基于RF技術(shù)的口岸虛擬閘口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　“加快電子口岸建設(shè)，提高口岸工作效率”是提高政府行政執(zhí)法效能的需要。根據(jù)業(yè)務(wù)需求并結(jié)合口岸實(shí)際環(huán)境，應(yīng)用射頻通訊技術(shù)研究開(kāi)發(fā)了一種雙頻識(shí)別語(yǔ)音導(dǎo)引的智能車載卡，并在口岸3～10 km2范圍內(nèi)布設(shè)通訊基站，建立了一套虛擬閘口系統(tǒng)。
　1虛擬閘口需求分析

　　目前業(yè)界比較流行的基于RFID的電子閘口系統(tǒng)是在原有的獨(dú)立閘口通道基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，在車輛必經(jīng)的閘口通道內(nèi)安裝超高頻的射頻讀寫(xiě)器，用以識(shí)別安裝在車輛上的電子標(biāo)簽，同時(shí)將識(shí)別結(jié)果和物理閘口相關(guān)聯(lián)，依靠物理閘口的關(guān)閉來(lái)強(qiáng)制讀寫(xiě)器進(jìn)行重復(fù)通信來(lái)彌補(bǔ)通信的失效，只有當(dāng)識(shí)別成功時(shí)才開(kāi)閘放行。這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)前國(guó)內(nèi)各大口岸的閘口通道已有應(yīng)用，但是由于受傳統(tǒng)物理閘口的限制，車輛仍需等到閘口打開(kāi)才能正常通過(guò)，因此只是簡(jiǎn)化了閘口管理人員的繁瑣操作，對(duì)車輛的通關(guān)效率并沒(méi)有很大提升。

　　如果能增加射頻通訊的覆蓋范圍，提高射頻識(shí)別的精確度，通過(guò)架設(shè)多個(gè)基站使得車輛在一進(jìn)入口岸區(qū)域就可以被識(shí)別，配合口岸監(jiān)管人員有目標(biāo)的稽查，就使得脫離傳統(tǒng)物理閘口的限制成為可能，一個(gè)完全依靠射頻通訊和識(shí)別技術(shù)而虛擬出的無(wú)形的電子閘口就是本文要設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，稱之為口岸虛擬閘口系統(tǒng)。

　　由于出入境口岸的特殊性，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)出一些特有的技術(shù)難點(diǎn)：

　　(1)出入境口岸作業(yè)區(qū)域面積較大，車輛流向復(fù)雜，入境和出境車道空間相鄰，有些區(qū)域甚至沒(méi)有任何間隔，使得普通的RFID識(shí)別設(shè)備無(wú)用武之地。

　　(2)口岸車流密度非常高，使得大量的并行通訊數(shù)據(jù)很容易擁堵信道；車輛間距小，大型車信號(hào)遮蔽阻擋現(xiàn)象嚴(yán)重，無(wú)線通信質(zhì)量不高。

　　(3)出入境口岸并不是一個(gè)模型化的閘口設(shè)施，由于業(yè)務(wù)需求，特定車輛可能會(huì)在口岸內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間停留，冗余的無(wú)線信號(hào)會(huì)影響正常的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，并使得對(duì)停留車輛自身的出入境判決出現(xiàn)困難。

　　(4)基站及服務(wù)器的位置自由度受限，經(jīng)常不能建在最佳位置點(diǎn)，對(duì)通訊距離提出很高的要求，部分節(jié)點(diǎn)要求通訊距離達(dá)到300 m。

　　2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

　　由于脫離了固定物理閘口的依賴性，無(wú)法通過(guò)閘口通道的關(guān)閉來(lái)強(qiáng)制讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽進(jìn)行重復(fù)通信彌補(bǔ)通信的失效，為了保證識(shí)別的精確性，本系統(tǒng)采用433 MHz和920 MHz兩個(gè)工作頻段相結(jié)合，定向天線與全向天線相結(jié)合的工作方式，據(jù)表1所列出的口岸現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，該工作方式的控制區(qū)域靈活可控，既可以大面積控制也可以定向控制范圍；穿透與繞射能力強(qiáng)，可以克服口岸中大型貨車、客車之間遮蔽阻擋現(xiàn)象頻繁，車流密度非常高的惡劣應(yīng)用環(huán)境的影響；通過(guò)雙頻段的通訊冗余來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)其中某頻段受到電磁干擾之后仍能通過(guò)另一個(gè)頻段進(jìn)行通訊。相對(duì)傳統(tǒng)的2.4 GHz頻段RFID類設(shè)備來(lái)說(shuō)，采用433 MHz+920 MHz雙頻段的突出優(yōu)勢(shì)是識(shí)別范圍很大，只要車載卡終端在基站控制區(qū)內(nèi)，一直有機(jī)會(huì)進(jìn)行識(shí)讀，識(shí)讀機(jī)會(huì)至少是2.4 GHz類設(shè)備的10倍以上。

　　系統(tǒng)以車輛為基本識(shí)別單位，將有源車載電子卡安裝在車輛上，通過(guò)安裝在口岸通關(guān)路徑上的多個(gè)讀寫(xiě)基站來(lái)識(shí)別車載電子卡所對(duì)應(yīng)的出入境車輛，將采集到的車輛信息提交給后臺(tái)信息管理系統(tǒng)，通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)處理和數(shù)據(jù)篩選判斷算法來(lái)判決出入境事件，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的方式向過(guò)境車輛發(fā)布導(dǎo)引通關(guān)信息，迅速有效地完成車輛身份的確認(rèn)、查詢、統(tǒng)計(jì)及調(diào)度等功能，防止誤檢、漏檢，對(duì)有違規(guī)等異常行為的過(guò)境車輛進(jìn)行預(yù)警，通知口岸稽查人員進(jìn)行攔車，形成一道無(wú)形的口岸電子閘口系統(tǒng)。新系統(tǒng)極大簡(jiǎn)化了通關(guān)手續(xù)，顯著提高了檢驗(yàn)檢疫的監(jiān)管能力，因此具有通關(guān)速度快、車輛吞吐量大、口岸工作執(zhí)行效率高等一系列的優(yōu)點(diǎn)。

　　3車載電子卡

　　口岸虛擬閘口系統(tǒng)不只是一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)，還需要通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的方式與過(guò)境車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊來(lái)導(dǎo)引通關(guān)，因此安裝在車輛上的電子卡必須是有源的(即自帶電源)。本系統(tǒng)所采用的IPQ-3R車載電子卡是一款成熟的商業(yè)化電子產(chǎn)品，其硬件組成如圖1所示。

　　車載電子卡依靠3節(jié)3.6 V的鋰電池供電，由于需要在不更換電池的前提下獨(dú)立工作一年，因此對(duì)節(jié)能提出了很高的要求。核心處理器選用TI公司的MSP430F2350，這種新的基于閃存的MCU系列具有極低的功耗和處理能力達(dá)16 MIPS，且可以在1.8～3.6 V下工作，它包括集成的±2％數(shù)字控制振蕩器(DCO)、超低功耗振蕩器(VLO)、內(nèi)部上拉／下拉電阻并增加了模擬輸入的數(shù)目。車載電子卡在平時(shí)均處于休眠狀態(tài)以節(jié)省電能，只當(dāng)車輛進(jìn)入口岸后，電子卡才被喚醒而轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。很多車輛會(huì)由于各種原因在口岸停車區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間停留，故需要設(shè)計(jì)振動(dòng)傳感器，當(dāng)車輛熄火以后，電子卡進(jìn)入休眠狀態(tài)以達(dá)到省電目的。

　　電子卡的核心通訊模塊CC1020是TI 公司生產(chǎn)的專用于窄帶應(yīng)用領(lǐng)域402～470 MHz，804～940 MHz范圍的單片F(xiàn)SK／ASK CMOS射頻收發(fā)器。它靈敏度高(對(duì)12.5 kHz頻道可達(dá)-118 dBm)，輸出功率可控，低電流消耗(19.9 mA)，低供應(yīng)電壓(2.3～3.6 V)，體積極小(QFN32封裝)，外部器件少，非常適合于本應(yīng)用環(huán)境。圖2中顯示了該模塊的初始化過(guò)程。

　　4射頻通訊系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)依靠架設(shè)在口岸內(nèi)部的無(wú)線基站作為讀寫(xiě)器來(lái)采集進(jìn)入口岸的車載電子卡信息，并且根據(jù)需要向指定的電子卡發(fā)送下行導(dǎo)引指令，通過(guò)車載卡語(yǔ)音導(dǎo)引車輛通關(guān)。每個(gè)口岸有惟一的一個(gè)喚醒基站，通過(guò)固定信道(頻點(diǎn))不斷向整個(gè)口岸發(fā)送喚醒信號(hào)，電子卡接收到喚醒信號(hào)便進(jìn)入工作狀態(tài)，嘗試通過(guò)固定信道接收基站發(fā)送的場(chǎng)定位信息，之后隨機(jī)挑選空閑的信道不斷發(fā)送自身的電子卡號(hào)和場(chǎng)碼，直到收到基站的回應(yīng)為止，基站將采集到的電子卡號(hào)發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)備份，以便下一步的出入境判決和導(dǎo)引信息的發(fā)送。圖3以流程圖的形式刻畫(huà)了電子卡進(jìn)入口岸之后與基站交互通訊的過(guò)程。

　　5出入境判決算法

　　圖4以口岸實(shí)際地圖為例，演示了出入境判決算法的基本原理：

　　(1)電子卡在口岸區(qū)域外一直處于休眠狀態(tài)，在從起點(diǎn)處進(jìn)人口岸時(shí)被喚醒，轉(zhuǎn)換到正常工作狀態(tài)。

　　(2)電子卡首先進(jìn)入B1區(qū)，與B1基站進(jìn)行交互通信，B1基站獲取該電子卡的ID號(hào)及通信時(shí)間等相關(guān)信息，送到后臺(tái)分析系統(tǒng)。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)指示對(duì)該電子卡發(fā)布通關(guān)導(dǎo)引信息。

　　(3)此后電子卡先后進(jìn)入B3區(qū)和B7區(qū)域，其通信處理流程和通過(guò)B1區(qū)域時(shí)類似。

　　(4)電子卡駛出口岸區(qū)域后發(fā)現(xiàn)無(wú)喚醒信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　B1，B3，B7三個(gè)基站將采集到的車載電子卡信息上報(bào)到后臺(tái)處理系統(tǒng)之后，便可以根據(jù)B1～B3這一序列判斷出電子卡對(duì)應(yīng)的車輛為人境，如果該車輛有違規(guī)等特定行為，則當(dāng)B1基站檢測(cè)到它時(shí)，安排口岸稽查人員負(fù)責(zé)攔車。

　　6關(guān)鍵技術(shù)解決方案

　　本文介紹的虛擬閘口系統(tǒng)特有的技術(shù)難點(diǎn)如下：

　　(1)由于每天有近三萬(wàn)輛車進(jìn)出口岸，在出入境高峰期，口岸車輛擁堵，大量的并發(fā)數(shù)據(jù)可能使信道發(fā)生擁堵，從而使通訊系統(tǒng)癱瘓。為此，將每個(gè)基站分為8～16個(gè)信道，而每個(gè)信道即為基站和車載電子卡通訊的一個(gè)通道。使用跳頻機(jī)制，即電子卡和基站進(jìn)行配合通訊時(shí)，在不同的信道上進(jìn)行快速跳轉(zhuǎn)，選擇合適的信道進(jìn)行通訊，直至通訊成功。使用防碰撞機(jī)制，各個(gè)電子卡每次發(fā)送數(shù)據(jù)都要等到頻道空間，如果遇到碰撞再用二進(jìn)制指數(shù)退避算法隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間，再次發(fā)送數(shù)據(jù)至成功。在算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突以后使其退避間隔雙倍直到最大(Bmax)，而當(dāng)成功傳輸以后就使其退避間隔到最小(Bmin)，公式表示如下：

　　因此在一個(gè)基站的覆蓋范圍內(nèi)，可以同時(shí)有多輛車通過(guò)不同的儋道進(jìn)行通訊，避免了交通高峰期可能發(fā)生的通訊擁堵現(xiàn)象。

　　(2)出入境判決算法的檢測(cè)精確度。如果要使得該虛擬閘口系統(tǒng)能夠真正達(dá)到實(shí)用，必須使得出入境判決達(dá)到一定的精度，既不能漏檢，也不能錯(cuò)檢，就是說(shuō)錯(cuò)檢率和缺失率都必須控制在很小的范圍內(nèi)。這里采取一定的冗余機(jī)制來(lái)提高檢測(cè)精度，即在實(shí)現(xiàn)最基本的出入境判決路徑的基礎(chǔ)上增加幾個(gè)基站，使得即使某個(gè)基站出現(xiàn)了局部信號(hào)的漏采集，通過(guò)冗余基站的補(bǔ)充采集，仍然能夠形成完整路徑，準(zhǔn)確地進(jìn)行出入境判決。經(jīng)過(guò)口岸實(shí)地運(yùn)行結(jié)果分析，該算法的檢測(cè)精度達(dá)到了99.7％以上。

　　(3)停車問(wèn)題。一些車輛由于稽查等原因會(huì)在口岸內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間停留，通過(guò)在車載電子卡上安裝振動(dòng)傳感器模塊，使得電子卡在停車的時(shí)候由于感應(yīng)不到振動(dòng)而自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，避免了長(zhǎng)時(shí)間不斷發(fā)送射頻信號(hào)而帶來(lái)的電池耗電和信道擁塞等問(wèn)題。當(dāng)車輛重新啟動(dòng)的時(shí)候，電子卡會(huì)通過(guò)振動(dòng)傳感器模塊感應(yīng)到振動(dòng)而重新恢復(fù)到工作狀態(tài)，使得系統(tǒng)仍然能正確的對(duì)這些停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的車輛做出出入境判決和相關(guān)導(dǎo)引信息的下行通訊。

　　7結(jié)語(yǔ)

　　基于RFID的虛擬閘口系統(tǒng)提出了一種革命性的口岸電子閘口建設(shè)方案，徹底拋棄了對(duì)固定物理閘口的依賴，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)出一種依賴于RFID和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的新型電子閘口。