基于RF技术的口岸虚拟闸口系统的设计与实现

基于RF技术的口岸虚拟闸口系统的设计与实现

　“加快电子口岸建设，提高口岸工作效率”是提高政府行政执法效能的需要。根据业务需求并结合口岸实际环境，应用射频通讯技术研究开发了一种双频识别语音导引的智能车载卡，并在口岸3～10 km2范围内布设通讯基站，建立了一套虚拟闸口系统。
　1虚拟闸口需求分析

　　目前业界比较流行的基于RFID的电子闸口系统是在原有的独立闸口通道基础上改进而来，在车辆必经的闸口通道内安装超高频的射频读写器，用以识别安装在车辆上的电子标签，同时将识别结果和物理闸口相关联，依靠物理闸口的关闭来强制读写器进行重复通信来弥补通信的失效，只有当识别成功时才开闸放行。这种系统的设计与实现相对简单，当前国内各大口岸的闸口通道已有应用，但是由于受传统物理闸口的限制，车辆仍需等到闸口打开才能正常通过，因此只是简化了闸口管理人员的繁琐操作，对车辆的通关效率并没有很大提升。

　　如果能增加射频通讯的覆盖范围，提高射频识别的精确度，通过架设多个基站使得车辆在一进入口岸区域就可以被识别，配合口岸监管人员有目标的稽查，就使得脱离传统物理闸口的限制成为可能，一个完全依靠射频通讯和识别技术而虚拟出的无形的电子闸口就是本文要设计与实现的目标，称之为口岸虚拟闸口系统。

　　由于出入境口岸的特殊性，该系统设计与实现体现出一些特有的技术难点：

　　(1)出入境口岸作业区域面积较大，车辆流向复杂，入境和出境车道空间相邻，有些区域甚至没有任何间隔，使得普通的RFID识别设备无用武之地。

　　(2)口岸车流密度非常高，使得大量的并行通讯数据很容易拥堵信道；车辆间距小，大型车信号遮蔽阻挡现象严重，无线通信质量不高。

　　(3)出入境口岸并不是一个模型化的闸口设施，由于业务需求，特定车辆可能会在口岸内部长时间停留，冗余的无线信号会影响正常的无线网络通信质量，并使得对停留车辆自身的出入境判决出现困难。

　　(4)基站及服务器的位置自由度受限，经常不能建在最佳位置点，对通讯距离提出很高的要求，部分节点要求通讯距离达到300 m。

　　2系统整体设计方案

　　由于脱离了固定物理闸口的依赖性，无法通过闸口通道的关闭来强制读写器和电子标签进行重复通信弥补通信的失效，为了保证识别的精确性，本系统采用433 MHz和920 MHz两个工作频段相结合，定向天线与全向天线相结合的工作方式，据表1所列出的口岸现场测试结果表明，该工作方式的控制区域灵活可控，既可以大面积控制也可以定向控制范围；穿透与绕射能力强，可以克服口岸中大型货车、客车之间遮蔽阻挡现象频繁，车流密度非常高的恶劣应用环境的影响；通过双频段的通讯冗余来保证系统的稳定性，当其中某频段受到电磁干扰之后仍能通过另一个频段进行通讯。相对传统的2.4 GHz频段RFID类设备来说，采用433 MHz+920 MHz双频段的突出优势是识别范围很大，只要车载卡终端在基站控制区内，一直有机会进行识读，识读机会至少是2.4 GHz类设备的10倍以上。

　　系统以车辆为基本识别单位，将有源车载电子卡安装在车辆上，通过安装在口岸通关路径上的多个读写基站来识别车载电子卡所对应的出入境车辆，将采集到的车辆信息提交给后台信息管理系统，通过后台数据库处理和数据筛选判断算法来判决出入境事件，通过无线网络通信的方式向过境车辆发布导引通关信息，迅速有效地完成车辆身份的确认、查询、统计及调度等功能，防止误检、漏检，对有违规等异常行为的过境车辆进行预警，通知口岸稽查人员进行拦车，形成一道无形的口岸电子闸口系统。新系统极大简化了通关手续，显著提高了检验检疫的监管能力，因此具有通关速度快、车辆吞吐量大、口岸工作执行效率高等一系列的优点。

　　3车载电子卡

　　口岸虚拟闸口系统不只是一个射频识别系统，还需要通过无线网络通信的方式与过境车辆进行实时通讯来导引通关，因此安装在车辆上的电子卡必须是有源的(即自带电源)。本系统所采用的IPQ-3R车载电子卡是一款成熟的商业化电子产品，其硬件组成如图1所示。

　　车载电子卡依靠3节3.6 V的锂电池供电，由于需要在不更换电池的前提下独立工作一年，因此对节能提出了很高的要求。核心处理器选用TI公司的MSP430F2350，这种新的基于闪存的MCU系列具有极低的功耗和处理能力达16 MIPS，且可以在1.8～3.6 V下工作，它包括集成的±2％数字控制振荡器(DCO)、超低功耗振荡器(VLO)、内部上拉／下拉电阻并增加了模拟输入的数目。车载电子卡在平时均处于休眠状态以节省电能，只当车辆进入口岸后，电子卡才被唤醒而转为工作状态。很多车辆会由于各种原因在口岸停车区域长时间停留，故需要设计振动传感器，当车辆熄火以后，电子卡进入休眠状态以达到省电目的。

　　电子卡的核心通讯模块CC1020是TI 公司生产的专用于窄带应用领域402～470 MHz，804～940 MHz范围的单片FSK／ASK CMOS射频收发器。它灵敏度高(对12.5 kHz频道可达-118 dBm)，输出功率可控，低电流消耗(19.9 mA)，低供应电压(2.3～3.6 V)，体积极小(QFN32封装)，外部器件少，非常适合于本应用环境。图2中显示了该模块的初始化过程。

　　4射频通讯系统

　　本系统依靠架设在口岸内部的无线基站作为读写器来采集进入口岸的车载电子卡信息，并且根据需要向指定的电子卡发送下行导引指令，通过车载卡语音导引车辆通关。每个口岸有惟一的一个唤醒基站，通过固定信道(频点)不断向整个口岸发送唤醒信号，电子卡接收到唤醒信号便进入工作状态，尝试通过固定信道接收基站发送的场定位信息，之后随机挑选空闲的信道不断发送自身的电子卡号和场码，直到收到基站的回应为止，基站将采集到的电子卡号发送给后台监控系统备份，以便下一步的出入境判决和导引信息的发送。图3以流程图的形式刻画了电子卡进入口岸之后与基站交互通讯的过程。

　　5出入境判决算法

　　图4以口岸实际地图为例，演示了出入境判决算法的基本原理：

　　(1)电子卡在口岸区域外一直处于休眠状态，在从起点处进人口岸时被唤醒，转换到正常工作状态。

　　(2)电子卡首先进入B1区，与B1基站进行交互通信，B1基站获取该电子卡的ID号及通信时间等相关信息，送到后台分析系统。同时根据系统指示对该电子卡发布通关导引信息。

　　(3)此后电子卡先后进入B3区和B7区域，其通信处理流程和通过B1区域时类似。

　　(4)电子卡驶出口岸区域后发现无唤醒信号，自动进入休眠状态。

　　B1，B3，B7三个基站将采集到的车载电子卡信息上报到后台处理系统之后，便可以根据B1～B3这一序列判断出电子卡对应的车辆为人境，如果该车辆有违规等特定行为，则当B1基站检测到它时，安排口岸稽查人员负责拦车。

　　6关键技术解决方案

　　本文介绍的虚拟闸口系统特有的技术难点如下：

　　(1)由于每天有近三万辆车进出口岸，在出入境高峰期，口岸车辆拥堵，大量的并发数据可能使信道发生拥堵，从而使通讯系统瘫痪。为此，将每个基站分为8～16个信道，而每个信道即为基站和车载电子卡通讯的一个通道。使用跳频机制，即电子卡和基站进行配合通讯时，在不同的信道上进行快速跳转，选择合适的信道进行通讯，直至通讯成功。使用防碰撞机制，各个电子卡每次发送数据都要等到频道空间，如果遇到碰撞再用二进制指数退避算法随机延时一段时间，再次发送数据至成功。在算法中，每个节点发生冲突以后使其退避间隔双倍直到最大(Bmax)，而当成功传输以后就使其退避间隔到最小(Bmin)，公式表示如下：

　　因此在一个基站的覆盖范围内，可以同时有多辆车通过不同的儋道进行通讯，避免了交通高峰期可能发生的通讯拥堵现象。

　　(2)出入境判决算法的检测精确度。如果要使得该虚拟闸口系统能够真正达到实用，必须使得出入境判决达到一定的精度，既不能漏检，也不能错检，就是说错检率和缺失率都必须控制在很小的范围内。这里采取一定的冗余机制来提高检测精度，即在实现最基本的出入境判决路径的基础上增加几个基站，使得即使某个基站出现了局部信号的漏采集，通过冗余基站的补充采集，仍然能够形成完整路径，准确地进行出入境判决。经过口岸实地运行结果分析，该算法的检测精度达到了99.7％以上。

　　(3)停车问题。一些车辆由于稽查等原因会在口岸内部长时间停留，通过在车载电子卡上安装振动传感器模块，使得电子卡在停车的时候由于感应不到振动而自动进入休眠状态，避免了长时间不断发送射频信号而带来的电池耗电和信道拥塞等问题。当车辆重新启动的时候，电子卡会通过振动传感器模块感应到振动而重新恢复到工作状态，使得系统仍然能正确的对这些停留时间过长的车辆做出出入境判决和相关导引信息的下行通讯。

　　7结语

　　基于RFID的虚拟闸口系统提出了一种革命性的口岸电子闸口建设方案，彻底抛弃了对固定物理闸口的依赖，设计并实现出一种依赖于RFID和无线网络通讯技术的新型电子闸口。