基于RFID的自动限速预警系统

基于RFID的自动限速预警系统摘 要 超速驾驶是道路交通事故的主要原因之一。驱动程序通常声称他们无意超速，车载自动限速预警系统可以帮助他们减少超速和事故的数量频繁的发生。但目前现有的系统不能提供一致的和令人满意的性能。在本文中，我们研究了基于RFID技术的自动限速变速器，我们的结论是，无源和有源RFID系统表明在这种情况下很有潜力，但适用于不同规模。对于这两种技术：挑战识别和处理，由原型系统提出并演示系统开发以证明我们的设计理念的可行性。关键词：RFID；限速；驾驶员辅助系统；1基于RFID的自动限速预警系统1.引言 据美国运输部研究，超速行驶是该国每个月死亡人数超过1000人的一个因素，占所有致命车祸的三分之一左右。在2006年，超过13,500名员工在与超速有关的事故死亡。美国国家公路交通安全管理局估计，超速相关的事故造成的经济损失每年超过40十亿（DOT，2009）。显著性研究中发生碰撞时个别车辆的速度受影响，显示出速度和碰撞率之间的指数关系（Kloeden等人，2001）。此外，在车辆行驶80英里每小时采用10-20的燃料比在70英里每小时行驶时多。毫无疑问，车辆速度加快增加了二氧化碳、氮氧化物的排放量，并产生更多的噪音（运输部，2000年）。 尽管80以上欧洲司机声明，行驶速度过快是道路交通事故的促成因素，许多司机声称他们是无意中超过限速。其中一个原因可能是司机不知道限制的速度。可以假定，这是一个意外冲突，可能是因为缺少一个限速标志或因司机没有看到它。在这两种情况下，是不能充分了解路面状况对车的动力速度限制。另一个原因是由于低估导致无意超过限速。所有汽车都有用于客观地检查行驶速度的里程表。但当谈到如何确定其速度时，很多司机靠自己的主观感觉或他们对速度的“感觉”。然而，人类的感知技能和主观经验的局限性影响对速度的判断，可能导致低估了真正的速度。这种低估很容易出现在一种情况下：很长一段时间一直保持高速或者一段高速行驶后司机得到的周围的视觉信息提醒他们必须降低他们的速度。阅读器会自限制动道路车速并提醒司机，当他们超过车速限制是潜在有用的，因为它们可以帮助控制超速，从而防止发生重大事故的发生。本文的主要工作如下：首先简要介绍了现有的速度限制系统及其特点，然后介绍了我们的方法通过无源射频识别技术，天线方向和标签的响应速度进行的详细研究来证明了设计的可行性，然后使用有源射频识别技术的研究和我们提出的解决方案用来防止有用的标签混淆。最后一个测试系统的开发，以证明我们的设计的可行性。2.现有系统 目前的速度预警系统包括全球定位系统和基于实时图像的速度标志识别处理。全球定位系统基于一个通常与全球导航系统集成的速度预警系统。一个全球定位系统的传感器接收卫星信号和计算车辆的协调员的信号。然后位于车辆的系统根据车速限制的数据库预加载地图和指示相应的车速限制。这种系统有以下不足：1）。该地图和速度限制数据库加载到设备，这意味着他们不会实时更新，也不会包含相应的日期信息。临时车速限制，道路布局和速度标志的变化可能会导致设备读数和现实世界的速度限制之间不一致。2）。全球定位系统定位跟踪精度有限，有10至20米的误差。导航系统使用各种校准算法，但在某些情况下，如在市中心的环境中，他们仍然无法确保车辆的的正确位置，这可能会导致不正确的速度限制读数。3）。全球定位系统依赖于卫星信号，这是不可靠的，特别是在恶劣的天气、卫星在隧道或高层建筑中驾驶时。 速度标志识别的技术基于图像的实时图象处理。安装在车辆前面的摄像头不断地捕捉车辆前面的图像。开发的算法通过拍摄来识别和阅读在道路上的图片和限速标志，这个系统在能见度降低的天气下会变得困难，此外当道路标志丢失或被过往车辆或过高的植被覆盖住标志的时候不能提供任何数据。3.研究和开发方法 射频识别技术是利用无线电波自动识个人或物体的自动识别技术。典型的射频识别系统的基本组成部分包括：应答器或标签，它是一种单片机，通过一个附加的天线来存储和传输一个独特的序列码，用于接收和识别标签发送的信息。射频识别技术已经在一些运输中得到相关的应用，如车辆停放或检测系统中标签被安装在车辆或者识别器被部署在控制点上来确定车辆通过。 我们的方法是通过采用射频识别技术，以帮助司机收集道路上的车速限制数据；在超速行驶时要提醒司机；在必要时自动限制车速，并记录驾驶员的行为。然而，因为它是提供信息的路边设备，我们感兴趣的是在相反的方式使用射频识别当前系统的定位标记在路边和读者的车辆。在我们的研究中，被嵌在路面的路标或某些点的极限的速度将存储在RFID标签内。车辆通过特定的一个路标或在一个特定的道路表面上的点时，安装在车辆上的识别器将从标签检索相应的限速信息。这样的信息可以显示在汽车上，或被用于驱动警告系统，以提醒司机他们正在超速。随着射频识别技术为我们提供了一个非接触式数据传输标签和没有视线数据采集线的需要的识别器，我们系统的速度限制识别将会在各种天气条件下都是可靠的。该系统不需要卫星或基站，将适用于所有领域，包括隧道和市中心地区。新的道路计划和临时限速可以很容易地通过改变或实施新的标签来介绍。由于车内设备不依赖任何预装地图或数据库，所以它会变得更简单，更便宜和更容易维护。4.无源RFID为基础的系统 无源射频识别的重点是在标签的位置，标签可以被放置在现有的路标上并直接安装在高架站或路面，识别器天线可以放在车的上面或下面或垂直向下的底盘上。4.1实现无源标签在现有路标 放置无源标签上的现有路标的想法是很简单的。这是比较容易的，不需要进一步路标规划，但实现并不简单。 天线方向：无源射频识别读写器天线方向是定向的。它是平行于天线，这意味着标签只能当读写器天线直接面对它时读取数据。这些限制使得标注存在的路标很难被识别。最好的部署是所有无源标签在这些路标在左边路的一侧。原因如下： 首先，现有的路标已经部署在道路不同的地方，如图1所示。他们可以在路的左边或右边的路边，架空结构或划分在车行道上。为了阅读这些路标上的标签，频射识别器不仅需要有足够的识别范围，这可能是新设计的识别器芯片所实现的，还需要天线正确地对着它们。要做到这一点，识别器需要把天线指向每一个路标或者有多个天线覆盖所有可能的方向。这两个似乎都是可行的，特别是当我们的系统开发成为车辆的第三方系统。图1 在英国的各种相对方向的速度信号 其次，即使在最后一段描述的识别器天线的实现是可能的，但速度标签部署的对面车道可能有不同的速度限制，可以理解为多天线的标签，他的天线指向四面八方，或单天线的标签，它的天线对之间的车行道的路标。为了避免这种混淆的标签，应该在地理上分离，最好的方法是部署的左侧的道路上，使车辆的天线两个运输方式点在完全不同的方向，天线就不会阅读相反侧的标签。 这两个原因都要求无源标签的路标必须部署在左侧路边。这可能需要额外的路标部署，因为现有的路标并不总是部署在左侧路边。然而，为了在路标上的标签方案的可行性现在有另外两个需要解决的问题。 读取范围：我们使用UHF频段测试无源RFID系统，UHF频段具有最大的阅读范围。在霍利维尔公园进行这些测试，拉夫堡大学的各种识别器、标签和显示标签读取距离最远6m，这是不够的。根据英国公路局的文件，如图2所示，高速公路和双运输方式标准车道宽度为3.65米。读取EPC Class 1 Gen2标签在高达6米的能力可以在双车路或那些使用1和2车道的高速公路上的车辆。但在现实中也有路标和车道1由于安全原因，两侧之间有相当大的距离，如果有自行车道还将进一步增加距离。因此，我们得出结论，只有车辆使用的车道1可能有一个合理的标签。这种分析是基于最新的超高频无源RFID产品；对超高频读写器读取范围未来可能进一步增加，但目前在市场上没有合适的硬件。图2 英国高速公路的车道数量和宽度 路上的障碍：对于多车道行车阅读器，在外面车道的车辆通过较慢车道时，可能因为其他车辆摆在它和路标之间而被阻挡。当我们考虑到较慢的车道经常被大型车辆，如重型货车占用，情况将会变得更糟。作为超高频无源射频识别读出操作对标签和天线之间的障碍是非常敏感的，当障碍物车辆存在时速度标签读取失败将非常有可能。为了避免这种情况，唯一方法是无论架空或车辆下都避免部署标签。但这两种解决方案都将遵守路标的标记方法。图3 在车辆慢车道堵住阅读器定位4.2实现无源标签开销 放置高的标签是一个解决方案，避免阅读混乱和道路上的障碍。图4显示了这样一个系统，在佛罗里达州，美国公路收费和交通控制上实现了。所不同的是，在车辆的挡风玻璃下，识别器和标签的部署。虽然该系统是为超高频无源RFID系统做的广告，标签有电池安装在使它能与司机相互作用时其预付帐户不包含足够的资金支付收费。这个解决方案的问题是实施成本，特别是如果考虑到一个系统，可以在所有的道路上实施，因为大多数的道路没有高架标志站，建设这样的立场，目前所有的道路似乎是不切实际的。图4 SUNPASS RFID收费和交通控制系统4.3实现对路面无源标签 因此，在路面上放置无源标签，是可供选择的最后一个选项。这类似于开销标签的解决方案，在将无源标签放在路面上不存在障碍问题。此外，与以前的解决方案相比所需的读取范围甚至更短，更可控。因此，这是我们的首选设计，我们将讨论如何在以下问题可以得到解决。 读取速度/标签响应时间：在静态的被动识别系统的读写器和标签是固定的或有一个缓慢的相对运动速度，更短的读写器和标签之间的距离，我们一般可以实现更好的阅读。由于车辆可能行驶在非常高的速度，如标签和识别器天线之间的距离只有30-50cm，路面上的标签可能被收录区域内只有很短的时间内。这意味着我们挑战了被动射频识别读写速度的限制，或者说响应时间。 图5所示的系统已在日本宫城大学的研究人员测试了（良道，图2006）。无源高频RFID标签附着在大学校园内的路面上和读取器被安装在与安装在汽车的端其天线的车辆。研究人员研究人员在设计中运用高频射频识别标签。由于高频射频识别的实验结果表明，该系统能够正确地读取标签，在车辆的速度高达20公里/小时（12.5英里/小时），这是非常实用的。图5 在车辆安装系统（良道，2006） 超高频无源RFID系统有更快的读取速度比其他RFID系统在较低的频段。因此，我们进行了一项类似的试验使用SkyeTek的M9 UHF无源RFID嵌入式模块。测试结果如图6所示，其最大移动速度为25英里/小时，识别器成功读取标签。然而在我们的应用程序这个速度仍然是不够的。图6 用SkyeTek的M9车辆测试，在道路旁的标签 为了理解这样的结果，我们已经确定的关键性能参数，涉及的最大运动速度为识别器的标签响应时间。测试已经进行了在SkyeTek的M9的工具从制造商和显示平均标签响应时间35ms。这些试验也表明，M9天线有效面积约40cm长在50cm的标签读写距离。因此，标签和读写器之间的最大相对速度，可以得到一个正确的读数： 这一结果与M9在汽车领域测试结果呈现在图6，这表明时速25mph不够我们项目的最大速度。但是，我们已经确定的EPC Class 1协议称为“scrollaiiid”或“全球滚动”的功能，这不是由M9设备支持，它可以帮助我们设计达到预期的阅读成绩。 一些差的识别器实现此功能的EPC Class 1协议称为“scrollaiiid”或“全球滚动”，这个功能可以让识别器绕过任何冲突检测和解决方法，从而产生识别率超过400-500标签/秒。撞由于globalscroll模式避免了碰撞检测，所以一般不建议除非有很好地控制条件。然而，当放置标签的道路表面上的标签的距离，标签天线的相对方向和标签的数量在天线的阅读区域，可以很容易地控制，从而我们可以期待这个功能是充分工作，并提供预期的性能。 识别率超过400标签/秒意味着约2.5毫秒的响应时间从被动射频识别标签，考虑车辆行驶在100英里每小时，它移动约每秒45米。一个典型的沙龙的底盘高度，掀背车或面包车是从路面20-30cm和根据实验室试验在这个距离的阅读器天线的有效射程约40-50厘米长。识别器可以有9-11 MS在无源标签，因此，在理论上，能够阅读标签成功。实际上，如果我们用相同的方程，我们用来计算M9最大读取速度: 我们可以计算最大理论为支持globalscroll识别标签作为一种无源超高频RFID阅读器，支持此功能的外星人8800阅读器的移动速度；它也声称自己是在市场上最快的超高频读写器。印度的研究人员已经测试了车辆自动识别（AVI）基于外星人8800器系统（Butani et al.，2007）。虽然系统的设计和目的都不为我们的项目一样，它也证明了特定的阅读器标签组合他们使用能正确在150公里/小时的相对运动速度读取标签信息（约93英里）的阅读器和标签之间。 由于外星人8800读者声称是最快的识别器在市场上，我们测试了这样的识别器在我们的实验室环境。然而，在我们自己的测试中外星人8800并没有充分的达到理论的阅读速度，globalscroll测试显示平均标签读取速度为7ms 到8ms。本试验结果与以前的方程的算出外星人8800读通过标签的速度为： 这是非常接近以前的AVI系统现场测试的结果，是绰绰有余的应用。5.有源RFID为基础的系统 无源RFID技术在需要大规模的速度标记、实施大规模应用时显示出巨大潜力。在另一方面，对于小规模的应用，无源RFID读取器仍然过于昂贵，消耗了大量的功率，而他们的硬件规模带来车辆集成的困难。对于简单的场景，如临时限速警告，一个简单的系统附加到现有的系统可以更实用。有源RFID被认为是合适的在此情况下的。路边标签的成本略高，有限但可以接受的电池寿命，它允许阅读器是一个更简单，更便宜和更小的设备，这使得与现有的系统如GPS导航更可能整合。有源RFID是有更长的读取范围和更可靠的读取标签，这更方便标签的执行。而不是把标签上的路面，修路工人可以简单地提上了临时交通标志的速度标记。 使用有源RFID速度极限传递时提出的问题是标签混乱。标签混淆发生是因为活动发射器的射频范围不能被精确地控制。不同的活性速度标签的射频范围重叠，可同时读取多个标签，会混淆车辆辅助系统。标签重叠可能发生在所有道路上，因为在相反的方向在两个行车道可以具有不同的速度的限制。如图7所示，重叠也会发生与多层道路和十字路口。图7 活动标签混淆 我们评估了两种不同的方式来解决标签混乱的问题，这就是定向天线和流量方向识别。5.1定向天线 第一个解决方案是使用定向天线，以避免标签混淆。定向天线或天线的辐射功率大一个或更多的方向可以增加性能的同时发送和接收，减少干扰源的干扰天线。通过采用定向天线的主动速度标签，我们可以把重点放在一个特定方向的速度限制信号传输，并让它覆盖的区域的速度限制是有效的。速度标记与定向天线必须部署之间的车行道，指向相反的方向，避免任何可能出现的混淆，同时，在同一时间，以覆盖特定的运输，它需要广播的速度限制信息。（图8）图8 定向天线及其位置 我们测试我们的Jennic JN5139无线控制器和2.4GHz室外定向天线具有分别为30，45度和60度的有效角度的三种不同类型的设计。但是，在我们的与这些定向天线的测试中，该标记覆盖RF场示出一个不完美的方向性。例如，该地区被30度12分贝的定向天线，如图9所示虽然实现的主要方向一个更长的距离，但是标签也涵盖了相当大的地区以外的主要传动角30，因此接收机拿起一贯力挺天线速度限制信号。这是由于天线的方向性只是一个相对特征。根据定向天线增益图，图9显示定向天线只保证在主要方向更高的天线增益，但在射频功率传输在其他方向在近距离的同时不可忽略。 由于这个原因，定向天线本身不能完全解决标签混淆问题。射频屏蔽是提高在一定情况下，天线的方向性的可能途径。然而，我们的测试结果与各种射频屏蔽材料显示，屏蔽仍然不能提供完全令人满意的性能，由于非常短的距离之间的天线和相反的运输方式。（图9）图9 定向天线测试及其射频增益图5.2交通方向识别测量轴承 因为一个定向天线本身无法解决标签混乱的问题，因此我们设计了一种集成的电子模块以测量设备的轴承的改进的解决方案。这些模块是内置了两个或三个磁场传感器的固态电子器件和用于板上微处理器提供的数据，相对于设备的正确轴承采用三角计算。图10 轴承测量模块的设计 轴承测量模块集成了主动快速标签和接收器，通过在相应的滑架方式的方向放置速度变量与模块基板指点，模块提供了与滑架单向轴承（CB）的标记处理器。该滑架单向轴承是通过标签，广播.一个接收器的限速信息并一起发送在检索车辆限速和滑架单向轴承两者之间，轴承测量模块集成了两个有源的速度标签和接收器。从自己的方位测量模块确定车辆航向（VH）。它随后将比较值CB和VH值来确定接收到速度限制是否对车辆有效。 这个方向识别解决方案避免了高成本和定向天线体积的庞大，并且便于用这种系统的道路工人，只需将速度标签放置在具有预标记侧并指向交通流量方向，他们想要的限速行车道在路边就能被广播到。5.3系统演示 我们已经开发出一种测试系统，Jennic公