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基于nRf2401无线收发芯片的ETC系统

--基于nRf2401无线收发芯片的ETC系统

供稿:工控网 2010/3/10 11:40:00

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  • 关键词: 无线收发芯片 ETC系统 RFID
  • 摘要:RFID(Radio Frequency Identification;无线射频识别)技术有非接触、阅读速度快、阅读信息量大、可读可写、识别率极高、不受环境的影响、便于调试和安装、保密性强、无磨损、寿命长、能同时识别多个目标等特点和优势。将RFID应用于车辆的自动收费系统是十分理想的。

       RFID(Radio Frequency Identification;无线射频识别)技术有非接触、阅读速度快、阅读信息量大、可读可写、识别率极高、不受环境的影响、便于调试和安装、保密性强、无磨损、寿命长、能同时识别多个目标等特点和优势。将RFID应用于车辆的自动收费系统是十分理想的。

  在国外RFID技术已经广泛地应用于高速公路的车辆不停车自动收费系统。山西省高速公路网规划将在原有基础上增加2 110 km,2009年高速公路建设里程将超2 000 km。随着中国经济的飞速发展及2009年经济危机背景下发布的汽车工业发展计划,车辆保有量出现了飞速的增长,也推动了我省的高速公路发展。与此同时,原有的以人工为主的收费系统因为效率低下,逐渐无法适应当前的状况。基于射频识别(RFID)技术的自动收费系统为解决这一矛盾提供了可能。本文提出了一种基于nRf2401无线收发芯片的ETC系统。

1 硬件设计

  考虑到安全,车辆通过收费口时车速时速不应超过60 km/h。本系统采用的无线收发模块通信距离为30 m,则总的通信时间应控制在1.8 S以内。考虑到环境干扰等因素,应将总的通信时间控制在1 S以内。识别率为99.9 。

  1.1 系统总体结构

  系统分为读写器、上位机及电子标签三部分。电子标签安置在车辆前档风玻璃下,读写器安装在收费口外侧,共两个。上位机安装在高速入口原收费岗内,便于保护贵重的电脑系统。读写器和电子标签8O 硬件电路相同,可以减少开发费用、降低生产成本。如图1所示:

  1.2 电子标签硬件设计

  无线通信采用nRF2401单片射频收发芯片,工作频率2.4 GHz ISM 频段。芯片能耗非常低,以0.032 mW 的功率发射时,工作电流只有lO.5 mA,接收时工作电流只有18 mA,其DuoCeiverTM 技术使nRF2401可以使用同一天线,同时接收两个不同频道的数据。

  nRF2401有工作模式有四种:收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。

控制器采用AT89S52,TQFP封装。At89s52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程FLASH。另外,AT89S52可降至0 Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。在休眠状态,单片机仅消耗5OμA的电流,可以大幅延长标签内部电池寿命。标签电源采用CR2032电池,属3 V扣式锂锰电池,CR这电池的国际IEC编号,2O代表此款电池的直径是20 mm,32代表此款电池的厚度为3.2mm。标称电压为3.0 V,额定容量为220 mAh。一枚CR2032可以使电子标签最长工作0.5年。

  1.3 读写器硬件设计

  无线通信部分采用nRF2401;控制器部分采用AT89S52。硬件电路与电子标签相同。读写器包含RS232通信接口与上位机进行通信,传送车辆信息。当上位机与读写器无法通信时,车辆信息会临时储存在读写器中。电源包括220 V交流和锂电池,220 V整流稳压后为电路提供电能,当220 V 电源不可用时,由锂电池继续供电维持读写器工作。

2 系统工作流程

  高速入口:

  (1)读写器会不停的向周围发射询问信号。当有车辆进入外侧读写器信号覆盖范围,车上的电子标签会被询问信号唤醒。

  (2)标签向读写器发出握手信号,提出通信申请。握手信号中包含电子标签拥有的唯一的ID号。读写器接受握手信号后,向电子标签发出确认握手信号。在接收到确认握手信号前,标签将会不断发射握手信号。

  (3)电子标签接受到握手信号后,向读写器发出请求认证信号,包含加密信息。读写器接受到请求认证信号后,如加密信息确认,则发送认证完成信号给电子标签,信号中包含高速路口代码和当前时间。如加密信息没有确认,读写器将返回错误信号给电子标签。

  (4)读写器向上位机发送确认信号,上位机将此时的时间及高速人口代码存储进数据库。

  (5)电子标签接受到认证完成信号后,将当前时间和高速人LI代码记录进存储器。若接受到错误信号,标签会再次发送认证信号。

  高速出口:

  (1)~(2)与入口流程相同。

(3)标签向读写器发出握手信号,提出通信申请。握手信号中包含电子标签拥有的唯一的ID号和标签存储的人口时间和人口代码。读写器接受握手信号后,向电子标签发出确认握手信号。在接收到确认握手信号前,标签将会不断发射握手信号。

  (4)标签收到确认握手信号,将入口信息清空。

  (5)读写器将人口时间和代码发送给上位机。

  (6)上位机通过与当前出口代码比较,计算出两个路口之间的距离并计算出相应费用。

  (6)人工收费后,开启横杆放行车辆。

3 关键技术

  3.1 车辆识别技术

  nRF2401具有发射功率可调功能。当读写器发射功率为0.1 mW ,试验证明可以在10 m范围内检测到车辆上的电子标签。在出人口设置2个读写器,读写器相距20 m。在读写器中间设置微波感应器。当两个读写器同时检测到同一个电子标签,且微波感应器感应到车辆,则系统判断出一个车辆正在通过出入口。这样保证车辆通过时能正确识别车辆。如图2所示:

  3.2 信息加密技术

  为保证通信信息在传输中的安全性,防止信息被篡改和伪造,信息在传输过程中进行了加密处理。读写器和电子标签首次通信采用明码,确认对方存在。然后由读写器发送一串加密的随机数给电子标签,标签解 密后重新加 密再发送给读写器,若读写器判断解 密后的数字与随机数相同,则握手成功,此后电子标签和读写器之间的通信数据全部加 密;若不相同则停止与这个电子标签通信,ID列入黑名单。

4 结论

  通过试验,本系统达到了预期的效果。试验2O次,识别成功20次,成功率100 。试验到5O次,识别成功49次,成功率98%。该系统可以有效解决高速公路收费堵车的问题,实现了无人值守不停车自动收费,提高收费工作的效率。

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