基于RF技術的口岸虛擬閘口系統的設計與實現

摘 要:口岸電子閘口系統的建設與應用有利于出入境車輛的快速導引通關，有利于口岸監管部門對進出口商品實行全面監控，是實現口岸電子化管理的重要組成部分。由于出入境口岸環境的復雜性，口岸電子閘口相對于傳統的物流管理等應用來說，存在著特有的技術難點。在深入研究無線網絡通訊與射頻識別技術的基礎上，結合陸路口岸的具體特點，設計并實現出一個真實可用的口岸虛擬閘口系統。

關鍵詞:RFID;電子閘口;智能車載卡;跳頻通訊

中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-139-03

Design and Realization of Virtual Gate System Based on RF Technology

LU Qing1，DING Xiaoyun2，CHEN Xin1，LI Jun1，ZHANG Yang1

(1.Shenzhen Academy of Inspection and Quarantine，Shenzhen，518000，China;2.Shenzhen Dingshi Technology Corporation，Shenzhen，518000，China)

Abstract:The construction and application of port electronic gate system benefit the entry and exit of vehicles′ quick clearance guidance，also do great help to monitoring of the implementation of a comprehensive import and export commodities，which becomes an important component of the realization of port electronic management.Because of complexity of the exit and entry environment，as opposed to traditional applications such as logistics management，electronic gate has specific technical problems.Based on the deep research of wireless network communications and radio frequency identification technology，combined with the specific characteristics of the ports，the realization of a real available port system which is named virtual E-gate system is achieved.

Keywords:RFID;electronic gate;vehicle-bone smart card;frequency hopping

“加快電子口岸建設，提高口岸工作效率”[1]是提高政府行政執法效能的需要。根據業務需求并結合口岸實際環境，應用射頻通訊技術研究開發了一種雙頻識別語音導引的智能車載卡，并在口岸3~10 km2范圍內布設通訊基站，建立了一套虛擬閘口系統。

1 虛擬閘口需求分析

目前業界比較流行的基于RFID的電子閘口系統是在原有的獨立閘口通道基礎上改進而來，在車輛必經的閘口通道內安裝超高頻的射頻讀寫器，用以識別安裝在車輛上的電子標簽，同時將識別結果和物理閘口相關聯，依靠物理閘口的關閉來強制讀寫器進行重復通信來彌補通信的失效，只有當識別成功時才開閘放行。這種系統的設計與實現相對簡單，當前國內各大口岸的閘口通道已有應用，但是由于受傳統物理閘口的限制，車輛仍需等到閘口打開才能正常通過，因此只是簡化了閘口管理人員的繁瑣操作，對車輛的通關效率并沒有很大提升。

如果能增加射頻通訊的覆蓋范圍，提高射頻識別的精確度，通過架設多個基站使得車輛在一進入口岸區域就可以被識別，配合口岸監管人員有目標的稽查，就使得脫離傳統物理閘口的限制成為可能，一個完全依靠射頻通訊和識別技術而虛擬出的無形的電子閘口就是本文要設計與實現的目標，稱之為口岸虛擬閘口系統。

由于出入境口岸的特殊性，該系統設計與實現體現出一些特有的技術難點:

(1) 出入境口岸作業區域面積較大，車輛流向復雜，入境和出境車道空間相鄰，有些區域甚至沒有任何間隔，使得普通的RFID識別設備無用武之地。

(2) 口岸車流密度非常高，使得大量的并行通訊數據很容易擁堵信道;車輛間距小，大型車信號遮蔽阻擋現象嚴重，無線通信質量不高。

(3) 出入境口岸并不是一個模型化的閘口設施，由于業務需求，特定車輛可能會在口岸內部長時間停留，冗余的無線信號會影響正常的無線網絡通信質量，并使得對停留車輛自身的出入境判決出現困難。

(4) 基站及服務器的位置自由度受限，經常不能建在最佳位置點，對通訊距離提出很高的要求，部分節點要求通訊距離達到300 m。

2 系統整體設計方案

由于脫離了固定物理閘口的依賴性，無法通過閘口通道的關閉來強制讀寫器和電子標簽進行重復通信彌補通信的失效，為了保證識別的精確性，本系統采用433 MHz和920 MHz兩個工作頻段相結合，定向天線與全向天線相結合的工作方式，據表1所列出的口岸現場測試結果表明，該工作方式的控制區域靈活可控，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，可以克服口岸中大型貨車、客車之間遮蔽阻擋現象頻繁，車流密度非常高的惡劣應用環境的影響;通過雙頻段的通訊冗余來保證系統的穩定性，當其中某頻段受到電磁干擾之后仍能通過另一個頻段進行通訊。相對傳統的2.4 GHz頻段RFID類設備來說，采用433 MHz+920 MHz雙頻段的突出優勢是識別范圍很大，只要車載卡終端在基站控制區內，一直有機會進行識讀，識讀機會至少是2.4 GHz類設備的10倍以上。

表1 口岸現場測試結果對比

工作頻段/MHz可靠傳輸距離/m功率消耗繞射能力口岸電磁干擾

2 40010~20較大無繞射能力無干擾

92020~50一般有一定的繞射能力稍有干擾

433300~500較小繞射能力強無干擾

系統以車輛為基本識別單位，將有源車載電子卡安裝在車輛上，通過安裝在口岸通關路徑上的多個讀寫基站來識別車載電子卡所對應的出入境車輛，將采集到的車輛信息提交給后臺信息管理系統，通過后臺數據庫處理和數據篩選判斷算法來判決出入境事件，通過無線網絡通信的方式向過境車輛發布導引通關信息，迅速有效地完成車輛身份的確認、查詢、統計及調度等功能，防止誤檢、漏檢，對有違規等異常行為的過境車輛進行預警，通知口岸稽查人員進行攔車，形成一道無形的口岸電子閘口系統。新系統極大簡化了通關手續，顯著提高了檢驗檢疫的監管能力，因此具有通關速度快、車輛吞吐量大、口岸工作執行效率高等一系列的優點。

3 車載電子卡

口岸虛擬閘口系統不只是一個射頻識別系統，還需要通過無線網絡通信的方式與過境車輛進行實時通訊來導引通關，因此安裝在車輛上的電子卡必須是有源的(即自帶電源)。本系統所采用的IPQ-3R車載電子卡是一款成熟的商業化電子產品，其硬件組成如圖1所示。

車載電子卡依靠3節3.6 V的鋰電池供電，由于需要在不更換電池的前提下獨立工作一年，因此對節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16 MIPS，且可以在1.8~3.6 V下工作，它包括集成的 ±2% 數字控制振蕩器 (DCO)、超低功耗振蕩器(VLO)、內部上拉/下拉電阻并增加了模擬輸入的數目。車載電子卡在平時均處于休眠狀態以節省電能，只當車輛進入口岸后，電子卡才被喚醒而轉為工作狀態。很多車輛會由于各種原因在口岸停車區域長時間停留，故需要設計振動傳感器，當車輛熄火以后，電子卡進入休眠狀態以達到省電目的。

圖1 車載電子卡硬件設計

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

圖2 CC1020初始化過程

4 射頻通訊系統

本系統依靠架設在口岸內部的無線基站作為讀寫器來采集進入口岸的車載電子卡信息，并且根據需要向指定的電子卡發送下行導引指令，通過車載卡語音導引車輛通關。每個口岸有惟一的一個喚醒基站，通過固定信道(頻點)不斷向整個口岸發送喚醒信號，電子卡接收到喚醒信號便進入工作狀態，嘗試通過固定信道接收基站發送的場定位信息，之后隨機挑選空閑的信道不斷發送自身的電子卡號和場碼，直到收到基站的回應為止，基站將采集到的電子卡號發送給后臺監控系統備份，以便下一步的出入境判決和導引信息的發送。圖3以流程圖的形式刻畫了電子卡進入口岸之后與基站交互通訊的過程。

圖3 電子卡和無線基站之間的通信流程

5 出入境判決算法

圖4以口岸實際地圖為例，演示了出入境判決算法的基本原理:

(1) 電子卡在口岸區域外一直處于休眠狀態，在從起點處進入口岸時被喚醒，轉換到正常工作狀態。

(2) 電子卡首先進入B1區，與B1基站進行交互通信，B1基站獲取該電子卡的ID號及通信時間等相關信息，送到后臺分析系統。同時根據系統指示對該電子卡發布通關導引信息。

(3) 此后電子卡先后進入B3區和B7區域，其通信處理流程和通過B1區域時類似。

(4) 電子卡駛出口岸區域后發現無喚醒信號，自動進入休眠狀態。

圖4 出入境判決算法實例解析

B1，B3，B7三個基站將采集到的車載電子卡信息上報到后臺處理系統之后，便可以根據B1~B3這一序列判斷出電子卡對應的車輛為入境，如果該車輛有違規等特定行為，則當B1基站檢測到它時，安排口岸稽查人員負責攔車。

6 關鍵技術解決方案

本文介紹的虛擬閘口系統特有的技術難點如下:

(1) 由于每天有近三萬輛車進出口岸，在出入境高峰期，口岸車輛擁堵，大量的并發數據可能使信道發生擁堵，從而使通訊系統癱瘓。為此，將每個基站分為8~16個信道，而每個信道即為基站和車載電子卡通訊的一個通道。使用跳頻機制，即電子卡和基站進行配合通訊時，在不同的信道上進行快速跳轉，選擇合適的信道進行通訊，直至通訊成功。使用防碰撞機制，各個電子卡每次發送數據都要等到頻道空間，如果遇到碰撞再用二進制指數退避算法隨機延時一段時間，再次發送數據至成功。在算法中，每個節點發生沖突以后使其退避間隔雙倍直到最大(Bmax)，而當成功傳輸以后就使其退避間隔到最小(Bmin)，公式表示如下[2，3]:

x←min(2x，Bmax)， 當沖突時

x←Bmin，當成功傳輸時

因此在一個基站的覆蓋范圍內，可以同時有多輛車通過不同的信道進行通訊，避免了交通高峰期可能發生的通訊擁堵現象。

(2) 出入境判決算法的檢測精確度。如果要使得該虛擬閘口系統能夠真正達到實用，必須使得出入境判決達到一定的精度，既不能漏檢，也不能錯檢，就是說錯檢率和缺失率都必須控制在很小的范圍內。這里采取一定的冗余機制來提高檢測精度，即在實現最基本的出入境判決路徑的基礎上增加幾個基站，使得即使某個基站出現了局部信號的漏采集，通過冗余基站的補充采集，仍然能夠形成完整路徑，準確地進行出入境判決。經過口岸實地運行結果分析，該算法的檢測精度達到了99.7%以上。

(3) 停車問題。一些車輛由于稽查等原因會在口岸內部長時間停留，通過在車載電子卡上安裝振動傳感器模塊，使得電子卡在停車的時候由于感應不到振動而自動進入休眠狀態，避免了長時間不斷發送射頻信號而帶來的電池耗電和信道擁塞等問題。當車輛重新啟動的時候，電子卡會通過振動傳感器模塊感應到振動而重新恢復到工作狀態，使得系統仍然能正確的對這些停留時間過長的車輛做出出入境判決和相關導引信息的下行通訊。

7 結 語

基于RFID的虛擬閘口系統提出了一種革命性的口岸電子閘口建設方案，徹底拋棄了對固定物理閘口的依賴，設計并實現出一種依賴于RFID和無線網絡通訊技術的新型電子閘口。

目前該系統已經在深圳市各大陸路口岸全面運行，實際架設基站四十多個，車載電子卡已發放三萬多張，檢驗檢疫相關部門依靠該系統監管過境車輛，自動辦理相關業務，獲得過境司機和口岸工作人員一致好評。本項目的開發與測試過程得到了深圳出入境檢驗檢疫局的大力支持，謹以此文向所有參與該項目開發與測試的工程設計人員和口岸業務管理人員表示感謝。

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