应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统及交互通信方法

摘要

一种应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统及交互通信方法，包括多个RSU，对称重货车发放有源双向复合通行卡；根据RSU接收到有源双向复合通行卡发射的ID信息后，发射RSU应答信号，若有源双向复合通行卡未处于外屏蔽状态则接收到RSU应答信号后，再向RSU发射应答信号表示已接收到RSU路径信息；RSU若未收到有源双向复合通行卡第二次发射的应答信号，则表示有源双向复合通行卡处于外屏蔽状态；RSU收到复合通行卡第二次发射的应答信号，则表示有源双向复合通行卡处于未屏蔽状态。本发明可以在复合通行卡处于电磁屏蔽状态下，触发RSU记录复合通行卡的信息，从而实现判定是否是人为故意电磁屏蔽通行卡。

说明书

技术领域

本发明涉及智能交通(IntelligentTransportationSystem，简称ITS)领域，尤其涉及一种应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统及交互通信方法。

背景技术

越来越复杂的高速公路网结构导致起点到终点存在多条可选路径，即环路导致的多义性路径，在无法对车辆行驶路径进行精确判别的前提下，联网收费无法实现精确收费。另外由于投资主体多元化，不同路段往往分属于不同的业主。对车辆的行驶路径准确判别，能够公平、公正地拆分通行费。同时完整、准确的车辆行驶路径信息可以作为高速公路换卡、换车牌逃费行为重要判断依据。

已有多义性路径识别系统一般包括路侧单元(RoadSideUnit，简称RSU)、复合通行卡(RadioFrequencyIdentificationRFID电子标签+IC卡)、数据中心等，所述RSU与复合通行卡之间可以采用单/双向通信，单向通信方式为复合通行卡一直处于监测休眠状态，高速公路沿途设置的RSU发射的广播调制信号可唤醒复合通行卡，通过接收信号产生的感应电流，复合通行卡记录RSU发射的路径信息。双向通信相比于单向通信增加了复合通行卡接收到RSU广播后作出应答的环节，由此，RSU可实现对复合通行卡信息的采集。为了保证双向通信，复合通行卡需保证电源供应(有源复合通行卡)。

具体应用中，部分驾驶员为了实现逃费目的，将复合通行卡人为故意放置于密闭的金属容器中，使复合通行卡处于电磁屏蔽状态，进而RSU的发射的广播信号无法唤醒复合通行卡，复合通行卡既不能记录路径信息也因未被唤醒不会发射应答信号，这降低了多义性路径识别系统的可靠性，也使业主蒙受巨大经济损失。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种应对人为故意电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统及交互通信方法，该方法可以在复合通行卡处于电磁屏蔽状态下，触发RSU记录复合通行卡的信息，从而实现判定是否是人为故意电磁屏蔽通行卡。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统，包括多个RSU，对称重货车发放有源双向复合通行卡；根据RSU接收到有源双向复合通行卡发射的ID信息后，发射RSU应答信号，若有源双向复合通行卡未处于外屏蔽状态则接收到RSU应答信号后，再向RSU发射应答信号表示已接收到RSU路径信息；RSU若未收到有源双向复合通行卡第二次发射的应答信号，则表示有源双向复合通行卡处于外屏蔽状态；RSU收到复合通行卡第二次发射的应答信号，则表示有源双向复合通行卡处于未屏蔽状态。

所述RSU包括第一无线通信模块、第二无线通信模块、有线通信模块以及2组横向振荡减速标线；

所述第一无线通信模块用于发射调制有RSU路径信息的广播信号；

所述第二无线通信模块用于接收双向有源复合通行卡的ID信息，发送应答信号并接收双向有源复合通行卡发送的第二次应答信号；

所述有线通信模块用于在RSU未接收到有线通信模块第二次应答信号情况下，将双向有源复合通行卡ID信息发送至上位机数据库；

所述2组横向振荡减速标线用于使称重车辆在通过RSU前车身产生振动以触发双向有源复合通行卡。

所述2组横向振荡减速标线设置于车辆驶来方向且距离RSU天线辐射范围边缘M米处，其中，M≈v_h*T_p，T_p为数据处理模块的数据处理周期，v_h为高速公路网内最高行驶车速。

所述双向有源复合通行卡包括无线通信单元、振动传感器和数据处理模块；

所述振动传感器用于采集车辆振动数据；

所述数据处理模块用于计算触发无线通信单元的自适应阈值；

所述无线通信单元用于发射ID信息并接收/发送应答信号。

应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统的交互通信方法，包括以下步骤：

步骤1，RSU的第一无线通信模块发射广播信号，通过其覆盖范围的双向有源复合通行卡记录路径信息，在未屏蔽状态下，双向有源复合通行卡能够接收到RSU广播信号，同时双向有源复合通行卡的数据处理模块判断是否存有重复路径信息，若没有，则写入；

步骤2，双向有源复合通行卡进入高速公路网后，振动传感器开始采集数据，对数据处理模块的数据处理周期内记录的振动数据利用数据处理模块中的中值滤波器进行滤波，滤波后振动数据的最大值设定为下一个周期判定进入RSU覆盖范围的阈值；

步骤3，当前数据处理周期内的振动数据若有大于等于2个值超过上一周期设定的阈值，则触发无线通信单元发送双向有源复合通行卡的ID信息；

步骤4，RSU的第二无线通信模块接收到ID信息，发送调制有RSU路径信息的应答信号；

步骤5，若双向有源复合通行卡未被电磁屏蔽，则能够接收到RSU发送的应答信号，数据处理模块判断卡内是否有重复路径信息，若无重复路径信息则写入路径信息，同时向RSU发送已接收到路径信息的应答信号；

步骤6，若RSU在1s内未接收到双向有源复合通行卡的应答信号，则判定该卡被电磁屏蔽；

步骤7，RSU通过有线通信模块将被屏蔽双向有源复合通行卡的ID信息发送至上位机，上位机将该ID信息列入黑名单；

步骤8，称重车辆驶出高速公路前，收费站工作人员读取双向有源复合通行卡信息，若对应ID被2次列入黑名单，则判定为人为故意电磁屏蔽。

所述步骤2中振动传感器在车辆驶入高速公路收费站入口领取通行卡后，开始进行振动数据采集，采集频率根据横向振荡减速标线中凸起的宽度以及称重车辆在高速公路网内最高车速确定。

所述步骤2中振动传感器采集频率为f_s，f_s≥v_h/w，其中，w为横向振荡减速标线中凸起的宽度，v_h为高速路网内称重车辆的最高车速。

根据当前车辆行驶速度自适应调整阈值，每隔T_p更新一次阈值，T_p为数据处理模块的数据处理周期，T_p≈L/v_l，其中，L为每组横向振荡减速标线覆盖范围，v_l为称重车辆在高速公路网内的平均最低行驶车速。

所述步骤4中发送是采用以点对点通信模式。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过设置多个RSU，对称重货车发放有源双向复合通行卡；根据RSU接收到有源双向复合通行卡发射的ID信息后，发射RSU应答信号，若有源双向复合通行卡未处于外屏蔽状态则接收到RSU应答信号后，再向RSU发射应答信号表示已接收到RSU路径信息；RSU若未收到有源双向复合通行卡第二次发射的应答信号，则表示有源双向复合通行卡处于外屏蔽状态；RSU收到复合通行卡第二次发射的应答信号，则表示有源双向复合通行卡处于未屏蔽状态，实现了对人为电磁屏蔽的识别。

本发明所提供的应对人为故意电磁屏蔽的多义性路径射频识别方法中的有源复合通行卡中的无线通信单元包括无线广播信号监测模块，在进入RSU广播信号覆盖区域后，在未被电磁屏蔽的条件下，无线广播信号监测模块监测到RSU广播信号后，同样可触发无线通信单元，无线通信单元能够提高多义性路径射频识别的稳健性。

本发明所提供的应对人为故意电磁屏蔽的多义性路径射频识别方法可在双向有源复合通行卡在被人为故意电磁屏蔽情况下，利用屏蔽体未接地条件下，屏蔽体内部电场可影响外部电场这一特性，通过复合通行卡主动发射ID信息后RSU是否接收到第二次应答信号作为判定屏蔽状态的依据，继而利用RSU有线传输模块将该ID信息上传至数据中心，作为收费站出口的收费依据。另外，通过在RSU接收范围边缘设置横向振荡减速标线产生的振动信号，触发复合通行卡的无线传输单元，实现降低复合通行卡功耗。本发明可以在复合通行卡处于电磁屏蔽状态下，触发RSU记录复合通行卡的信息，包括但不限于ID号，车牌信息等，还可利用内置振动传感器降低复合通行卡发射信号次数，从而节约电量。

附图说明

图1为本发明实施方案所提供的多义性路径识别系统中RSU接收范围边缘设置横向振荡减速标线示意图。

图2为本发明中RSU结构框图。

图3为本发明中双向有源复合通行卡的结构框图。

图4为本发明中RSU的流程图。

图5为本发明的实施方案的流程图。

图中，1为第一无线通信模块，2为第二无线通信模块，3为有线通信模块，4为横向振荡减速标线，5为无线通信单元，6为振动传感器，7为数据处理模块，8为无线广播信号监测模块，9为中值滤波器，10为RSU，11为RSU天线辐射范围。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。

参考图1、图2和图3，本发明提供的一种应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统，其适用于高速公路收费系统，尤其可以应对以逃费为目的的人为故意屏蔽复合通行卡的作弊行为，以便于为高速公路收费系统的按实际行驶路径收费和通行费的拆分提供可靠的路径信息依据。

应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统包括多个RSU10，每辆行驶在路网中的车辆对应一张复合通行卡，考虑到成本问题，其中只对称重货车发放有源双向复合通行卡，因其具有相对较大的逃费动机，其他车辆发放常规单向复合通行卡。

在本发明中，所述RSU用于发送/接收、调制/解调、编码/解码、加密/解密、并具有对发射接收进行数据处理功能以及向上位机数据库发信息。

在本发明中，所述双向有源复合通行卡用于发送/接收、调制/解调、编码/解码、加密/解密，包括振动传感器，并对振动数据进行数据处理。由车辆通过振荡减速标线产生的振动触发双向有源复合通行卡，在通行卡被人为电磁屏蔽条件下，根据电场外屏蔽原理，RSU10将接收到双向有源复合通行卡发送的ID信息，但通行卡无法接收RSU发送信息，可根据RSU是否接收到应答信息确定通行卡是否屏蔽。

图2为本发明RSU的电路结构框图。参见图1和图2，在本发明中，所述RSU包括第一无线通信模块1、第二无线通信模块2、有线通信模块3以及用于使称重车辆在通过RSU前车身产生振动以触发双向有源复合通行卡的无线通信单元的2组横向振荡减速标线4；2组横向振荡减速标线设置于RSU天线辐射范围11(椭圆阴影)边缘(距离车辆最近的边缘)在车辆驶来方向上M米处(即2组横向振荡减速标线与RSU天线辐射范围在车辆驶来方向上的边缘的距离为M)，其中M取决于数据处理模块的数据处理周期T_p以及高速公路网内最高行驶车速v_h，即M≈v_h*T_p，以保证在车辆最快行驶速度条件下，一个数据处理周期内双向有源复合通行卡的无线通信单元可以被唤醒，例如数据处理周期T_p＝3.2秒，v_h＝34米/秒，则M≈109米。每组标线根据国家GB5768标准安装，要求每组标线内不少于10个凸起。2组振荡减速标线用于使称重车辆在通过RSU前车身产生振动以触发所述双向有源复合通行卡。

所述第一无线通信模块1用于发射调制有RSU路径信息的广播信号，双向有源复合通行卡中的感应电路模块与无线通信单元5相连，收到广播信号的激励产生感应电流，感应电流触发数据存储模块记录RSU的路径信息。

所述第二无线通信模块2用于接收双向有源复合通行卡的ID信息，发送应答信号并接收双向有源复合通行卡发送的第二次应答信号，所述有线通信模块3用于在RSU未接收到有线通信模块第二次应答信号情况下，将通行卡ID信息发送至上位机数据库并列入黑名单。

图3为本发明双向有源复合通行卡的电路结构框图，参见图3，在本发明中，所述双向有源复合通行卡包括无线通信单元5，振动传感器6和数据处理模块7等，所述振动传感器6用于采集车辆振动数据，所述数据处理模块7用于计算触发无线通信单元的自适应阈值，所述数据处理模块7包括中用于去除振动突变扰动及噪声分量的值滤波器，中值滤波器9每隔T_p对采集到的振动数据滤波去除振动突变扰动及噪声分量，数据处理模块得到滤波后振动数据的最大值作为触发所述双向有源复合通行卡的无线传输单元的阈值以广播模式发射ID信息，由于不同行驶速度通过所述振荡标线引发的振动幅度不同，所述每隔T_p更新阈值操作用于根据当前行驶速度自适应调整阈值，避免漏发送以及频繁发送导致的电量消耗。当采集到的振动数据大于所述设定阈值，触发所述双向有源复合通行卡无线传输单元发射ID信息，工作时间为根据横向震荡标线设置位置与RSU辐射边缘的距离M与拥堵时称重车辆在高速公路网内的平均最低行驶车速v_l确定，以确保在车辆行驶最低车速条件下，唤醒状态可保持至进入RSU辐射范围，例如M为109米，v_l为1.5米/秒，则每次唤醒无线传输单元的工作时间参考设定大于73s。2组振荡减速标线用于使称重车辆在通过RSU前车身产生振动以触发所述双向有源复合通行卡的无线通信单元。

所述无线通信单元5用于发射、调制ID信息并接收/发送应答信号，无线通信单元5包括RSU无线广播信号监测模块8，在进入RSU广播信号覆盖区域后，在未被电磁屏蔽的条件下，无线广播信号监测模块8监测到RSU广播信号后，同样可触发无线通信单元，以提高系统稳健性。

当所述有源双向复合通行卡被放置于密闭屏蔽体中情况下，屏蔽体在未接地的情况下，基于经典电磁场理论，所述复合通行卡处于外电场屏蔽状态，外部电场无法影响屏蔽体中的电场，即复合通行卡无法接收RSU第一无线通信模块发射的广播信号。然而，在外电场屏蔽条件下，屏蔽体内部电场可在屏蔽体外表面产生感生电荷，继而影响外部电场。

对于屏蔽状态的判定，所述RSU第二无线通信模块接收到有源双向复合通行卡发射的ID信息后，发射RSU应答信号包括RSU的路径信息，若复合通行卡未处于外屏蔽状态则接收到RSU应答信号后，再向RSU发射应答信号表示已接收到RSU路径信息。RSU若未收到复合通行卡第二次发射的应答信号，则表示复合通行卡处于外屏蔽状态。

RSU接收到复合通行卡第一次发射的ID信息后，若未收到第二次的应答信号，则判定有源双向复合通行卡处于外电场屏蔽状态，上述有线传输模块将该ID信息上传至数据中心，并将该ID信息列入黑名单，并计数加1。

其中，所述数据处理模块包括中值滤波器9，所述中值滤波器9每隔T_p(T_p为数据处理模块的数据处理周期)对采集到的振动数据滤波去除振动突变扰动及噪声分量，所述数据处理模块得到滤波后振动数据的最大值作为触发所述双向有源复合通行卡的无线传输单元的阈值以广播模式发射ID信息，由于不同行驶速度通过所述振荡标线引发的振动幅度不同，所述每隔T_p更新阈值操作用于根据当前行驶速度自适应调整阈值，避免漏发送以及频繁发送导致的电量消耗。当采集到的振动数据大于所述设定阈值，触发所述双向有源复合通行卡无线传输单元发射ID信息，工作时间为根据RSU接收范围确定。

图4为本发明所提供的RSU的流程图，其应用于多义性路径识别系统中RSU与复合通行卡的通信方式，并根据应答信息判定通行卡是否被电磁屏蔽。参见图4和图5，应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统的交互通信方法包括以下步骤：

步骤1，RSU的第一无线通信模块发射广播信号，通过其覆盖范围的单向复合通行卡、双向复合通行卡记录路径信息，在未屏蔽状态下，双向有源复合通行卡可接收到RSU广播信号，同时双向有源复合通行卡的数据处理模7判断是否存有重复路径信息，若没有，则写入。若是有重复路径信息则不记录，重复路径信息可能为由振动传感器触发后写入。

步骤2，双向有源复合通行卡进入高速公路网后，振动传感器6开始采集数据，振动传感器6在车辆驶入高速公路收费站入口领取通行卡后，开始进行振动数据采集，采集频率根据振荡减速标线的宽度以及车辆在高速公路路网内最高行驶速度确定。本发明中采集频率的设定根据每组横向振荡减速标线中凸起的宽度以及称重车辆高速公路网中最高车速确定，以使由车辆行驶通过每一个凸起产生的振动均可以被采集到，令凸起宽度为w，高速路网内称重车辆的最高车速为v_h，那么采集频率f_s(单位Hz)应满足f_s≥v_h/w。例如横向振荡标线凸起宽度为25厘米，车辆最高行驶速度为34米/秒，那么采集周期至少为136Hz。数据处理模块的数据处理周期根据每组横向振荡标线的覆盖范围以及拥堵时的最低车速确定，以使不同车速条件下，一个周期内可以完整采集到振荡标线产生的所有振动数据。令每组横向振荡减速标线覆盖范围为L，称重车辆最低车速为v_l，数据处理模块的数据处理周期T_p应满足T_p≈L/v_l。例如每组振荡减速标线内凸起宽度为25厘米，相邻凸起间距20厘米，共包括11个凸起，则覆盖范围为11*0.25+10*0.2＝4.75米，最低车速设定为1.5米/秒，则数据处理模块的处理周期可设定为3.2s。为了去除偶然因素引入的突变振动数据对阈值设定的影响，数据处理模块将对数据处理周期T_p内记录的振动数据利用中值滤波器9进行滤波，滤波后振动数据的最大值设定为下一个周期判定进入RSU覆盖范围的阈值。不断调整阈值是为了自动适应不同车速条件下通过相同障碍物产生的振动不同，每个数据处理周期更新一次阈值。

步骤3，当前数据处理周期内的振动数据有大于等于2个值超过上一周期设定的阈值，则触发无线通信单元发送双向有源复合通行卡的ID信息。

步骤4，RSU的第二无线通信模块接收到ID信息，以点对点通信模式发送调制有RSU路径信息的应答信号。

步骤5，若双向有源复合通行卡未被电磁屏蔽，则可接收到RSU发送的应答信号，数据处理模块7判断卡内是否有重复路径信息，若无重复路径信息则写入路径信息，同时向RSU发送已接收到路径信息的应答信号。

步骤6，若RSU在1s内未接收到双向有源复合通行卡的应答信号，则判定该卡被电磁屏蔽。

步骤7，RSU通过有线通信模块3将被屏蔽双向有源复合通行卡的ID信息发送至上位机数据库，上位机将该ID信息列入黑名单，并计数加1。

步骤8，称重车辆驶出高速公路前，收费站工作人员读取双向有源复合通行卡信息，若对应ID被2次列入黑名单，则判定为人为故意电磁屏蔽通行卡，根据相关规定进行处罚。

本发明所提供的应对人为故意电磁屏蔽的多义性路径射频识别方法可在双向有源复合通行卡在被人为故意电磁屏蔽情况下，利用屏蔽体未接地条件下，屏蔽体内部电场可影响外部电场这一特性，通过复合通行卡主动发射ID信息后RSU是否接收到第二次应答信号作为判定屏蔽状态的依据，继而利用RSU有线传输模块将该ID信息上传至数据中心，作为收费站出口的收费依据。另外，通过在RSU接收范围边缘设置横向振荡减速标线产生的振动信号，触发复合通行卡的无线传输单元，实现降低复合通行卡功耗，节约电量。

本发明可以在复合通行卡处于电磁屏蔽状态下，触发RSU记录复合通行卡的信息，包括但不限于ID号，车牌信息等，还可利用内置振动传感器降低复合通行卡发射信号次数，从而节约电量。