专利名称：基于跳频技术的车辆自动识别方法及模块的制作方法
技术领域：
本发明用于不停车自动收费系统中的车辆自动识别，以无线跳频技术实现，属于小范围无线通信领域。
背景技术：
随着车辆的日益增多，收费站采用的传统收费方法越来越显示出其效率低下、漏洞大的缺陷。平均收费时间在10～15秒左右，车辆通行速率受到很大限制。实现车辆收费管理的自动化，解决路桥拥挤的状况，建立有效、可靠的车辆自动收费管理系统已成为交通管理的新课题。自动车辆识别则是实现不停车自动收费的核心技术。
目前存在几种用于车辆自动收费的识别技术。如图象处理系统，由视频摄像机摄取图像，经A/D采样转换后，再输给计算机系统进行图像的预处理及识别，识别的内容一般包括车牌号码、车型类别及车辆颜色等。此外还有光学和红外识别系统，该系统利用装在车辆外面的一个类似于条形码的代码标签作为车辆识别的唯一标志。该代码标签由一系列宽度或颜色变化的线条组成，当车辆经过收费站时，数量和颜色变化的光被反射到接收单元上，这些反射光的形式被自动分析后，表明车辆身份的代码信息被抽取出来。这两种技术的缺点是可靠性差，受环境干扰大，数据传输率不高。最近又出现了一种利用无线射频技术进行数据无线传输以实现车辆身份识别，该技术使用高频载波，可以实现较高的数据传输速率。但是所有的车辆均使用相同的频率，所以抗干扰性不强。
而将跳频技术应用于车辆自动识别系统，则能有效克服以上缺陷。跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上的扩频，即相当于瞬时的窄带通信系统，跳频的优点是抗干扰，定频干扰只会干扰部分频点。发射效率低，同样发射功率的跳频系统在有效传输距离内小于直扩系统。并且利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落的能力。目前，跳频技术已经成为应用于无线网络的关键技术，如蓝牙，GSM等等。
三、技术内容1、技术问题本发明的目的是利用远程无线跳频识别技术，为不停车自动收费系统提供一种可靠快速的基于跳频技术的车辆自动识别方法及模块，当车辆通过公路、桥梁、隧道和停车场的收费站时，不需驾驶员和收费者采取任何措施，就能精确、快速地识别车辆身份。该技术可适用于多进出站口的全封闭式高速公路。
2、技术方案本发明是一种基于跳频技术的车辆自动识别的方法，采用跳频发射和接收的方法，以多个用于接收的跳频通信模块即收费站模块与计算机建立无线自组织网络，对用于发射的跳频通信模块即车载块的信号进行接收和处理，实行车辆身份的检查和自动收费，其中收费站模块以串联的方式分布在一条直线上，车载模块依次经过各收费站模块，由计算机进行车辆的自动识别；该跳频通信模块包括微处理单元上层通信协议单元、基带单元、跳频图案产生器、天线、射频单元，射频单元包括双工器、功放器、调制解调器、跳频频率合成器；其中天线与双工器相接，调制解调器的输出端接基带单元的输入端，基带单元的输出端接跳频图案产生器的输入端，跳频图案产生器的输出端接跳频频率合成器的输入端，微处理器单元分别与上层通信协议单元和基带单元相接；将微处理单元、基带单元、跳频额图案产生器、调制解调器跳频频率合成器集成于一块集成电路即蓝牙模块U1中，其型号为“BC12015”蓝牙模块U1的“D0～15、A0～18”端与上层通信协议单元电路U2的“D0～15、A0～18”端相接，蓝牙模块U1的“RF_IN”端通过电容C4与双工器电路U2的“OUTI”端相接，蓝牙模块U1的“RF_OUTA、RF_OUTB”端通过电感器L3、L4与平衡/非平衡变压器U4相接，功放器电路U3的“OUTPUT”端通过电容器C3与双工器电路U2的“OUT2”端相接。
3、技术效果本发明的优点在于1、采用跳频方式，有强的抗干扰性。跳频技术可抗信号衰落，使用快跳频和短分组技术减少同频干扰来保证传输可靠性。此外可以采用一定的纠错机制来减少远距离传输的随机噪声的影响。
2、响应速度快，支持高车流量。选择较好的抗干扰调制方式，可以达到较高的码元速率。例如采用调制方式为BT(带宽与码元长度乘积)等于0.5的GFSK(高斯移频键控)，调制指数为0.28～0.35的蓝牙跳频芯片，其码元速率达到1Mbps，跳频速率最高为3200跳每秒。
3、操作简便、功能强大。由于该模块具有自动查询扫描功能，将该通信模块安装在车辆上面，到达收费站时，无需人工激活，完全实现自动收费功能。
4、系统模块化结构，可节省投资。随着车载通信系统的发展，越来越多的跳频设备用于车辆内部的无线通信。完全可以将该模块集成到车辆内部的跳频设备中，对内执行其无线数据、语音业务，对外进行无线交费。大大节省了设备投资。
四
图1为用于车辆及收费站的跳频通信模块框图，其中有天线5、射频单元6、双工器61、功放器62、调制解调器63、跳频频率合成器64。此外还有微处理器单元1、上层通信协议单元2、基带单元3、跳频图案产生器4。
图2为采用跳频方式进行车辆自动识别的应用场景示意图。其中有车载模块A1、A2，收费站模块B1、B2、B3，计算机C。
图3为采用蓝牙跳频模块实现车辆自动识别的硬件原理框图。
其中主要包括CSR蓝牙模块U1、开关电路U2、功放电路U3、平衡/非平衡变压器U4、带通滤波器U5、闪存器U6、电源U7、晶振U8。
五具体实施例方式
跳频通信模块由微处理器单元、射频单元(包括跳频频率合成、调制解调、功率放大及低噪声放大、时分双工等部件)、相关软件(包括跳频图案产生器、通信协议、基带数据处理)等模块组成。微处理器单元1是跳频图案产生器、上层通信协议、基带数据处理的运行平台。上层通信协议2，通过内部状态机控制跳频模块的操作状态，完成对基带数据包的打包、拆包工作。并且负责与外部模块的信息交互。基带单元3主要实现将上层协议发出的指令映射成相应的操作，并返回相应结果。此外还负责对数据进行处理，如信道编码，解码。比如为了提高数据传输的正确率，可以在基带部分加入前向纠错编码FEC或者CRC校验。跳频图案产生器4，主要产生跳频指令，控制跳频频率合成器的频率产生。天线5用于接收和向外辐射携带信号的高频电磁波。双工器61用来进行时分双工控制，从而使收发在时间上隔离。功率放大器和低噪声放大器即功放器62用于放大所接收的低信噪比的信号，以及放大所发射的信号功率。调制解调器63一方面对经过滤波的满足带宽要求的输入数据进行调制，另一方面对接收信号进行解调，解调后输出的数据经滤波后输入到基带处理单元。跳频频率合成器64根据跳频图案产生器4的跳频指令产生不同的频率信号。
利用跳频系统实现车辆身份识别的具体流程是在跳频系统中选择相应的跳变频道数。如果一个设备希望知道哪些车载跳频设备进入其管辖范围，可设置进入查询状态。其跳频图案应当是根据本地时钟及地址信息计算获得的伪随机序列。然后该设备在跳变的各个频点发送包含查询接入码的数据包。对应地，各被查询的模块应当设置为查询扫描状态，其跳频图案也根据本地时钟及地址信息获得。查询扫描模块应当在跳变的各个频率上接收包含查询接入码的数据包，如果搜索到，则应当立即返回包含其身份信息的数据包。因此对主动查询的模块来说，在一个跳频点上应当分成两个时隙，前半个时隙用于发送包含查询接入码的数据包，后半个时隙用于接收被查询模块返回的信息包。当查询模块接收到包含车辆信息的数据包后，立即将数据传送给计算机处理系统进行处理，实现收费。
该实现方案中，跳频图案产生的算法是关键之处。跳频图案是由跳频指令控制频率合成器所产生的频率序列。一方面要保证产生的伪码序列随机性好，抗干扰能力强。另一方面要保证对被查询设备跳频频点较快的命中时间，以缩短整个收费时间。理论上，在查询扫描设备的一个频跳周期内，查询设备的跳频频率一定能击中查询扫描设备的跳频频率。
当车流量很大时，如果采用单频点通信的话，即使采用随机接入等信道共享技术，数据包在空中碰撞的概率仍然很大。因此考虑使用跳频技术，以码分多址来与不同的车辆交互身份数据包，这样能够大大提高车辆的识别率，并缩减收费时间。这正是本发明的创新之处。
在具体实现中，可以采取一定的手段提高车辆自动识别率。例如可以增加收费站跳频模块的数目，即在一定范围内相继铺设多个跳频模块，此时应当在所有跳频模块间建立一个自组织网络，用于相互间的信息交互。如图2，其具体工作过程为将收费站的计算机系统通过通用串行总线接口或者RS232接口连接一跳频模块，用来接收各收费模块的查询结果信息。初始化时，收费站模块B3应当与B1和B2组建一自组织网，B3为主设备，B1和B2为从设备。组网成功后，将B1和B2置于查询状态，当车载模块A1经过收费站模块B1时，被B1查询到，B1立即将搜索结果通过空中接口传递给B3，B3会将其交给计算机系统处理。A2经过B2后，被B2所查询，B2同样将结果传递给B3，B3会将其与前面几次的查询结果比较，如果有相同的查询结果，说明A2也被B1查询过，若没有，则说明A2是第一次被收费站模块所查询，然后将结果交给计算机C处理。通过让收费站跳频设备组建自组织网的模式，可以大大提高车辆的自动识别率。
蓝牙是一种采用跳频实现的无线通信技术。每秒达到1600跳，在查询模式下，甚至达到了每秒3200跳。我们可采用蓝牙模块实现车辆自动识别。车载设备和收费站设备可以采用相同的蓝牙硬件模块，其硬件原理图如图3所示。其中U5为带通滤波器，蓝牙的工作频段为2.4GHZ的工业频段，故选用LFB312G45SP1A502，其中心频率为2.45GHZ，带通范围为±50MHZ。开关电路U2用于进行时分双工控制，选用NEC公司的UPG152。功放电路U3则选用了MGA83563，该芯片为3V单电源供电，具有20dBm发射功率。蓝牙模块U1选用CSR公司的BC02模块，BC02是单集成蓝牙芯片。它集成了射频、基带以及可以运行简单用户程序的单片机。选用16MHz的晶振，为蓝牙模块提供时钟输入。1MB的闪存用来存放上层控制程序。电源U7供电电压为5v，通过LP2966的稳压芯片，产生1.8V和3.3V的稳压输出。上层通信协议单元U6采用型号为SST39VF800的芯片，平衡/非平衡变压器U4采用的型号为LDB182G4510C-110。
为了延长电池的使用寿命，可以设置车载蓝牙模块的运行模式。每隔一定时间让模块从休眠状态激活到查询扫描状态。可在上层配置休眠状态和查询扫描状态的间隔时间参数。
车载蓝牙设备和收费站蓝牙设备在硬件实现上完全一致，在闪存中写入不同的控制程序，就可实现车辆的自动识别。根据收费站的不同地理情况，收费站蓝牙模块应当提供不同的参数配置接口。另外为了提高识别率，一般应当在收费站前端按固定间隔相继铺设多个蓝牙模块，其距离取决于车载模块的发射功率。
权利要求
1.一种基于跳频技术的车辆自动识别的方法，其特征在于采用跳频发射和接收的方法，以多个用于接收的跳频通信模块即收费站模块(B1、B2、B3)与计算机(C)建立无线自组织网络，对用于发射的跳频通信模块即车载块(A1、A2)的信号进行接收和处理，实行车辆身份的检查和自动收费，其中收费站模块(B1、B2、B3)以串联的方式分布在一条直线上，车载模块(A1、A2)依次经过各收费站模块，由计算机(C)进行车辆的自动识别。
2.一种基于跳频技术的车辆自动识别模块，其特征在于该跳频通信模块包括微处理单元(1)上层通信协议单元(2)、基带单元(3)、跳频图案产生器(4)、天线(5)、射频单元(6)，射频单元(6)包括双工器(61)、功放器(62)、调制解调器(63)、跳频频率合成器(64)；其中天线(5)与双工器(61)相接，调制解调器(63)的输出端接基带单元(3)的输入端，基带单元(3)的输出端接跳频图案产生器(4)的输入端，跳频图案产生器(4)的输出端接跳频频率合成器(64)的输入端，微处理器单元(1)分别与上层通信协议单元(2)和基带单元(3)相接。
3.根据权利要求2所述的基于跳频技术的车辆自动识别模块，其特征在于将微处理单元(1)、基带单元(3)、跳频额图案产生器(4)、调制解调器(62)跳频频率合成器(64)集成于一块集成电路即蓝牙模块U1中，其型号为“BC12015”蓝牙模块U1的“D0～15、A0～18”端与上层通信协议单元电路U2的“D0～15、A0～18”端相接，蓝牙模块U1的“RF_IN”端通过电容C4与双工器电路U2的“OUTI”端相接，蓝牙模块U1的“RF_OUTA、RF_OUTB”端通过电感器L3、L4与平衡/非平衡变压器U4相接，功放器电路U3的“OUTPUT”端通过电容器C3与双工器电路U2的“OUT2”端相接。
全文摘要
基于跳频技术的车辆自动识别方法及模块是用于不停车自动收费系统中的车辆自动识别，以无线跳频技术实现，属于小范围无线通信领域。采用跳频发射和接收的方法，以多个用于接收的跳频通信模块即收费站模块与计算机建立无线自组织网络，对用于发射的跳频通信模块即车载块的信号进行接收和处理，实行车辆身份的检查和自动收费，其中收费站模块以串联的方式分布在一条直线上，车载模块依次经过各收费站模块，由计算机进行车辆的自动识别；跳频通信模块包括微处理单元上层通信协议单元、基带单元、跳频图案产生器、天线、射频单元，射频单元包括双工器、功放器、调制解调器、跳频频率合成器。
文档编号G07B15/06GK1431631SQ03112740
公开日2003年7月23日 申请日期2003年1月24日 优先权日2003年1月24日
发明者宋铁成, 徐平平, 沈连丰, 张宏泽, 肖利 申请人:东南大学, 南京东大移动互联技术有限公司