本发明属于智能交通技术领域，涉及一种基于广域物联网的具有多义性路径识别功能的车载单元和系统。
背景技术：
从上世纪九十年代开始，我国进入了高速公路建设的快速发展期。至2015年底，我国高速公路通车总里程达到12.3万公里，居于世界首位。随着高速交通网络的日益完善，高速公路的发展模式将逐步从大规模基础建设转向智能化管理上来。高速公路智能化管理的支撑技术包括全国联网、动态监控和应急处理等。
由于高速公路规划的时间跨度大、区域性强，建设和运营由多个主体负责，在高速公路的联网整合时形成了大量的环网，产生了多义性路径的问题。多义性路径又称二义性路径，是指在收费公路路网内两个收费站之间存在两条或两条以上行驶路径。多义性路径问题不仅给高速公路通行费收入在分拆结算时带来利益分配的矛盾，也给道路资源的合理分配造成困难。
近年来物联网技术高速发展，其中低功耗广域物联网是一个新的发展热点。低功耗广域物联网又称低功耗广域网(lpwan)，有代表性的技术包括sigfox、lora和nb-iot。sigfox和lora技术比较成熟，目前在不少国家已经开始商业化运作；nb-iot技术得到了3gpp的大力支持，r13标准制定工作已在2016年6月冻结，商业化工作随后展开。
低功耗广域物联网具有成本低、覆盖范围广(可达40公里以上)、低数据速率通信可靠性高、支持终端超低功耗配置(10年以上电池寿命)、支持扩展定位功能(典型精度为50米)和支持联网等优点。低功耗广域物联网技术为解决高速公路多义性路径问题提供了一种新的思路。
现有技术公开的高速公路多义性路径识别技术例举如下：
公开号为“cn1877641a”的中国发明专利申请公开了“多义性路径识别系统及其方法”。该发明专利申请公开了一种多义性路径识别系统及其方法，包括路侧天线设备、桌面读写机、车载单元，所述路侧天线设备连续发送带有路径标识信息的射频信号，所述车载单元接收和存储路径信息，所述桌面读写器读取车载单元中存储的路径信息来区分多义性路径。该专利申请公开的系统及方法存在的问题是：(1)需要在高速公路上新建大量的路侧基础设施；(2)路侧天线设备连续发送射频信号，导致ism频谱被连续占用，影响其他使用ism频谱的设备的正常使用；(3)路侧天线设备与车载单元缺乏不要的认证手段，存在信息安全隐患。
公开号为cn101561289a的中国发明专利申请公开了“多义性路径的识别方法、系统、装置及路径识别卡”。该发明专利申请中的路径识别卡包括gps模块和双界面卡。路径识别卡记录途经路径的gps信息，通过双界面卡的无线方式传输存储的gps信息。该专利申请公开的识别卡存在的问题是：(1)双界面cpu卡的存储容量有限，仅能存储较少的经纬度坐标值；(2)在高速公路出口收费员通过读卡器读取cpu卡中存储的经纬度坐标值耗时较长，影响高速公路出口通行效率；(3)通过该实现方法确定车辆行驶路径有滞后性，延时时间也是不确定的，不利于高速公路的智能化管理。
技术实现要素：
本发明的首要目的是提供一种基于广域物联网的具有多义性路径识别功能的车载单元，以解决现有的高速公路多义性路径识别技术存在的静态、孤立点、滞后识别，记录、提供和读取信息不够准确与全面的技术问题。
所述的车载单元利用低功耗广域物联网基础设施(sigfox、lora或nb-iot基站)，在不增加高速公路路侧设备的前提下可实现多义性路径的识别，利用现有高速公路收费站的硬件设备完成通行费用的收取，降低了成本。当将车载单元制成识别卡时，该路径识别卡具有体积小、成本低、可靠性高和可维护性好等优点，适合配合国家物联网战略大规模应用。
为实现此目的，本发明提供一种基于广域物联网的具有多义性路径识别功能的车载单元，所述的车载单元包括单片机、广域物联网模块、双界面卡芯片和13.56mhz天线，
所述的单片机是负责控制、运算和存储的核心芯片，内部运行小型实时操作系统；
所述的广域物联网模块在所述的单片机的控制下实现所述的车载单元与后台系统的鉴权和远距离数据通信；
通过所述的单片机控制的所述的双界面卡芯片和13.56mhz天线，在高速公路收费出入口实现数据的写入和读取功能。
进一步，所述的广域物联网模块是sigfox、lora或nb-iot广域物联网模块。
进一步，所述的车载单元制成识别卡。
进一步，所述的车载单元还包括唤醒电路和电源管理模块，
所述的唤醒电路利用所述的13.56mhz天线，将高速公路收费站的13.56mhz读写器发射的无线信号转化为所述的单片机能够识别的唤醒信号并唤醒所述的单片机；
所述的电源管理模块在所述的单片机的控制下实现所述的车载单元在休眠、待机和运行三种状态之间的转换。
更进一步，所述的车载单元在休眠状态时，除所述的唤醒电路外，所述的车载单元的其他组成部分均处于关闭休眠状态；
所述的车载单元在待机状态时，所述的单片机处于运行状态，所述的广域物联网模块处于待机状态，能迅速启动；
所述的车载单元在运行状态时，所述的单片机处于运行状态，所述的广域物联网模块处于运行状态。
更进一步，所述的电源管理模块包括电池。
更进一步，所述的电源管理模块还用于将所述的电池的电压转换为所述的车载单元需要的工作电压。
更进一步，所述的电池为大容量、低自放电的一次性电池。
更进一步，所述的双界面卡芯片支持13.56mhz非接触界面的读写操作和接触界面的读写操作。
更进一步，所述的双界面卡芯片内置安全操作系统，还支持加解密运算和安全信息的存储。
更进一步，所述的车载单元还包括外壳，所述的外壳上印刷代表唯一序列号的二维码。
更进一步，所述的车载单元还包括外壳拆卸检测电路，当所述的外壳拆卸检测电路检测到所述的车载单元的外壳被非法拆卸时，将锁定所述的双界面卡芯片和广域物联网模块。
本发明的第二个目的是提供一种基于广域物联网的具有多义性路径识别功能的系统，以解决现有的高速公路多义性路径识别技术存在的静态、孤立点、滞后识别，记录、提供和读取信息不够准确与全面的技术问题。
为实现此目的，本发明提供一种基于广域物联网的具有多义性路径识别功能的系统，所述的具有多义性路径识别功能的系统如上所述的车载单元、站端系统和后台服务系统，
所述的站端系统布置在高速公路出入口岗亭，在高速公路入口所述的站端系统激活车载单元并写入入口信息到双界面卡芯片中，通过系统内部网络上传车载单元状态信息、激活信息，在高速公路出口所述的站端系统查询多义路径识别结果并计算高速公路通行费用；
所述的后台服务系统具有设备管理、数据管理、多义路径识别和实时监测功能。
本发明的技术效果在于，采用本发明的具有多义性路径识别功能的车载单元和系统，具有如下各种有益效果：
1)车载单元有休眠、待机和正常工作三种模式，以降低平均功耗；
2)车载单元可以与现有的收费站13.56mhz设备读写进行通信，减少设备升级的成本；
3)车载单元与车辆不是唯一绑定的关系，避免引入隐私泄露问题的担忧；
4)广域物联网基站能够实现车载单元的定位功能；
5)后台服务系统能够根据位置信息识别路径信息；
6)车载单元的上报频率可通过后台或收费站读写器配置；
7)车载单元也能够接收广域物联网基站下发的定位信息，具备多义性路径识别的功能；
8)车载单元能够将路径识别后的信息压缩存储；
9)在没有后台服务系统的参与下，依靠车载单元和站端系统也具备多义性路径识别能力；
10)后台服务系统能够根据车载单元上报的路径信息“准实时”监测路网的使用情况；
11)车载单元能够检测非法入侵；
12)车载单元外壳上可以印刷代表唯一序列号的二维码，便于扩展新的应用。
附图说明
图1为本发明的具体实施方式中的具有多义性路径识别功能的系统的组成图；
图2为本发明的具体实施方式中的识别卡的原理框图；
图3为无唤醒电路时，本发明的车载单元的运行状态示意图；
图4为有唤醒电路和电源管理模块时，本发明的车载单元的运行状态示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
示例性的本发明的基于广域物联网的具有多义性路径识别功能的高速公路多义路径动态监测系统如图1所示，包括车载单元(即识别卡)、站端系统和后台服务系统三部分，可实现高速公路车辆的多义路径实时动态监测，准确进行高速收费。
识别卡：识别卡具有非接通信、安全加密、数据存储等功能，通过广域物联网连入系统内部网络，上传识别卡id信息、状态信息、定位信息(由广域物联网基站生成)等到后台服务系统；
站端系统：站端系统布置在高速出入口岗亭，在高速入口站端系统激活识别卡并写入入口信息到内嵌的非接卡中，通过系统内部网络上传识别卡状态信息、激活信息；在高速出口站端系统查询多义路径识别结果及高速费用的计算。
后台服务系统具有设备管理、数据管理、多义路径识别和实时监测等功能。
示例性的本发明的基于广域物联网的具有多义性路径识别功能的识别卡如图2所示，包括单片机、广域物联网模块、双界面卡芯片、13.56mhz天线、唤醒电路、电源管理模块、外壳拆卸检测电路。
单片机是负责控制、运算和存储的核心芯片，内部运行小型实时操作系统。
广域物联网模块包括sigfox、lora或nb-iot物联网通信模块，以及配套使用的m2m卡，广域物联网模块在单片机的控制下实现识别卡与后台系统的鉴权和远距离数据通信。
通过单片机控制的双界面卡芯片和13.56mhz天线，在高速公路收费出入口实现数据写入和读取功能。双界面卡芯片内置安全操作系统，支持加解密运算和安全信息的存储。双界面卡芯片支持13.56mhz非接触界面的读写操作和7816接口接触界面的读写操作。
13.56mhz天线为唤醒电路提供激励信号。唤醒电路将13.56mhz天线接收到的高速公路收费站的13.56mhz读写器发出的无线信号转化为单片机能够识别的唤醒信号并唤醒单片机。
电源管理模块包括电池(为大容量、低自放电的一次性电池)，用于将电池的电压高效率的转换为识别卡需要的工作电压。电源管理模块在单片机的控制下实现识别卡在休眠、待机和运行三种状态之间的转换。
识别卡在休眠(sleep)状态时，除唤醒电路外，识别卡的其他组成部分均处于关闭休眠状态。
识别卡在待机(standby)状态时，单片机处于运行状态，广域物联网模块处于待机状态，能迅速启动。
识别卡在运行(running)状态时，单片机处于运行状态，广域物联网模块处于运行状态。
外壳上可以印刷代表唯一序列号的二维码，便于扩展新的应用。
由于识别卡内置加解密功能和鉴权功能，当外壳拆卸检测电路检测到识别卡的外壳被非法拆卸时，将锁定双界面卡芯片和广域物联网模块，以免给多义路径动态监测系统带来安全风险。
下表为如上的识别卡在各种状态的消耗电流情况：
由上表计算工作状态平均功耗(按每10分钟与基站通信一次计算)为(0.2×599.5+80×0.5)/600＝0.2665ma。
在无唤醒电路时，本发明的识别卡的运行状态如图3所示。无唤醒电路时，本发明的电池(容量为1000mah的一次性电池)的使用时间为1000/(0.2665×24)＝156.3天。
有唤醒电路和电源管理模块时，本发明的识别卡的运行状态如图4所示。假设汽车在高速公路平均每天行驶2小时，此时，本发明的电池(容量为1000mah的一次性电池)的使用时间为1000/(0.2665×2+0.002×22)＝1801.8天。
由此可见，在加入唤醒电路和电源管理模块后，本发明的识别卡在用一次性电池的情况下使用时间由不足半年增加至5年。
利用本发明的基于广域物联网的具有多义性路径识别功能的车载单元的高速公路多义性路径动态监控系统，最大化的利用了现有高速公路的硬件设施，解决了高速公路区域联网或全网联网后面临的多义性路径识别问题。相对其他解决方案的亮点主要有：成本低、可维护性好、系统升级平滑、“准动态”识别路径。
成本低：成本低体现在不需要新建路侧基础设施、识别卡成本低、识别卡体积小带来的流通转运成本低等。
可维护性好：识别卡使用一次性电池就成工作5年，省去电池充电引入的人力物力投入。识别卡丢失后能够根据定位信息找回。
系统升级平滑：增加的设备只有后台系统，不需要新建路侧基础设施，收费站现有设备仅需要软件升级。系统升级前后，原有收费相关操作流程不变，减小了收费站人员重新学习、适应的成本。
“准动态”路径识别：广义物联网基站能够定时上报的定位信息，后台服务系统能够实时监测车辆的行驶轨迹和整个高速公路的实时路况，避免了仅在高速公路收费站出口识别多义性路径带来的静态、孤立点证据可能带来的分歧和滞后问题。
采用本发明的技术方案后，定时通信间隔可配置，典型值为每10分钟与基站通信一次，原有技术只能在高速公路出入口上传数据。
本发明采用唤醒技术可以使设备在不工作时段(如没有进入高速公路或计费路段时)以极低电流休眠，设备达到省电的效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。