基于nRf2401的高速路不停车收费系统

    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。

    (文/山西大学工程学院，王晓峰，张致恒，张 波，李绍唐)