基于RFID技術的車輛行程定位系統

摘 要：針對目前車輛行程定位的實際需求，設計了一套基于RFID技術的車輛行程定位系統。該系統使用微功耗有源電子標簽和閱讀器，充分利用射頻識別技術的傳感、通信、ID識別和智能信息處理功能，使定位系統設計簡單。本定位系統采用一種全新的RF場強檢測定位技術，相比傳統的機械觸碰式定位方法，實現了車輛在低速行駛過程中無觸點行程定位。目前該系統已成功應用于貨車自動裝卸控制系統中，經現場應用測試，其定位精度可達±2cm，能夠明顯的提高運輸效率。

關鍵詞：行程定位；有源標簽；射頻識別

中圖分類號：TN911.23 文獻標識碼：A

Positioning System for Freight Vehicle Based on RFID Technology

WU Liqing，WANG Yingjian，FAN Bishuang

(School of Electrical and Information Engineering，Changsha University of Science Technology， Changsha 410076，China)

Abstract:A travel positioning system is designed for the freight vehicle to improve the automation of cargo handling. This system is mainly composed of microconsumption active tags and readers (the RFID technology). The main features of the RFID technology are sensing， communication， ID recognition and intelligent information processing， which makes the travel positioning system design much easier and more accurate. The accuracy of the positioning system is within 2cm， and the system has been successfully applied in the automation of cargo handling of the freight vehicle.

Key words:travel positioning；active tag；RFID

1 引 言

所謂行程定位，是要檢測出驅動對象是否到達某個具體的位移點（通常有若干個定位點），并確定相應點位的位號和位移方向，以作為控制設備動作的基本依據。車輛的行程定位是交通信息管理系統的一部分，對于提高車輛的運輸能力和自動化程度起著很大的作用。

以往傳統的車輛行程定位多采用機械觸碰的方式來定位，這樣存在累計誤差大、定位精度低、成本高、安裝維護復雜且技術落后等問題。隨著科技的發展和技術的不斷進步，近年來有很多新技術和新方法應用于車輛的行程定位上，目前國內外比較常用的方法有感應線圈^［1］、磁碰開關^［2］、紅外^［3］、激光^［3］、GPS^［4］等。這些方法在特定的行程定位系統中應用都存在一定的局限性，如感應線圈故障率高，不易維護；磁碰開關耗電功率大，靈敏度低；紅外通信距離短，方向性太強；激光易受毛發和粉塵遮擋；GPS成本高、定位精度低等。貨運車輛大多用來裝載煤炭、鋼鐵礦石等貨物，現場環境惡劣，存在電氣干擾、溫度高、粉塵多、有油污和腐蝕性氣體、露天工作環境及車輛機械振動頻繁等現象。在這種情況下采用目前常用的行程定位方法，難以達到理想的定位效果，貨運車輛的行程定位問題也因此成為了行業技術難題。

RFID(射頻識別)技術是一種基于射頻原理實現的非接觸式自動識別技術，是21世紀十大重要技術之一^［5］，作為一項具有廣泛應用前景的技術， RFID產品近年來已被廣泛應用于社會、經濟、國防等眾多領域。RFID技術具有環境適應性強、識別速度快、使用壽命長、通信距離可控、數據容量大、安裝調整簡單、非接觸且集通信識別、傳感定位于一體等眾多優點，將其用于貨運車輛的定位是一種具有創新性的應用。本文通過分析貨運車輛的行車特點，設計了一套貨運車輛行程定位問題的解決方案，通過在貨運現場實際應用，實現了貨物的自動裝卸控制及行車作業的高效管理，從而提高了貨運系統的運輸效率。

2 RFID工作原理

一套完整的RFID系統通常是由閱讀器(Reader)與電子標簽(Tag)也就是所謂的應答器(Transponder)及計算機控制系統三部分所組成，如圖1所示。

圖1 射頻識別系統結構

系統工作時，閱讀器將無線電載波信號通過天線向外發射；當安裝有電子標簽的物體進入閱讀器的有效讀寫范圍內時，電子標簽被激活，閱讀器可以快速獲取電子標簽內的信息，并且將識別結果發回給電子標簽，電子標簽根據從閱讀器返回的結果給出不同的狀態指示；閱讀器根據識別結果，驅動不同的控制設備(如報警、開啟或關閉電磁閥等)，同時將信息及時送達計算機或遠程工作站。

計算技術與自動化2011年3月

第30卷第1期吳利清等：基于RFID技術的車輛行程定位系統

其中閱讀器是讀寫標簽信息的設備；電子標簽由耦合組件和IC（集成電路）芯片組成，并含有用于和閱讀器進行通信的內置天線。典型的定位電子標簽是有源系統，即有源標簽內有長壽命電池（可用5年左右）或電源供電，標簽存儲器中被植入物體的身份和特征數據。標簽平時處于休眠狀態，只有進入閱讀器的有效讀寫范圍內才被激活工作，將自己的身份和特征信息發送給閱讀器。閱讀器和標簽之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，因此通信時必須有嚴格的時序關系^［6］。

3 系統結構和原理

為實現貨運車輛的低速行車作業和自動裝卸控制，本設計采用射頻識別技術（RFID）對貨運車輛的各節車廂進行單獨控制。其工作機制是：當貨運車輛進入貨物裝卸場時，由安裝在地面的RFID閱讀器發出工位定位信標，安裝在車廂上的電子標簽接收到信標后進行定位判斷、并與車載控制器進行數據交換。如果標簽到達指定作業區間，則驅動控制設備開啟本節車廂的頂蓋，閱讀器則驅動地面控制設備進行貨物裝載；如果標簽離開作業區間，則停止裝貨并關閉車廂頂蓋；卸貨流程亦是如此。為了準確控制各節車廂車門的開啟和關閉，每節車廂安裝兩塊電子標簽，一塊用來判斷車廂是否進入作業區間；另一塊則用來判斷車廂是否離開作業區間。RFID定位系統結構如圖2所示。

圖2 RFID定位系統結構

在貨運車輛各節車廂上安裝兩個有源RFID電子標簽（Tag），并將這些標簽以485總線模式連接在車廂控制單元上；在車輛軌道附近地面安裝帶有定向射頻天線的閱讀器（Reader）用來識別和確定車體行車位置。當車體標簽進入地面閱讀器有效讀寫范圍內時，閱讀器瞬間讀取該標簽內信息。由于定向天線波束較小范圍較窄，系統即可精確判斷車體及車體標簽的當前實際位置。在閱讀器讀取標簽成功的同時，標簽將地面閱讀器地址碼返回給車載控制單元，從而驅動車門的開啟和開關閉，實現貨物的自動裝卸控制。由于每個標簽和閱讀器都有唯一的ID號，這樣就實現了智能查詢移動物體何時出現在什么位置及移動方向等功能，為貨運車輛管理系統提供了準確的數據。

4 定位方法

針對貨運車輛的行駛特點以及RFID技術的基本原理，設計一種采用定向天線結合射頻通信RSSI值精確定位的方法。

4.1 RSSI值

RSSI（Received Signal Strength Indicator）是接收信號的強度指示，無線發送層的可選部分，用來判定鏈接質量，以及是否增大廣播發送強度。該技術主要是使用RF信號，無線信號的強度隨著距離呈指數衰減，接收端通過測量衰減率來估算到發送端的距離，進而根據相應數據進行定位計算^［7］。目前大部分RFID芯片都具有RSSI測量模塊。

4.2 定向天線

定向天線是指在某一個或某幾個特定方向上發射及接收電磁波特別強，而在其它的方向上發射及接收電磁波則為零或極小的一種天線，其中最大輻射方向的波瓣稱為主瓣^［8］。采用定向發射天線的目的是提高輻射功率的有效利用率，增加保密性和抗干擾能力。

4.3 RF場強檢測定位方法

由于貨運車輛的行車軌道確定，其行程定位是一個一維定位問題。將安裝有定向天線的閱讀器固定在離軌道約1m處，并將車輛的車廂信息寫入對應的標簽。

圖3 定向天線波瓣圖

若車輛按圖3所示的行車方向行駛，當車輛進入RFID閱讀器的讀寫范圍內時（即進入定向天線主瓣范圍內），電子標簽被喚醒并開始向閱讀器發送存儲的信息，閱讀器讀取信息并檢測本次通信的RSSI值。從標簽進入閱讀器讀寫范圍到離開，RSSI值是一個由弱變強、由強變弱的過程，其變化過程如圖4所示。

圖4 RSSI值變化圖

在天線主瓣范圍內，閱讀器不斷收到標簽發來的相同信息，要做到精確定位，必須選取其中一點的通信信息作為定位信息并進行相應的處理。本方法選取通信RSSI峰值前的一點（如B點）RSSI值為預設值。當所檢測的RSSI值低于預設值時（如A點），接收本次通信的數據但不響應；當檢測的RSSI值大于等于設定值時（如B點或C點），讀取本次通信信息并進行對應處理，對于本次通信之后發來的相同數據全部舍棄直到標簽離開閱讀器的讀寫范圍。這樣設定可以避免兩個問題：1.如果在預設點（B點）出現漏讀情況，那么在預設點之后通信RSSI值大于預設值的任何一點通信信息都作為定位信息并進行相應處理；2.在讀到一次定位信息并進行相應的處理后，對其后收到的相同信息全部舍棄直到標簽離開閱讀器的讀寫范圍，這樣可以避免在同一個閱讀器讀寫范圍內多次定位的問題。

采用這種定位方式可以精確定位移動物體的工位，第一次滿足條件的通信位置既是定位地點。

4.4 定位精度及其影響因素

貨運車輛定位系統的定位精度ε取決于RFID閱讀器和電子標簽的通信頻率f以及車輛的運動速度V，可以表示為：

Δt=nf (1)

ε=±12ΔtV (2)

其中n為通信次數，當n等于1時其定位精度最高。

目前一般閱讀器的讀取速度為平均每單字(32bit)讀取時間為6 ms，本系統采用的RFID閱讀器和電子標簽通信頻率為每秒100次。當車輛以2 m/s的速度進入貨場時，由公式（1）、（2）計算可得其定位精度為±1 cm。

取現場測量的10組數據，每組測量10次，列出最大誤差后，其結果如表1所示。

由表1的實驗測試數據顯示該系統實際定位精度為±2cm，其主要原因在于定向天線的主瓣范圍內磁場強度分布并非絕對均勻，且隨著時間的變化磁場強度還有微小的變化^［9］。因此現場實測定位點與理論定位點存在1cm的誤差，但是這個精度完全可以滿足現階段貨運車輛的行程定位需求。

5 系統硬件結構

5.1 電路設計方案

RFID閱讀器和電子標簽的電路組成模塊基本相同，都包括天線、射頻前端、微控制器、存儲器、電源模塊和外圍接口模塊等。

圖5 RFID電路結構

如圖5所示，其中射頻前端采用單片集成無線收發模塊CC2500，負責發送調制、接收解調標簽與閱讀器之間的指令信號和反射應答信號；微控制器執行閱讀器的指令，完成標簽的正確識別；存儲器存儲標簽識別程序和射頻標簽相關信息。每個標簽都有一個唯一的16位ID號，并將特征數據和標簽ID一起存于一個連續的存儲空間。當閱讀器與標簽進行通信時，閱讀器可讀取標簽的信息。系統啟動后，射頻前端配置成接收狀態，當系統通過射頻前端監測到來自閱讀器的空中信息時，表示已經進入閱讀器有效讀寫區域，微控制器通過串行通用總線SPI接口控制射頻前端，完成和閱讀器之間的信息交換。標簽可以實現應答傳輸功能，即標簽發送給控制器數據后，控制器必須返回一個應答信號，否則標簽會重新發送數據。這樣可以保證數據的可靠性防止由于多個標簽一起回傳數據給控制器發生數據沖突，從而導致數據錯誤。

5.2 硬件選型

5.2.1 微控制器

微控制器采用美國德州儀器公司推出的高性能、超低功耗Flash單片機MSP430F2132，其電路結構如圖6所示。

圖6 MSP430F2132電路結構

該芯片內部集成了超低功耗閃存、高性能模擬電路和一個16位精簡指令集計算機（RISC）CPU，指令周期可達125ns，且大部分指令能在一個時鐘周期內完成；工作電壓為1.8~3.6V，電流消耗極低，可以通過軟件設定5種工作模式，在活躍模式下，電流消耗只有250μA，在低功耗工作模式LMP4時，電流消耗可低至0.1μA，任何中斷都可以將其從低功耗模式喚醒^［10］。另外，該芯片具有超低功耗的數控震蕩器技術，可以實現頻率調節和無外部晶振運行。片內資源豐富，具有多個16位定時器，8路10位A/D轉換器，片上所有通用I/O口具有中斷功能，可以通過軟件選擇觸發方式，支持匯編語言和C語言編程。

5.2.2 射頻前端

射頻收發芯片采用CC2500，CC2500是一種低成本、單片的2.4GHz收發器，為低功耗無線應用而設計，其電路結構如圖7所示。

圖7 CC2500電路結構

電路設定為2400-2483.5MHz的ISM（工業、科學和醫學）和SRD（短距離設備）頻率波段，支持多點通信和跳頻通信，工作速率為500Kbps，最大發射功率1dBm，最大電流消耗不超過20mA，外圍元件極少，內置硬件CRC(循環冗余校驗)和點對多點通信地址控制^［11］。CC2500負責接收主控 MCU的控制信息并完成有源電子標簽的通信操作。為了發送、接收穩定的高頻信號，射頻讀寫芯片要通過高頻濾波電路與天線部分連接。

6 軟件設計

6.1 軟件低功耗設計

硬件選擇上，本系統都采用微功耗器件；因此在軟件設計上，也要盡可能的降低系統功耗，所以將電子標簽分為四種工作狀態：休眠狀態、信道查詢狀態、半休眠狀態和通信狀態。

圖8 標簽工作機制示意圖

●休眠狀態：是指除定時器外，標簽的所有部件均停止工作。

●信道查詢狀態：是指標簽被某事件喚醒后，查詢信道上的有效閱讀器信號。

●半休眠狀態：如果與其他標簽發生碰撞，暫時休眠一段時間。

●通信狀態：建立了與閱讀器有效的連接，實現數據的傳輸。

標簽的工作機制如圖8所示，在標簽未進入閱讀器有效讀寫范圍時，標簽處于休眠狀態以降低功耗；標簽進入閱讀器有效讀寫范圍后，標簽被激活進入信道查詢狀態；當查詢到閱讀器信號并收到閱讀器響應時，進入通信狀態，與閱讀器建立有效連接，實現數據傳輸；當查詢到閱讀器信號卻沒有收到閱讀器響應時，進入半休眠狀態，暫時休眠一段時間后進入信道查詢狀態；通信完成，標簽離開閱讀器有效讀寫范圍后，標簽進入休眠狀態。當標簽再次進入閱讀器有效讀寫范圍時，重復上述工作過程。

6.2 主程序流程

根據系統低功耗以及需要實現功能等方面的要求，程序由無線收發模塊中斷子程序、I/O中斷服務子程序、串口中斷服務子程序、定時服務子程序和主程序組成，主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

其中無線收發模塊中斷子程序完成標簽與閱讀器之間的正確識別和數據傳輸；串口中斷服務子程序完成與上層應用程序的命令交互；定時服務子程序主要完成射頻讀寫時超時錯誤判斷和延時等；主程序完成對寄存器初始化、射頻芯片的初始化和標簽工作狀態的轉換等。

軟件低功耗設計是一個復雜的過程，需考慮的因素很多。低功耗設計的目標就是采用各種優化技術和方法，在性能和功耗之間找到最佳的結合點^［12］。

7 結 論

本系統是針對貨運車輛低速行車作業的要求以及存在的問題而專門研制出的一套基于RFID技術的行程定位系統。目前最常用的車輛檢測技術是在路軌周邊埋設感應線圈，其獲取的信息量有限；RFID技術是以無線通信的方式獲取目標信息，信息量根據需求可擴充至幾十KB。由于標簽和閱讀器都有唯一的ID號，使控制中心能實時的監測每節車廂的貨運情況。標簽存儲器內的信息也可根據需要進行修改，這樣方便對車輛車廂自由編組。采用RF場強檢測定位技術方法簡單、沒有復雜的算法，信息處理速度快、實時性好。國外的RFID定位系統一般采用標簽作為定位信標，本系統則采用閱讀器作為定位信標，將標簽安裝在車輛車廂上，因此極大地降低了系統的硬件成本。經長時間測試，該系統在貨運車輛上運行可靠，安裝維護簡單，其抗振性能、抗沖擊性能和工作溫度范圍等指標均滿足要求，定位精度可達±2cm，極大的方便了貨運車輛管理系統進行現場調度和監管，提高了貨運系統的運輸效率，同時拓展了RFID的應用范圍。

本系統各項性能指標均能滿足現場控制要求，但是也存在一些不足之處，如對射頻定向天線的要求較高；RFID定位系統采用無線通信的方式交互信息，因此易受周圍強磁場變化的影響。

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