一种用于不停车收费管理的电子标签准确识别方法

技术领域

本发明涉及远距离射频识别，不停车收费管理和一般门禁管理。

背景技术

现有用于车辆管理的射频识别技术，包括远距离无源RFID射频识别系统，和有源RFID射频识别系统两种，无源电子标签依靠来自读写器天线发射的能量来工作，因而读写识别的距离非常有限，为了增加读写识别距离，读写器往往需要使用高增益定向天线，和大的发射功率来工作，这不仅大大增加了读写系统的成本，而且大的射频功率还会给人体健康带来伤害并产生误读情况。此外，无源电子标签读写系统，在对电子标签安装位置进行严格限制的情况下，其可靠读写距离也只能达到5-8米，而且车辆行驶速度往往还须限制在一定的范围内，例如30公里/小时，以保证读写器与电子标签之间有足够的通信时间，这当然也就降低公路的使用效率。有源电子标签则依赖自身所带电池的能量来工作，虽然其读写距离可以达到100米以上，但除了更加严重的误读问题外，还存在如何延长电子标签电池使用寿命的问题。

现有高速公路不停车收费通道，或其它不停车门禁管理，无论采用无源或有源RFID的识别方式，都存在如何准确识别读写器所接收到的车辆射频身份号，是实际应该处理的车辆身份号，而不是邻车道车辆，或是同车道其他尾随车辆车载电子标签发来的信号，以避免造成误读的问题。尽管可以使用定向天线等方法来限制信号传输方向，但由于射频信号本身的传播特征，例如信号的多径反射，以及射频信号的接收存在一个不稳定区域等，因而，很难仅仅通过控制信号的接收范围，来防止信号误读的发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有一般不停车收费管理和一般门禁管理中，存在来自邻车道车辆和尾随车辆车载电子标签的信号干扰问题，提供了一种排除信号干扰，实现准确分辨和识别不同车载电子标签的简单方法，从而为低成本高可靠地实现不停车收费管理创造了条件。

组成结构：

本发明技术方案包括车载有源电子标签(以后简称电子标签)，激活器，电子标签读写器几部分组成。(参见图1)。

电子标签

它由单芯片微功率收发机制成，它随车携带，且统一安装在车辆的一个固定位置，一般安装在前车窗内的侧角。除自身ID以外，它还储存有收费管理所需的其他信息。本发明系统中的电子标签，与一般仅仅单一定时向外发射自身ID号的有源电子标签不同，它可以随时根据来自读写器的指令，改变自身包括射频工作特征在内的工作方式，以及所携带的信息，它是一种交互式智能电子标签。本系统中所使用的所有电子标签，应具有基本一致的物理性能指标，包括发射功率和接收灵敏度等。

激活器

激活器是安装在不停车收费站，或门禁管理进出口每一个车道固定位置处的一个传感器装置，例如地感线圈或红外探测器，它主要用于在车辆经过的瞬间，产生一个触发信号，以此启动与之相连接的读写器，立即进入短时间的工作状态，以达到控制刚刚触发传感器装置的车辆所携带的电子标签，与同车道对应读写器之间信号交流的时间和位置。

读写器

读写器就是一个可与电子标签进行通信的微功率收发设备，具有快速改变自身射频工作特征的性能。读写器根据其功能不同，又分为与激活器直接连接的定位读写器(今后简称定位器)，以及直接与计算机连接的读写器(今后简称通信机)两种。定位器的工作方式也有两种，一种是一当接收到来自激活器的信号后，就按预先设定的工作方式，立即向逼近的电子标签发射信号；另一种则是在一接收到来自激活器的信号后，立即开始接收逼近的车载电子标签发来的信号，并传给与之相连接的计算机进行处理。接收信号的时间长度预先设定，一般为行经车辆驶过3-5米距离所需的时间，然后进入休眠状态，或根据计算机指令进行下一步动作后，再进入休眠状态，直到下一次被激活(参见图2)。为了减少对邻车道车辆以及尾随车辆车载电子标签的干扰，或来自邻车道车辆以及尾随车辆车载电子标签信号的干扰，定位器一般具有一个指向来车车载电子标签方向的定向天线，必要时还可安装一个可增加与相邻车道射频信号隔离的一个简单装置，例如金属挡板(参见图3)。定位器安装在距同车道激活器一定距离车行前方的位置，这个位置将使定位器在接收到激活信号并启动工作的瞬间，与逼近车辆车载电子标签刚刚有3-5米左右的距离，这个距离也是同一车道上的定位器或车载电子标签，在使用设定的最小信号发射功率工作时，彼此之间的可靠通信距离。和电子标签一样，本系统不同车道所使用的定位器，应具有基本一致的物理性能指标。而通信机主要用于与电子标签进行信息交流，例如读取包括电子标签ID号和车道号在内的信息，并向电子标签发回信息指令。根据具体实施方案的不同，定位器和通信机还可合二为一，从而同时承担定位器和通信机两种工作。

系统工作原理：

为了准确分辨和识别来自不同车载电子标签的信号，我们利用车辆经过激活器时产生触发信号的瞬间启动定位器，使其与逼近的车载电子标签进行非常有限时间的通信，并将它们之间的通信距离限制在一个有限范围内，必要时还通过设置定位器信号挡板以进一步增加信号隔离的方法，使得同一车道内定位器与逼近的车载电子标签之间的通信，很难干扰到邻车道车载电子标签和读写器之间的通信，同时也很难受到邻车道车载电子标签和定位器，以及同一车道尾随车辆车载电子标签的信号干扰。另外，我们还利用了信号强度(对于给定信号接收机而言，在相同噪声环境条件下)与误码率之间关系，根据在有限通信时间和有限通信范围内，位于相邻车道的电子标签，以及同一车道内尾随车辆车载电子标签，与逼近定位器的车载电子标签之间，在与定位器进行通信时，由于信号强度的差别所造成的误码率(丢包率)的差别(这种差别可以体现在在给定时间内接收到的信号包总数上，或在接收给定数量的信号包所需时间等方面)，将位于不同车道的车载电子标签，以及同一车道前行车辆和尾随车辆的车载电子标签清楚区别开来。

这里，我们将通信距离限制在一个较短的距离范围内的另外一个好处就是，在通信距离很近时，电子标签和定位器由于彼此之间个性差异，例如最小发射功率以及接收灵 敏度可能的不一致，能够对两者之间绝对通信距离造成的差别很小。因为即使不考虑信号衰减，在给定噪声环境条件下，决定通信距离的信号强度与离开信号源距离的关系，也是一种平方反比关系，因而，要造成2米通信距离的差别，例如将通信距离从2米变为4米，或从4米变成2米，至少需要6dB的个性差异。而这种个性差别相对于相邻车道车辆和同一车道尾随车辆车载电子标签，与逼近定位器的车载电子标签之间，在与定位器进行通信时，由于信号隔离所造成的信号强度的差别相比，就变得十分有限了。

最后，为了确保在这个有限的通信时间和通信距离范围内，定位器与车载电子标签能够完成必要的信息交流，除了使用在该限定距离范围内可以实现通信的最小信号发射功率外，我们还使用了更大一些的信号发射功率来进行通信，以保证在外界干扰以及其他原因导致通信质量下降的情况下，都能实现可靠的通信。我们假定外界干扰对所有相关车载电子标签都是相同的，即降低了给定发射功率的通信距离。也就是说使用原来的最小功率发射时，两者之间的通信已经变得不可靠了，此时，原来更高档的发射功率，可能就成为能够保证同一车道上的车载电子标签和定位器之间，实现可靠通信的最小发射功率。

除了需要将不同车道的车载电子标签，以及同一车道前行车辆和尾随车辆的车载电子标签区别开以外，在不停车收费及一般车辆门禁管理中，往往还需要将未缴费车辆和已缴费车辆，上行车辆和下行车辆，进站车辆和出站车辆，进门车辆和出门车辆的车载电子标签区别开来。此时，我们只需在车载电子标签发出的信号中，将起始站(进站)的编号以及刚刚经过的上一个站点的编号包括在内就行了。对于经过本站并不出站的过往车辆，我们只需将电子标签中上一个站点的编号改为本站编号，对于已经缴费出站或出门的车载电子标签，则需将起始站和上一站编号都改为零；而对于刚刚进站的电子标签，起始站编号和上一站编号都同样为本站编号。为此，在每一个收费站的位置处，都需要安装远距离无线收费站编号写入机来完成此项工作，该写入机通过连续广播发射信号的方式工作，不需改变过往车辆车载电子标签的低功耗睡眠模式，就可以完成这项工作。(参见图4)

具体技术方案

在每辆车的一个固定位置，例如前车窗内的左下角，安装一个电子标签，电子标签的ID号与号一一对应或相同。电子标签中储存有不停车收费管理所需的信息。电子标签使用电池驱动，也可使用其它电源驱动。对于使用电池驱动的电子标签，为了延长电子标签电池的使用寿命，电子标签在进入收费站前，往往处于低功耗的睡眠状态。例如，电子标签周期性的使用f1频道，监听接收来自收费站前唤醒机的唤醒信号的状态。为此，我们需要在车辆进入收费站之前的适当位置，安装电子标签唤醒装置，并使用f1频道连续广播唤醒信号，以使车载电子标签在进入收费站后能够处于一种工作状态，例如使用f2频道监听接收来自定位器信号的状态。当然，车辆进入收费站前，电子标签也可使用其它低功耗休眠方式和相应的唤醒方式，例如使用大功率低频信号唤醒，再使用高频信号工作的方式。

其次，在收费站每个车道进口处，安装一个地感线圈或其它传感器装置作为激活器，并在离开激活器车行前方车道左侧(与电子标签位置对应的一侧)，并在车载电子标签安装高度相当的适当位置处，安装一个定位器，使得定位器在接收到激活器的激活信号后启动工作的瞬间，车载电子标签或定位器在使用设定的最小信号发射功率工作时，彼此之间的可靠通信距离正好在3-5米的范围内，这个距离也是为了保证行经车辆以60公里/小时速度通过时，车载电子标签与读写器之间，有足够的通信时间完成必要信息交流所需的 距离。定位器与激活器直接相连。为了尽可能使同一车道内车载电子标签与定位器之间的无线通信，不会干扰到邻车道的车载电子标签与定位器之间的通信，定位器应采用定向天线，必要时还可采取一些简单的信号隔离措施，例如在定位器天线处安装一个金属挡板，以增加不同车道之间的信号隔离。

另外，在收费站内上方的适当位置，安装一个通信机，接收来自车载电子标签发来的，包括自身ID号和所在车道编号的收费信息。为了避免可能的干扰，电子标签在与唤醒器，定位器和通信机之间通信时，应使用不同的通信频道(参见图1)。在必须使用相同频道发射且可能存在信号碰撞时，还需要采用先监听后再发射或延时发射的方式。

当车辆进入收费站车道后经过激活器时，车辆将触发激活器使其产生一个触发信号，这个触发信号将立即被传给定位器，定位器一接收到这个触发信号就立即进入工作状态，例如使用从小到大的1个或多个发射功率(一般为3个)，向同一车道来车方向发送一定数量的信号包，例如，每种功率发射20个总数为60个的信号包，发射的信号中应包含有该定位器所在的车道编号信息，发射完后即停止工作，直到接收到下一辆车产生的新的激活信号为止。当电子标签接收来自同一定位器的信号包数目达到预先设定的值后，例如40个，将立即以较大的发射功率和另外一个工作频道f3，向通信机发送包括自身ID号以及所在车道编号(来自定位器信号)在内的计费信息。发射后将等待接收通信机的回执信号，回执信号中包括更改车载电子标签工作模式和收费记录的指令。如果在给定的时间内收不到回执信号，电子标签将进行重发。在收到回执信号后，电子标签将根据回执信息中的指令，改变自身的工作模式，以及相关收费记录的内容，例如工作频道，睡眠苏醒周期，进出站记录等。如果一个电子标签从收到第一个信号包开始，不能在定位器每次发射完所有信号包的时间内(例如60ms)，从同一个定位器累计接收到这个设定的信号包数目，说明这个电子标签只能是处于相邻车道，或尾随车辆上的车载电子标签，这些无效信息也都将立即被清除，电子标签将重新开始记录新的信息。

尽管我们只需使用一个小的功率来发射信号，就可以完全有效地将位于不同车道的电子标签，以及同一车道前行车辆和尾随车辆的电子标签区别开来，我们这里使用了几个大小不同的发射功率来发射信号，而不是仅仅依赖一个小的发射功率来工作的原因，是为了保证由于环境干扰或其他因素影响，可能造成定位器或电子标签在使用最小功率发射信号时，两者之间不能建立起有效通信的情况下，我们就可以利用高一档甚至高两档的信号发射功率，来保证同一车道内的定位器和电子标签之间的可靠通信。此时，更高档的信号发射功率，就成为保证两者之间实现可靠通信的最小发射功率。

至于车载电子标签每次需要接收到多少个来自定位器的信号包，才向通信机发送信息，完全取决于定位器在使用几种不同功率发射固定数量的信号包时，同车道逼近定位器的车载电子标签，在任何情况下都能够接收到的，包括几种不同发射功率在内的最少信号包总数目。而这个设定的数目应该略小于这个最少信号包的数目。有人担心会出现相邻车道或尾随车辆车载电子标签接收到的，包括几种不同发射功率在内的最大信号包总数目，超过这个设定的数目并向通信机发射信号的情况，而实际情况是：一方面，由于我们使用的3种信号发射功率都是小功率，加上使用包括定向天线在内的信号隔离措施，这种情况几乎不可能发生；另一方面，即使出现这种情况，相邻车道和尾随车辆的车载电子标签，在接收到该设定数目信号包所需的时间，也将远远大于正在逼近定位器的车载电子标签所 需的时间，因为定位器在向电子标签发射信号时，首先使用的是最小功率来发射信号的，而在使用最小发射功率发射信号时，位于邻车道的电子标签和尾随车辆车载电子标签，几乎是收不到这个信号的，因而，邻车道和尾随车辆车载电子标签是不可能先于本车道电子标签接收完这个数目的信号包的，此时，由于用通信机已经接收到一个正确的车辆ID号和车道编号的信息，在定位器发射完一次信号所需的时间内，通信机不仅将丢弃具有相同车道编号的信息，而且还会在给发送这个信息的电子标签(相邻车道车辆或尾随车辆车载电子标签)的回执信号中，加入要求该电子标签继续使用f2频道接收信号的指令，以免影响它们接收它们应该接收的信号。

这里需要说明的是，我们这里陈述的是电子标签进入收费站被唤醒后处于监听接收来自定位器信号的状态；同样的道理，我们也可以让电子标签被唤醒后的工作状态是发射信号的状态，而定位器在被激活后将反过来处于短时间的监听接收状态，接收来自正在逼近的电子标签发出的信号。此时，我们只需将两者的具体工作方式加以适当的调整就行了。但利用激活器来控制电子标签与定位器之间的通信时间和通信距离范围，以及利用位于不同车道的车载电子标签之间，同一车道前行车辆和尾随车辆车载电子标签之间，与同一定位器通信时误码率(丢包率)的巨大区别，来分辨和识别处于不同位置的车载电子标签的基本方法则是完全一样的。

本发明的有益效果

本发明仅仅利用一般低成本的有源电子标签和读写器，在不增加其它任何复杂设备的情况下，简单有效地解决了目前国家为了提高公路，门禁等的车辆通行效率，加强收费管理，正在大力推广的不停车收费管理中所遇到的一个难题。本发明必将极大地促进不停车收费管理的推广实施。

如果说使用现有一般技术来改建一个不停车收费站，不仅需要花费上百万元的费用，而且还存在邻道车辆和尾随车辆车载电子标签信号干扰的问题，以及读写器大功率发射影响健康的等问题。而采用本发明技术，不仅不需对现有车道作任何更改，每个车道设备费用也只需几千元人民币，而且还可免去以上诸多烦恼。

附图说明

图1本发明系统工作示意图

图2定位器在被激活后采用监听接收后再发射的方式

图3不同位置车载电子标签在接收定位器信号的差别

图4通过记录进站和上一站编号来区分不同方向的车辆

具体应用方案

下面我们通过不停车称重计费的应用方案，对本发明加以进一步说明：

我们知道，国家正在推行对所有公路上的货运车辆，采用计重收费的办法。按照传统的方法，计重收费是一个费时费力的工作，大量的车辆采用计重收费，必将影响到计重车辆的通行效率。尽管目前国内不停车称重的技术，已经达到在车行速度不超过60公里/小时的情况下，准确给出行经车辆的重量的水平，但如何准确区分来自不同车道的车辆，以及同一车道前行车辆和尾随车辆车载电子标签的射频信号，仍然是一个尚待解决的问题。

利用本发明，我们只需在每辆货运车辆前车窗的左下角，安装一个电子标签，该电 子标签带有防拆卸装置。电子标签在进入收费站前，处于周期性睡眠，苏醒后采用f1信道监听一瞬间的低功耗状态，并在收费站进口处通过唤醒器唤醒，使其在进入收费站后处于使用f2频道监听接收信号的工作状态。在收费站每个车道入口处安装一个称重装置，并在称重装置附近安装一个激活器，激活器可以是一个红外探测器，也可以是一个地感线圈，或其他传感器装置。这个激活器应安装在紧靠称重装置的车行前方位置，以便被称重的车辆刚刚完成称重计量后，就会使激活器产生一个激活信号，并启动前方的定位器。定位器的安装位置如前所述，应使它在接收到激活信号后开始发射信号的瞬间，定位器与车载电子标签的距离大约在3-5米左右。定位器应安装在同车道左侧车行前方的位置，安装高度略高于车载电子标签的安装高度，以与车载电子标签位置相对应。定位器的定向天线应指向来车方向车载电子标签安装的位置。定位器通过线缆与激活器连接。

当运货车辆经过称重并触发传感器后，车载电子标签进入与定位器之间的近距离通信范围，此时，被激活的定位器开始向逼近的电子标签，使用从小到大的3个发射功率(每个发射功率之间相差5dBm)，发射带有车道编号的多个信号包，例如，每种发射功率发射20个信号包。由于距离较近，无线通信速率可采用较高的波特率，例如，115.2kbps。使用3种不同功率发射60个信号包需时60ms左右，发射完后即进入休眠状态，等待下一次激活。

根据实际测量或经验选择一个恰当的数目，例如40，以此数目为限，一当电子标签接收到40个信号包后，就立即使用f3信道和一个较大的发射功率，向与管理计算机连接的通信机，发送包括自身ID号和车辆所在车道编号在内的信息包。电子标签发射功率的大小，取决于通信机的安装位置，通信机应安装在能让每个车道的车载电子标签，都能比较容易与其进行可靠通信的地方，例如收费站中央高处，离开定位器不远的地方。

电子标签在发送完缴费相关的信息并接收到通信机发回的回执信号后，便将根据回执信号中的指令进行相应的动作。例如，进入周期性睡眠苏醒后使用f1监听一瞬间的低功耗休眠状态，以及修改电子标签所储存的计费信息等。

利用电子标签发来的ID号和车道编号，以及几乎与此同时由该车道称重设备发给计算机的重量信息，就可以很容易实现不停车计重收费了。