前言

　　隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，高速公路的建設需求也越來越大。由于投資巨大，單靠國家的投入有時不能及時解決經(jīng)濟發(fā)展與高速公路建設的矛盾，在東南沿海某些省份，往往采用國家建設和私人投資相結合，收益按比例分配的方式。這種方式雖然解決了建設需求，但隨著高速公路建設的網(wǎng)絡化發(fā)展，汽車在公路網(wǎng)絡行駛的不確定性，使利益分配變得越來越困難。例如：某省內(nèi)有1000多條高速公路，分屬幾百個業(yè)主，其收費是按車主在高速公路行駛的最短路徑進行，但在利益分帳時卻很難，因為如果在每個屬不同業(yè)主的路段設收費站，投資巨大，也會影響高速公路的效率。如果按投資的比例進行分配，不同道路的行車流量又不能完全等同，因此這種分帳方式也有失公平。正是基于這種情況，我們開發(fā)了基于RFID的多義性路徑識別系統(tǒng)，利用RFID技術，自動收集汽車在高速公路的行車路線，作為業(yè)主利益分配的依據(jù)。

　　系統(tǒng)功能與組成

　　該系統(tǒng)由RFID有源電子標簽技術，以及配套的標識站和標簽讀出設備組成?？紤]到高速公路現(xiàn)有的IC卡系統(tǒng)，為了減少資源浪費，本標簽的功能除了實現(xiàn)收集汽車的行車路線，還包含了原有IC卡的功能，也就是雙卡合一。在充分了解用戶的需求后，系統(tǒng)設計了如下的主要服務功能：

 　　·入口MTC發(fā)卡

　　司機在路網(wǎng)MTC入口車道處，領取一張二合一的“RFID電子標簽＋IC卡”。系統(tǒng)利用現(xiàn)有的MTC車道IC卡讀寫器，向IC卡中寫入入口信息，并由司機攜帶上路。

　　·標識站ETC自動讀寫

　　車輛行駛至具有標識站的ETC標識車道(多車道自由流方式)，安裝于ETC標識車道的天線基站控制系統(tǒng)會自動喚醒RFID電子標簽，并實時向RFID標簽中寫入本標識站信息。

　　·出口MTC刷卡收費

　　車輛行駛至路網(wǎng)MTC出口車道，司機把“RFID電子標簽 IC卡”交回給收費員，由收費員利用現(xiàn)有MTC車道系統(tǒng)的IC卡讀寫器，對多功能IC卡進行讀寫操作完成計費及收費，并把通過一個近距離的RFID讀寫設備，把RFID電子標簽中的標識站信息讀出，然后由車道系統(tǒng)組合到本次交易流水中去，再定時傳送至結算中心后臺進行分賬。

　　由以上功能可以看出，系統(tǒng)主要由電子標簽、發(fā)射裝置和讀卡器三部分組成(如圖1)。

　　                                圖1 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　從技術指標上看，其硬件設計的難點在于電子標簽的功耗控制以及雙卡合一的設計。這里重點介紹電子標簽。

　　                               圖2 電子標簽原理框圖

　　電子標簽由喚醒電路、MCU、電池、天線和RF模塊組成(圖2)。其工作原理為：平時電子標簽處于休眠狀態(tài)，當?shù)竭_路邊發(fā)射設備標識的有效區(qū)域，喚醒電路喚醒MCU，然后由MCU喚醒RF模塊，進入接收狀態(tài)，當接收到正確編碼后，MCU使RF模塊休眠， MCU延時(1.6s-接收時間)后進入休眠模式(防止重復喚醒)。當?shù)竭_讀卡器有效區(qū)域時，喚醒電路再度喚醒MCU，MCU喚醒RF模塊，電子標簽進入發(fā)射狀態(tài)，把接收到路邊設備的標識信息發(fā)送給讀卡器，在收到讀卡器的確認信息后，內(nèi)存信息回零，又進入休眠狀態(tài)。其中讀卡器整合了高速公路原有IC卡和作標識用的讀卡器，這樣在發(fā)卡和讀卡時，實際上是兩套系統(tǒng)同時工作。

　　其中，RF模塊在接收時可看成是一個傳統(tǒng)的超外差接收器。RF輸入信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA)放大后翻轉進入混頻器，通過混頻器混頻產(chǎn)生中頻IF信號，在中頻處理階段，該信號在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。解調(diào)后，從引腳 D1輸出解調(diào)數(shù)字信號，解調(diào)信號的同步性由P1提供的時鐘信號完成。在發(fā)送模式下，頻率合成器輸出信號直接送入功率放大器(PA)，采用FSK調(diào)制。其中，D1、D2為數(shù)據(jù)接口，P1、P2和P3為配置接口。配置主要確定工作頻率，功率，數(shù)據(jù)結構等。

        為了保證標簽電池能夠使用5年，MCU采用了業(yè)界最低功耗的MSP430單片機。該單片機休眠模式三時，功耗僅為1mA，2MHz工作時為400mA，喚醒電路功耗在5mA，再加上其它電路，靜態(tài)功耗為7mA，工作時接收功耗為7.8mA，發(fā)射功耗為 12.4mA, 根據(jù)實際最大使用次數(shù)計算，一天總耗電為：0.1694 mAh，如果用560mAh的電池可以用9年。滿足系統(tǒng)指標的要求。

 　　路邊設備硬件框圖如圖3。

　　                                 圖3 路邊設備框圖

　　考慮到開發(fā)速度和整體成本，路邊設備的MCU和RF模塊與電子標簽相同。其中功放是為了保證系統(tǒng)的有效距離，濾波器主要是為了防止干擾。

　　讀卡器的硬件設計與電子標簽的設計類似，只是軟件不同。

　　系統(tǒng)軟件設計

　　根據(jù)系統(tǒng)要求，在讀卡器對電子標簽讀取標識數(shù)據(jù)時，讀卡器先發(fā)喚醒信號，然后進入接收模式，如果15ms內(nèi)接收到信息，則給出蜂鳴聲；沒有接收到信號，則再次發(fā)射喚醒信號，循環(huán)工作。

 　　電子標簽平時處于休眠狀態(tài)，當喚醒電路接收到433MHz射頻信號時，向MCU發(fā)出喚醒信號，MCU被喚醒，立即喚醒RF模塊，進入接收狀態(tài)，檢測RF模塊有無信號，如無信號，標識電池電量不足。接收到正確信號后，MCU關閉RF模塊，使其進入休眠狀態(tài)，并關閉喚醒電路，設定8s延時，防止在同一標識區(qū)重復喚醒，MCU進入休眠狀態(tài)，定時喚醒后，MCU打開喚醒電路，進入下一次接收狀態(tài)。當1s內(nèi)接收到喚醒信號，則再設10分鐘延時，關閉喚醒電路，防止在同一標識區(qū)重復喚醒，在此期間MCU和RFID處于休眠狀態(tài)。然后進入接收狀態(tài)。流程圖如圖4。

　　    圖4 電子標簽軟件流程圖

　　說明：休眠狀態(tài)A—喚醒電路開，RF模塊和MCU休眠，MCU定時器關閉；
休眠狀態(tài)B—喚醒電路關，RF模塊和MCU休眠，MCU定時器開。

　　結語

　　本系統(tǒng)是根據(jù)國內(nèi)東南沿海某省實際需求進行開發(fā)的，2006年初已經(jīng)在北京的測試場通過測試，第一階段的研發(fā)圓滿完成，現(xiàn)已進入生產(chǎn)型開發(fā)。該省一期投入將達到幾十萬套標簽。

　　參考文獻：

1. 陳邦媛：《射頻通信電路》，科學出版社，2002年8月