CN102289693B - 一种基于有源射频识别的电子车牌***及其通信控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有源射频识别的电子车牌***及其通信控制方法，涉及有源射频识别技术及其车辆管理技术领域。车牌电子标签能实时检测司机电子标签的存在并获取司机电子标签的数据，并将自身数据和司机电子标签数据一起发送给读写器；车牌电子标签以设定的周期从休眠状态唤醒后开始检测司机电子标签，司机电子标签以设定的周期从休眠状态唤醒并发送自身数据；车牌电子标签能够自行调整唤醒时钟，实现与司机电子标签唤醒时钟同步、低功耗接收的功能。司机电子标签直接与车牌电子标签进行信息交互，车牌电子标签反馈给读写器的状态信息使管理者可以达到有效的管理车辆、实时监控、车辆识别、车辆防盗等目的。

Description

一种基于有源射频识别的电子车牌***及其通信控制方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术中短距离无线通信微功率控制技术、车辆管理技术领域，尤其是一种基于有源射频识别的电子车牌***及其通信控制方法。

背景技术

随着物联网技术的发展，无线射频识别技术应用于车辆管理目前已经十分普遍，现阶段针对车辆防盗管理方案主要有如下三种：

方案1、通过在车身上安装防盗报警装置，车主通过遥控器使车辆处于监控状态，当车辆受到其他人和物体触动时，就会触发装置上的轻微振动开关从而驱动蜂鸣器，喇叭等报警，而车主可通过遥控器解除监控报警。

方案2、在车身上安装GPS、GSM等通信终端，车主可通过卫星定位、手机随时了解车辆的状况，当车辆受到非法触碰时，非法状态的信息将会被通过手机短信方式通知给车主或者车辆管理人员。

方案3、采用RFID技术，整个管理***分为读写器、车牌标签和司机标签三部分，通过在车辆停放点安装射频识别读写器，用于读取车牌标签和司机标签，通过对两个标签的数据进行匹配查询，来获取车辆和司机的状态。上述方案1通过安装低成本报警装置，可以在一定程度上避免车辆被盗，但当车主远离车身时，车身上的报警信息可能无法传到车主，此方案更无法组建车辆管理***平台；方案2通过在车身上采用移动通信技术、卫星定位技术等先进的技术手段可以对车辆进行实时监控管理，但整个***的成本很高，无法普及；方案3采用了射频识别技术，虽然成本比较低，也解决了信息采集的问题，但读写器要同时读取车牌和司机标签，判断匹配状态，过程复杂。特别是在密集型车辆监控的情况下，要判断一张车牌标签的匹配状态，需要在所有采集到的司机标签中查找，不仅采集速率会比较低，更不利于迅速锁定非法车辆目标。文献检索发现，中国专利申请号为200910252920.1的《有源电子标签及其应用***和方法》专利申请，与本发明主题最为接近，但是，本发明就其发明目的、技术方案与对比文件比较，本发明的目的与解决问题的技术方案，与所述专利申请对比文件是有所不同而且是有区别的。

发明内容

本发明的目的是公开一种基于有源射频识别的电子车牌***及其通信控制方法；其中的司机电子标签和车牌电子标签之间的通信采用了低成本、低功耗的设计，司机电子标签可以直接与车牌电子标签进行信息交互，通过车牌电子标签反馈给读写器的状态信息来达到车辆管理、实时监控、识别、防盗等目的，克服了上述技术的诸多不足。

实现本发明目的之技术解决方案如下：一种基于有源射频识别的电子车牌***通信控制方法，包括支撑***的射频识别读写器、车牌电子标签和司机电子标签；所述车牌电子标签能实时检测司机电子标签的存在并获取司机电子标签的数据，并将自身数据和司机电子标签数据一起发送给读写器；所述的车牌电子标签以设定的周期从休眠状态唤醒后开始检测司机电子标签，所述司机电子标签以设定的周期从休眠状态唤醒并发送自身数据；车牌电子标签能够自行调整唤醒时钟，以实现与司机电子标签唤醒时钟同步、低功耗接收的功能。

所述的电子车牌***通信控制方法，其特征在于，车牌电子标签从休眠状态唤醒后，检测司机电子标签及与射频识别读写器进行数据交互的流程步骤如下：

步骤1、判断唤醒源是传感器唤醒还是唤醒时钟唤醒，如果被传感器唤醒，表明车辆正处于运动状态，微控制器会记录此信息，然后继续休眠；如果是唤醒时钟唤醒，则进入步骤2；

步骤2、微控制器检查传感器记录信息，如果车辆是静止状态，则进入步骤7和读写器进行通信；如果车辆处于运动状态，判断车辆之前是否为多次非法状态即设定车辆在运动状态下连续三次未收到司机电子标签的状态，如果是，进入步骤5；否则，需要读取司机电子标签的信息，进入步骤3；

步骤3、车辆电子标签进入接收状态，接收对应的司机电子标签信息，持续接收的时间需大于司机电子标签的发射间隔时间以保证接收到一次；车牌电子标签收到对应的司机电子标签后，对自己的唤醒时钟进行一次校准，使其和司机电子标签的唤醒时钟同步；同步后的车牌电子标签在下次接收司机电子标签时，接收的开始时间刚好是司机电子标签的发送时间，接收所用时间缩短，节省了功耗；车牌电子标签接收完司机电子标签后记录司机电子标签数据，并记录车辆状态为正常行驶，进入步骤7；如果在持续接收时间内没有收到司机电子标签信息，进入步骤4；

步骤4、对没有读到司机电子标签信息进行计数，如果在规定的定时唤醒次数内一直没有收到司机电子标签，则记录车辆状态为多次非法；记录完毕后进入步骤7；

步骤5、若车牌电子标签多次没有检测到司机电子标签，为节省功耗，设定一个较长的周期，达到周期计数上限时进入步骤6处理；否则不接收司机标签，直接进入步骤7；

步骤6、车牌电子标签进入接收状态，接收对应的司机电子标签信息，持续接收的时间需大于司机电子标签的发射间隔时间以保证接收到一次；车牌电子标签收到对应的司机电子标签后，对自己的唤醒时钟进行一次校准，使其和司机电子标签的唤醒时钟同步；同步后的车牌电子标签在下次接收司机电子标签时，接收的开始时间刚好是司机电子标签的发送时间；车牌电子标签接收完司机电子标签后记录司机电子标签数据，并记录车辆状态为正常行驶，进入步骤7；如果在持续接收时间内没有收到司机电子标签信息，设置车辆状态为非法状态后进入步骤7；

步骤7、车牌电子标签向读写器发送带有车辆识别号和状态信息的数据，如果车辆是正常行驶的，则发送数据还可以包括司机的识别号；发送完毕后进入接收状态，等待读写器进一步通信请求，等待时间一般设置较短；读写器如果需要进一步和车牌电子标签进行通信，再收到数据后立即发送继续通信请求；车牌电子标签如果收到继续通信请求，则处理请求信息，并给予读写器回复；如果通信完毕，车牌电子标签进入休眠状态。

一种基于有源射频识别的电子车牌***，包括支撑***的射频识别读写器、车牌电子标签和司机电子标签；其射频识别读写器包括微控制器、射频收发单元、接口电路、电源电路和天线；所述的车牌电子标签包括低功耗微控制器、唤醒时钟、运动传感器、射频收发单元、天线和电源管理电路；所述的司机电子标签包括低功耗微控制器、唤醒时钟、射频收发单元、天线和电池。所述的车牌电子标签和司机电子标签采用的唤醒时钟与微控制器芯片对应的引脚P1.7脚和P1.6脚连接；所述读写器、车牌电子标签和司机电子标签的射频收发单元各自通过同步通信串口SPI分别与微控制器连接；所述车牌电子标签的运动传感器与微控制器的一个I/O接口连接；所述的车牌电子标签和司机电子标签都采用电池供电。所述的车牌电子标签司与机电子标签采用的微控制器是C8051F982芯片。所述的射频收发单元采用的是2.4GHz无线收发芯片nRF24L01芯片。电子标签在工作过程中，耗电量最大的是发射或接收无线数据，为进一步保证车牌电子标签和司机电子标签都能满足低功耗要求，采取如下措施：1、司机电子标签周期性的发送数据，而车牌电子标签接收司机电子标签时，接收的时间窗口需大于司机电子标签的发送周期，因此需要将司机电子标签发送周期降低。司机电子标签每次发送的时间短暂，一般小于200微秒，每次发送所耗电量较小。2、车牌电子标签的唤醒周期设计为司机电子标签的整数倍，方便车牌电子标签接收时间和司机电子标签发送时间的同步。3、司机电子标签和车牌电子标签采用接收地址码匹配的方式，保证车牌电子标签只能收到它所对应的司机电子标签，而不会收到其他的司机电子标签而浪费处理时间。

与现有技术比较，本发明有突出的优点与有益效果：

（1）读写器采集车牌电子标签的数据即可以获得车辆及司机的信息，即时在大量车辆聚集的情况下，也可以高效的进行数据收集。

（2）车牌电子标签和司机电子标签采用地址码匹配，车牌电子标签不会接收到其他的司机标签，节约了处理时间，也节省了功耗。

（3）车牌电子标签和司机电子标签进行时钟同步，同步后车牌电子标签进入检测状态马上就收到司机电子标签，省去了持续接收的时间，同步后通常在1毫秒内收到司机电子标签。这样在车辆一直处于正常行驶时，车牌标签功耗很低。

（4）车牌电子标签在持续收不到司机电子标签时，延长检测司机电子标签的时间间隔。这样在车辆一直处于非法行驶时，电子标签可以保持较低的功耗。

（5）管理者通过司机电子标签直接与车牌电子标签进行信息交互，车牌电子标签反馈给读写器的状态信息可以达到有效的管理车辆、实时监控、车辆识别、车辆防盗等目的。

附图说明

图1.1、图1.2分别是本发明的一实施例，所述***构成及工作方式示意图。

图2是所述车牌电子标签、司机电子标签与读写器进行通信步骤流程示意图。

图3是本发明所述的车牌电子标签程序流程步骤示意图。

图4是本发明所述的车牌电子标签结构框图示意图。

图5是本发明所述的司机电子标签结构框图示意图。

图6是本发明所述的车牌电子标签电路连接示意图。

图7是本发明所述的车牌标签与司机标签内不采用时钟同步的时序示意图。

图8是本发明所述的车牌标签与司机标签内采用时钟同步后的时序示意图。

具体实施方式

结合附图给出实施例，并对本发明作进一步的具体说明。

参见图1.1、图1.2是本发明的一实施例。可以看出，本发明所述的一种基于有源射频识别的电子车牌***通信控制方法，包括支撑***的射频识别读写器、车牌电子标签和司机电子标签。车牌电子标签能在10米范围内实时检测司机电子标签的存在并获取司机电子标签的数据，并将自身数据和司机电子标签数据一起发送给150米范围内的读写器；车牌电子标签以设定的周期即RTC唤醒时间间隔为1秒，从休眠状态唤醒后开始检测司机电子标签，司机电子标签以设定的周期即配置RTC唤醒使能，唤醒时间间隔为250毫秒，然后进入休眠状态。从休眠状态唤醒并发送自身数据；车牌电子标签能够自行调整唤醒时钟，以实现与司机电子标签唤醒时钟同步，达到低功耗接收的目的。参见图4、图5、图6可知，本发明中的读写器包括微控制器、射频收发单元、接口电路、电源电路和天线组成。其中微控制器通过串行或并行数据线控制射频收发单元，射频收发单元连接天线，接口电路包括RS232、RS485和以太网接口。车牌电子标签包括低功耗微控制器、射频收发单元、电源管理电路、运动传感器、唤醒时钟和天线。其中传感器可以表征车辆的运动或静止状态，微控制器采集运动传感器数据，控制射频收发单元进行无线数据收发，射频收发单元和天线连接。唤醒时钟一般是微控制器集成，如果外置，则定时给微控制器输出唤醒信号。

司机电子标签包括低功耗微控制器、射频收发单元、电池、唤醒时钟和天线。其中微控制器控制射频收发单元进行无线数据收发，射频收发单元和天线连接。唤醒时钟一般是微控制器集成，如果外置，则定时给微控制器输出唤醒信号。

车牌电子标签和司机电子标签采用的唤醒时钟与微控制器芯片对应的引脚P1.7脚和P1.6脚连接；读写器、车辆电子标签和司机电子标签的射频收发单元各自通过同步通信串口SPI分别与微控制器连接；车牌电子标签的运动传感器与微控制器的一个I/O接口连接；车牌电子标签和司机电子标签都采用电池供电。

本实施例中读写器的微控制器是LPC1758，通过SPI接口控制由2.4GHz无线收发芯片nRF24L01及其***电路组成的射频收发单元，天线采用14dBi平板天线，接口电路包括RS232接口转换电路连接LPC1758的串口0,RS485接口转换电路连接LPC1758的串口1，网络物理层芯片DP83848连接LPC1758的以太网接口，DP83848连接带网络变压器的RJ45接口TBJ011B，读写器采用外部直流5V供电。

司机电子标签的微控制器采用了一款体积小、成本低的单片机C8051F982，微控制器RTC的时钟源采用了芯片外界的32.768KHz晶体振荡器。射频处理单元与读写器的相同，通过SPI数据接口和微控制器连接。天线采用PCB印刷天线。司机电子标签采用500毫安时3V纽扣电池直接供电。

车牌电子标签微控制器采用了和司机电子标签一样的微控制器芯片C80521F982，芯片VDD引脚接电源管理单元输出的3.3V电压，芯片P1.7脚和P1.6脚外接一个32.768KHz的无源晶振X2，提供***所需的精确RTC时钟源。单片机的MISO、MOSI、SCK、CE、CSN、FINT引脚分别与射频芯片对应的引脚连接。车牌电子标签与司机电子标签一样采用PCB印刷天线，车牌电子标签微控制器P0.5脚通过限流电阻R5的第一脚，R5的另一脚与外部上拉电阻R4的第一脚连接后和运动传感器J3的正端连接，R4的第二脚接3.3V的直流电压，运动传感器J3的负端接地。车牌电子标签使用运动传感器通过所述的上拉电阻和限流电阻后与微控制器的输入端口连接，可以通过微控制器的端口匹配功能将微控制器从休眠中唤醒。车牌电子标签使用800毫安时 3.7V可充电锂电池供电，车牌电子标签的电源管理部分包括3.7V充电电路和3.3V稳压电路。

读写器通过数据接口接收上位机即计算机或其他控制器的命令，执行采集标签或是读写标签的工作，当收到采集标签的命令时，配置nRF24L01进入接收状态，收到后将数据传给上位机。

司机电子标签上电后，初始化微控制器C8051F982的同步通信串口SPI等硬件资源，并配置RTC唤醒使能，唤醒时间间隔为250毫秒，然后进入休眠状态。当RTC唤醒微控制器后，将nRF24L01配置为发送模式，并以唯一地址码发送数据，其中唯一地址码即视为司机识别号，数据可以为其他信息，如司机姓名等。发送完毕后将nRF24L01配置为休眠，微控制器也进入休眠状态，等待RTC的下一次唤醒。

车牌电子标签上电后，初始化微控制器C8051F982的硬件资源，初始化微控制器***时钟并配置RTC和运动传感器所接的端口匹配两种唤醒源使能，RTC唤醒时间间隔为1秒，配置nRF24L01的接收地址为它对应的司机标签发送地址，然后进入休眠状态。当微控制器被唤醒后，按如下流程步骤执行，参见图2、图3：

步骤1、判断唤醒源是端口匹配唤醒还是RTC唤醒，如果端口匹配唤醒，表明车辆正处于运动状态，将运动状态置为1，然后继续休眠；如果是RTC唤醒，则进入步骤2；

步骤2、微控制器检查运动状态记录信息，检测完毕后将状态清0.如果检查的状态为0，则记录车辆状态为静止，并进入步骤7和读写器进行通信；如果运动状态为1，判断车辆之前是否为多次非法状态，如果是，进入步骤5。否则，需要读取司机电子标签的信息，进入步骤3；

步骤3、车牌电子标签进入接收状态，接收对应的司机标签信息，持续接收的时间窗口设为300毫秒。车牌电子标签收到对应的司机标签后，设置RTC时钟的计数器为50，车牌电子标签接收完司机标签后记录司机标签数据，并记录车辆状态为正常行驶，进入步骤7。如果在持续接收时间内没有收到司机电子标签信息，记录车辆状态为非法行驶，并进入步骤4；需要说明的是司机电子标签的RTC发送后自动归零，这里的设置略大于接收后的处理时间,则下次唤醒比司机电子标签稍微超前约200微秒；

步骤4、对没有读到的进行计数，如果连续没有收到司机电子标签的次数达3次，则记录车辆状态为多次非法。记录完毕后进入步骤7；

步骤5、进入此状态后计一次数，计数满10次则计数清0，并进入步骤6，如不满10次，直接进入步骤7；

步骤6、车牌电子标签进入接收状态，接收对应的司机标签信息，持续接收的时间窗口设为300毫秒。车牌电子标签收到对应的司机标签后，设置RTC时钟的计数器为50，车牌电子标签接收完司机电子标签后记录司机电子标签数据，并记录车辆状态为正常行驶，进入步骤7。如果在持续接收时间内没有收到司机电子标签信息，记录车辆状态为非法行驶，直接进入步骤7；

步骤7、车牌电子标签向读写器发送带有车辆识别号和状态信息的数据，如果车辆是正常行驶的，则发送数据还可以包括司机的识别号。发送完毕后进入接收状态，等待读写器进一步通信请求，等待时间一般设置较短。读写器如果需要进一步与车牌标电子签进行通信，在收到数据后立即发送继续通信请求。车牌电子标签如果收到继续通信请求，则处理请求信息，并给予读写器回复。如果通信完毕，车牌电子标签进入休眠状态。

参见图7、图8可知车牌电子标签与司机电子标签在不采用和采用时钟同步后的时序对比结果为：

在不采用时钟同步的情况下，司机电子标签以定时250ms周期唤醒发送一次数据，车牌电子标签每次定时1秒周期唤醒后开始接收司机标签，由于开始接收的时间不一定刚好是司机电子标签的发送时间，所以需要一段时间的持续等待，等待的时间是随机的，最长可能是250ms。在采用时钟同步的情况下，车牌电子标签接收到司机电子标签后调整自身的时钟和司机电子标签同步，同步完成后，在下一次定时唤醒时，开始接收司机电子标签的时间点刚好是司机电子标签开始发送的时间点。接收在500us内即可完成。每次接收完成后又进行一次时钟调整，确保下一次的同步。这样，每次接收耗时都很短。

本发明具体使用工作过程实施例：在读写器和电子标签均上电后，管理者使用PC机通过串口或者网口给读写器发送指令，当读写器收到接收车牌电子标签信息指令后开始监听接收，车牌电子标签会在一定的时间间隔内给读写器发送车辆的状态和ID，车辆的状态主要有静止、合法行驶、非法行驶三个状态。车辆在静止不动的情况下，车牌电子标签会定时给读写器发送静止的状态信息，车辆使用者携带有与自身车辆匹配的司机电子标签，在这种情况下使用者直接驾驶自己的车辆，读写器会收到合法行驶的状态信息并通过串口或网口传给PC机。如果车辆周围没有与自身匹配的司电子机标签，在车辆收到外界触碰时，读写器会收到非法行驶的状态信息并通过串口或网口传给PC机。同时管理者可以随时通过相应指令去读取和写入车辆的用户信息。

本发明用于电动车管理实施例，实施效果显示；读写器可以同时读取大于100张车牌电子标签数据，并立即识别车辆是否处于没有正确的司机电子标签状态；司机电子标签平均工作电流小于25微安，一颗电池使用寿命超过两年；车牌电子标签如果在耗电量最大的24小时非法行驶情况下，电池也可以支持30天以上，如果携带司机电子标签正常行驶，电池一次充电可使用1年以上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于有源射频识别的电子车牌***通信控制方法，包括支撑***的射频识别读写器、车牌电子标签和司机电子标签；所述车牌电子标签能实时检测司机电子标签的存在并获取司机电子标签的数据，并将自身数据和司机电子标签数据一起发送给读写器；所述的车牌电子标签以设定的周期从休眠状态唤醒后开始检测司机电子标签，所述司机电子标签以设定的周期从休眠状态唤醒并发送自身数据；车牌电子标签能够自行调整唤醒时钟，以实现与司机电子标签唤醒时钟同步、低功耗接收的功能；其特征在于，车牌电子标签从休眠状态唤醒后，检测司机电子标签及与射频识别读写器进行数据交互的流程步骤如下：

步骤1、判断唤醒源是传感器唤醒还是唤醒时钟唤醒，如果被传感器唤醒，表明车辆正处于运动状态，微控制器会记录此信息，然后继续休眠；如果是唤醒时钟唤醒，则进入步骤2；

步骤2、微控制器检查传感器记录信息，如果车辆是静止状态，则进入步骤7和读写器进行通信；如果车辆处于运动状态，判断车辆之前是否为多次非法状态即设定车辆在运动状态下连续三次未收到司机电子标签的状态，如果是，进入步骤5；否则，需要读取司机电子标签的信息，进入步骤3；

步骤3、车牌电子标签进入接收状态，接收对应的司机电子标签信息，持续接收的时间需大于司机电子标签的发射间隔时间以保证接收到一次；车牌电子标签收到对应的司机电子标签后，对自己的唤醒时钟进行一次校准，使其和司机电子标签的唤醒时钟同步；同步后的车牌电子标签在下次接收司机电子标签时，接收的开始时间刚好是司机电子标签的发送时间，接收所用时间缩短，节省了功耗；车辆电子标签接收完司机电子标签后记录司机电子标签数据，并记录车辆状态为正常行驶，进入步骤7；如果在持续接收时间内没有收到司机电子标签信息，进入步骤4；

步骤4、对没有读到司机电子标签信息进行计数，如果在规定的定时唤醒次数内一直没有收到司机电子标签，则记录车辆状态为多次非法；记录完毕后进入步骤7；

步骤5、如果车牌电子标签多次没有检测到司机电子标签，为节省功耗，设定一个较长的周期，达到周期计数上限时进入步骤6处理；否则不接收司机标签，直接进入步骤7；

步骤6、车牌电子标签进入接收状态，接收对应的司机电子标签信息，持续接收的时间需大于司机电子标签的发射间隔时间以保证接收到一次；车牌电子标签收到对应的司机电子标签后，对自己的唤醒时钟进行一次校准，使其和司机电子标签的唤醒时钟同步；同步后的车牌电子标签在下次接收司机电子标签时，接收的开始时间刚好是司机电子标签的发送时间；车牌电子标签接收完司机电子标签后记录司机电子标签数据，并记录车辆状态为正常行驶，进入步骤7；如果在持续接收时间内没有收到司机电子标签信息，设置车辆状态为非法状态后进入步骤7；

步骤7、车牌电子标签向读写器发送带有车辆识别号和状态信息的数据，如果车辆是正常行驶的，则发送数据还可以包括司机的识别号；发送完毕后进入接收状态，等待读写器进一步通信请求，等待时间一般设置较短；读写器如果需要进一步和车牌电子标签进行通信，在收到数据后立即发送继续通信请求；车牌电子标签如果收到继续通信请求，则处理请求信息，并给予读写器回复；如果通信完毕，车牌电子标签进入休眠状态。

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