們不僅僅只關注于解決這些交通問題，更重要的是感受交通出行帶給人類的生活品質的改變。全新的車輛出行特征在帶給人們娛樂的同時，也帶來了對未來更便捷、更通暢交通環境的期望。通過對車聯網技術應用的展望我們不難想象，在未來的道路上，車輛既不需要交通信號的引導也不需要交警的指揮，但依然能夠高速暢通的行駛，秩序井然，安全可靠。

1.2 車聯網系統的構成及功能

從系統的角度看，車聯網系統如同物聯網一樣可劃分為一個由感知互動層、網絡傳輸層和應用服務層組成的三層體系。感知互動層由大量具有感知和識別功能的設備組成，主要部署于交通運輸基礎設施環境中，例如線圈檢測器、視頻監控設備、RFID設備以及路標基站等等。網絡傳輸層包括各種通信網絡與互聯網形成的融合網絡，可以是提供公共服務的電信網、互聯網，也可以是依托行業或技術建立的專業網絡，例如無線傳感網、各種通信協議等。應用服務層在車聯網體系中是將物聯網技術與交通運輸行業技術進行結合而產生的實現智能化服務方案的集合，例如車輛電子聯網收費、路徑識別定位等等。

對車聯網系統而言，其方法就是將現代汽車技術和現代通信技術以及網絡技術結合起來把車輛變成網絡終端。因此，我們將車聯網系統的基本功能歸結為：“為運輸車輛和駕駛人提供無處不在的智能鏈接和智能在線服務”。就是說它可以利用網絡和信息的傳輸為人類在車輛駕駛過程中所面對的一切問題提供快捷的解決方案。車聯網系統的應用層可以支持多種多樣的智能交通服務，主要涉及區域智能交通系統控制、動態交通信息服務、智能道路電子收費、城市公共交通系統以及智能汽車等等。

圖2-1 雙向RFID通行卡工作示意圖

2 車聯網子系統的構建

從整體上看，構建車聯網系統應該走一條規劃為先導，由局部子系統到整體大系統，由局部技術突破到整體技術融合的循序漸進的過程。高速公路系統一直具有封閉性好、信息化強等特點，對交通管理而言具有很強的規范性和代表性。將雙向射頻技術應用到高速公路系統中來，實現對車輛行駛過程、狀態等信息的全程網絡化監控，為出行者提供安全、便捷的交通服務，從而形成了以高速公路為基礎的車聯網子系統。

2.1 雙向射頻技術

RFID即射頻識別技術，是一種基于無線通信的自動識別技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。雙向射頻技術是相對于單項射頻技術而言的，但其基本原理完全相同，雙向最突出的特點是設備與設備之間進行的主動的信息交互。目前，單向射頻技術已在浙江省、四川省的高速公路系統中平穩運行，它通過標識站對通行卡的寫入，實現了車輛數據的單向記錄。在系統構成上，單向與雙向并無區別，其主要差別在各設施的具體性能要求上。雙向射頻技術方案能夠實現路標基站與通行卡之間的信息交互，通過交互信息可實現交通流數據的多種采集形式。雙向射頻技術識別精度較高，可達到99%以上。

2.2 車聯網子系統方案

以高速公路行駛車輛信息為研究對象，采用雙向通信技術，實現了交通流數據實時記錄傳輸，實現了車-路-車的聯網互通，解決車輛行駛的路徑、定位、交通信息數據等相關問題，形成了具有一定應用價值的高速公路車聯網子系統方案。

如圖2-1所示，系統具體工作過程如下：

(1)車輛進入高速入口發通行卡，寫入即時車輛信息;

(2)過往車輛攜帶通行卡在高速公路通行;

(3)車輛經過高速公路網中電子路標基站時，車內通行卡與其進行雙向通信，通行卡記錄電子路標基站內的“樁號”信息，同時發送本車輛數據信息給電子路標基站;

(4)電子路標基站接收通行卡信息后實時傳輸給上級服務器，中心服務器把相關信息進行匯總、整理、歸類和分析，做好信息數據采集工作;

(5)車輛在高速公路出口處上交通行卡，對通行卡內的信息進行讀取，從而獲取車輛準確的行駛信息，根據實際路徑進行收費管理;

(6)可視化路網運行態勢，監控車輛位置、車速、運行狀態及行駛路徑。為公路管理部門提供直觀、科學的決策管理信息;

(7)通過數據共享和統計分析，建立省、區、站信息共享網絡，Web服務器向客戶之間提供信息訪問、瀏覽和查詢。

2.3 系統研究內容

高速公路車聯網子系統的主要研究內容包括：通信模塊、通行卡模塊、查詢統計模塊、動態跟蹤車輛模塊、服務器間傳輸數據及相關數據庫研究等幾部分。

2.3.1 通信模塊

電子路標是高速公路路旁豎立的電子通信基站，承擔著和車載射頻卡相互通信、上傳數據信息的任務。車輛攜帶著通行卡在高速公路上行駛，與安裝在高速公路隔離帶上的電子路標在雙向車道的有效距離內進行正常通信。電子路標讀取通行卡記錄關于車輛的詳細信息，并將電子路標編號及時間等數據寫入通行卡，間隔一定周期后將收集的通行卡信息傳輸給各個收費站服務器。

考慮到路標設置需滿足系統在復雜路網中及時準確的實現交通流信息采集功能，路標的設置必須布局合理，構成路網坐標。路標基站模塊要周期性發布路標信息，與車載卡通信，記錄通過車輛信息。路標基站模塊需實時傳輸經過車輛及經過時間等信息到收費服務器。電子路標工作在野外，供電環境復雜，而電子路標功率特別小，建議使用太陽能+蓄電瓶方案解決電子路標供電問題。

2.3.2 通行卡模塊

通行卡包括了無源RFID、PCB天線、無線收發芯片、單片機、EEPROM存儲芯片、鋰電池、充電器開關接口等。通行卡讀寫系統采用先進無線電技術，通信距離遠、抗干擾能力強、可靠性高。為解決系統的節電性，系統在軟件通信技術方面采用高效喚醒睡眠算法，功耗低、工作時間長。通行卡鋰電池要求小型化、待機時間長、充電時間短，并具有防止過沖、防止過放等功能。

無線通信模塊采用433MHz頻段。該頻率繞射能力強，通信可靠，能實現在不停車、不減速、大流量、多車型條件下車輛識別功能。通過使用抗干擾的通信技術和高度集成的單片收發芯片來保證系統通信的可靠性和工作的穩定性。在無線通信中，采用優化的防碰撞和遠程喚醒技術，實現無線路徑標識站在極短時間內與大量無線車輛識別卡的通信功能，實現大流量識別效果。單片機采用MSP430系列，配1MB可擦寫存儲器，用于記憶途徑所有標識站。無源電子標簽頻率13.56MHz，實現與收費站近距離信息交互，兼容傳統計費方法，同時也為遠程無線通信失效情況提供收費依據。

其它幾項輔助模塊可以實現對車輛聯網數據的全方位跟蹤、調取以及分析，為解決車輛行駛過程中面臨的問題提供解決方案，并通過全方位的信息發布設備告知出行車輛。

3 結語

雙向射頻技術在高速公路中的應用，能夠完全取代現有的交通監控采集系統，并能夠完成交通信息采集、數據處理、智能傳輸等功能，使安全、便捷的車聯網成為可能。并且其依托現有高速公路收費系統構建，能夠節省資金，避免重復投資帶來的資源浪費。從長遠看，其實現了交通信息交互無障礙化、交通流數據通信的實時化，這大大提高這了交通管理效率，也為更多智能交通功能的拓展提供基礎支持，具有較好的發展前景和社會效益。