基于雙向射頻技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)初步研究

孫酉山 王亮

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,河南鄭州 450000;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué),河南鄭州 450000)

基于雙向射頻技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)初步研究

孫酉山1王亮2

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,河南鄭州 450000;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué),河南鄭州 450000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展,交通信息采集、傳輸和發(fā)布等設(shè)備日趨完善,為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。在現(xiàn)階段,將雙向射頻技術(shù)應(yīng)用到高速公路管理系統(tǒng)中,通過信息交互特性實現(xiàn)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(diào)查,車輛定位,交通管理決策等提供了技術(shù)手段,為構(gòu)建高速公路車聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)創(chuàng)造了先決條件。

車聯(lián)網(wǎng) 雙向射頻 路徑識別

智能交通和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步給車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也為智能化交通的最終實現(xiàn)勾勒出了一個理想的平臺，它使全面、即時、安全、高效、統(tǒng)一的車輛管理成為可能。當(dāng)汽車制造與智能信息技術(shù)完美地交織在一起時，車聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建了一個安全、通暢、環(huán)保，使人、車、環(huán)境能夠有機(jī)結(jié)合的公路運(yùn)輸系統(tǒng)。

1 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 感知交通生活,提高出行質(zhì)量

減少交通事故、提高路網(wǎng)效率以及降低車輛能耗是近幾十年來人們研究和發(fā)展智能交通系統(tǒng)的主要目標(biāo)。然而隨著時間的推移，人們不僅僅只關(guān)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(zhì)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(huán)境的期望。通過對車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)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(dǎo)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

從系統(tǒng)的角度看，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如同物聯(lián)網(wǎng)一樣可劃分為一個由感知互動層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)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(shè)備組成，主要部署于交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境中，例如線圈檢測器、視頻監(jiān)控設(shè)備、RFID設(shè)備以及路標(biāo)基站等等。網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括各種通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)形成的融合網(wǎng)絡(luò)，可以是提供公共服務(wù)的電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)，也可以是依托行業(yè)或技術(shù)建立的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)，例如無線傳感網(wǎng)、各種通信協(xié)議等。應(yīng)用服務(wù)層在車聯(lián)網(wǎng)體系中是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與交通運(yùn)輸行業(yè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合而產(chǎn)生的實現(xiàn)智能化服務(wù)方案的集合，例如車輛電子聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、路徑識別定位等等。

對車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，其方法就是將現(xiàn)代汽車技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來把車輛變成網(wǎng)絡(luò)終端。因此，我們將車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本功能歸結(jié)為：“為運(yùn)輸車輛和駕駛?cè)颂峁o處不在的智能鏈接和智能在線服務(wù)”。就是說它可以利用網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用層可以支持多種多樣的智能交通服務(wù)，主要涉及區(qū)域智能交通系統(tǒng)控制、動態(tài)交通信息服務(wù)、智能道路電子收費(fèi)、城市公共交通系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)的構(gòu)建

從整體上看，構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該走一條規(guī)劃為先導(dǎo)，由局部子系統(tǒng)到整體大系統(tǒng)，由局部技術(shù)突破到整體技術(shù)融合的循序漸進(jìn)的過程。高速公路系統(tǒng)一直具有封閉性好、信息化強(qiáng)等特點，對交通管理而言具有很強(qiáng)的規(guī)范性和代表性。將雙向射頻技術(shù)應(yīng)用到高速公路系統(tǒng)中來，實現(xiàn)對車輛行駛過程、狀態(tài)等信息的全程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，為出行者提供安全、便捷的交通服務(wù)，從而形成了以高速公路為基礎(chǔ)的車聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)。

2.1 雙向射頻技術(shù)

RFID即射頻識別技術(shù)，是一種基于無線通信的自動識別技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。雙向射頻技術(shù)是相對于單項射頻技術(shù)而言的，但其基本原理完全相同，雙向最突出的特點是設(shè)備與設(shè)備之間進(jìn)行的主動的信息交互。目前，單向射頻技術(shù)已在浙江省、四川省的高速公路系統(tǒng)中平穩(wěn)運(yùn)行，它通過標(biāo)識站對通行卡的寫入，實現(xiàn)了車輛數(shù)據(jù)的單向記錄。在系統(tǒng)構(gòu)成上，單向與雙向并無區(qū)別，其主要差別在各設(shè)施的具體性能要求上。雙向射頻技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)路標(biāo)基站與通行卡之間的信息交互，通過交互信息可實現(xiàn)交通流數(shù)據(jù)的多種采集形式。雙向射頻技術(shù)識別精度較高，可達(dá)到99%以上。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)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(shù)，實現(xiàn)了交通流數(shù)據(jù)實時記錄傳輸，實現(xiàn)了車-路-車的聯(lián)網(wǎng)互通，解決車輛行駛的路徑、定位、交通信息數(shù)據(jù)等相關(guān)問題，形成了具有一定應(yīng)用價值的高速公路車聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)方案。

如圖2-1所示，系統(tǒng)具體工作過程如下：

(1)車輛進(jìn)入高速入口發(fā)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(jīng)過高速公路網(wǎng)中電子路標(biāo)基站時，車內(nèi)通行卡與其進(jìn)行雙向通信，通行卡記錄電子路標(biāo)基站內(nèi)的“樁號”信息，同時發(fā)送本車輛數(shù)據(jù)信息給電子路標(biāo)基站;

(4)電子路標(biāo)基站接收通行卡信息后實時傳輸給上級服務(wù)器，中心服務(wù)器把相關(guān)信息進(jìn)行匯總、整理、歸類和分析，做好信息數(shù)據(jù)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(nèi)的信息進(jìn)行讀取，從而獲取車輛準(zhǔn)確的行駛信息，根據(jù)實際路徑進(jìn)行收費(fèi)管理;

(6)可視化路網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢，監(jiān)控車輛位置、車速、運(yùn)行狀態(tài)及行駛路徑。為公路管理部門提供直觀、科學(xué)的決策管理信息;

(7)通過數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)計分析，建立省、區(qū)、站信息共享網(wǎng)絡(luò)，Web服務(wù)器向客戶之間提供信息訪問、瀏覽和查詢。

2.3 系統(tǒng)研究內(nèi)容

高速公路車聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容包括：通信模塊、通行卡模塊、查詢統(tǒng)計模塊、動態(tài)跟蹤車輛模塊、服務(wù)器間傳輸數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫研究等幾部分。

2.3.1 通信模塊

電子路標(biāo)是高速公路路旁豎立的電子通信基站，承擔(dān)著和車載射頻卡相互通信、上傳數(shù)據(jù)信息的任務(wù)。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(biāo)在雙向車道的有效距離內(nèi)進(jìn)行正常通信。電子路標(biāo)讀取通行卡記錄關(guān)于車輛的詳細(xì)信息，并將電子路標(biāo)編號及時間等數(shù)據(jù)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(fèi)站服務(wù)器。

考慮到路標(biāo)設(shè)置需滿足系統(tǒng)在復(fù)雜路網(wǎng)中及時準(zhǔn)確的實現(xiàn)交通流信息采集功能，路標(biāo)的設(shè)置必須布局合理，構(gòu)成路網(wǎng)坐標(biāo)。路標(biāo)基站模塊要周期性發(fā)布路標(biāo)信息，與車載卡通信，記錄通過車輛信息。路標(biāo)基站模塊需實時傳輸經(jīng)過車輛及經(jīng)過時間等信息到收費(fèi)服務(wù)器。電子路標(biāo)工作在野外，供電環(huán)境復(fù)雜，而電子路標(biāo)功率特別小，建議使用太陽能+蓄電瓶方案解決電子路標(biāo)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(fā)芯片、單片機(jī)、EEPROM存儲芯片、鋰電池、充電器開關(guān)接口等。通行卡讀寫系統(tǒng)采用先進(jìn)無線電技術(shù)，通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。為解決系統(tǒng)的節(jié)電性，系統(tǒng)在軟件通信技術(shù)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(jī)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(qiáng)，通信可靠，能實現(xiàn)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(shù)和高度集成的單片收發(fā)芯片來保證系統(tǒng)通信的可靠性和工作的穩(wěn)定性。在無線通信中，采用優(yōu)化的防碰撞和遠(yuǎn)程喚醒技術(shù)，實現(xiàn)無線路徑標(biāo)識站在極短時間內(nèi)與大量無線車輛識別卡的通信功能，實現(xiàn)大流量識別效果。單片機(jī)采用MSP430系列，配1MB可擦寫存儲器，用于記憶途徑所有標(biāo)識站。無源電子標(biāo)簽頻率13.56MHz，實現(xiàn)與收費(fèi)站近距離信息交互，兼容傳統(tǒng)計費(fèi)方法，同時也為遠(yuǎn)程無線通信失效情況提供收費(fèi)依據(jù)。

其它幾項輔助模塊可以實現(xiàn)對車輛聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的全方位跟蹤、調(diào)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(fā)布設(shè)備告知出行車輛。

3 結(jié)語

雙向射頻技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用，能夠完全取代現(xiàn)有的交通監(jiān)控采集系統(tǒng)，并能夠完成交通信息采集、數(shù)據(jù)處理、智能傳輸?shù)裙δ?，使安全、便捷的車?lián)網(wǎng)成為可能。并且其依托現(xiàn)有高速公路收費(fèi)系統(tǒng)構(gòu)建，能夠節(jié)省資金，避免重復(fù)投資帶來的資源浪費(fèi)。從長遠(yuǎn)看，其實現(xiàn)了交通信息交互無障礙化、交通流數(shù)據(jù)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(chǔ)支持，具有較好的發(fā)展前景和社會效益。