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基于超高頻RFID技術的公交優先控制系統的設計與實現

編輯:admin 來源:papersay.com

摘 要:本文介紹了一種基于超高頻RFID技術的公交優先控制系統,應用超高頻RFID技術結合交通信號控制系統,從而讓城市公交進行優先通行,快速高效的發揮作用,同時分析系統的設計方法和硬件的實現。

關鍵詞:射頻識別;讀寫器;公交優先;信號優先;采集;控制

1 概述
  城市公共交通是與人民群眾生產生活息息相關的重要基礎設施。從我國人口密集、用地緊缺的國情出發,優先發展客運效率最高的公共交通是我國城市客運交通的主要發展方向,是解決城市交通問題的根本策略。目前,我國絕大多數城市都將城市公共交通優先發展作為解決城市交通擁堵的第一方案。溫家寶總理針對城市交通問題明確批示“城市公共交通是符合中國實際的城市發展和交通發展的正確戰略思想”。我國對城市公共交通優先通行技術的研究起步較晚,到目前為止,對于公交優先通行的研究基本處于理論階段,對優先通行技術的具體應用涉及不多。公交優先技術包括實現公交車在空間和時間通行權上的優先。空間上的優先可以通過設置公交專用道或部分鋸齒型公交優先進口道來實現,時間上的優先也即信號優先,可以利用先進的通信信息技術、控制技術、計算機技術,通過智能信號控制器,應用一種公交優先的智能控制策略來實現。
  基于超高頻RFID技術的公交優先交通控制系統,把先進的RFID技術、數據通信技術、電子控制技術及計算機處理技術等有效地融于一體,用于城市交通控制系統當中,可在城市交叉口信號控制機的工作基礎上,實現公交車輛優先通過交叉口,從而降低公交車通過城市交叉口的運行時間,提高公交車輛的運行效率。 
2 系統設計
2.1  RFID技術與公交優先
  射頻識別(Radio Frequency Identification簡稱RFID)技術是90年代興起的自動識別技術,它是一項利用射頻信號通過空間耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。RFID系統識別距離可從幾厘米至幾米,這主要是由系統工作的頻率決定的。一般情況下,工作頻率越高,作用距離越遠。盡管RFID在不同頻段有著不同的應用,但近年來被業內人士看好的技術是基于UHF頻段的無線射頻識別技術。RFID系統主要由電子標簽(Tag)、讀寫器兩部分組成,讀寫器包括高頻模塊、控制單元、天線等。
  “公交優先”的概念包括兩方面的含義,即對公共交通在通行“空間”和“時間”上給予優先。所謂“空間優先”是通過設立公交專用道來實現;所謂“時間優先”則體現在為公交車提供優先通行信號。
2.2  基于RFID技術的城市公交優先控制系統
  隨著射頻識別(RFID)技術的發展和成熟,將其應用于公交車輛檢測/識別將大大提高對車輛的管理和運營效率。該方法由UHF頻段無源電子標簽和基站式讀寫器組成,該頻段設備通信具有良好的方向性,通過調節路側讀寫器的輸出功率及天線的方向,可以獲得不同的直線通信距離。
  讀寫器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號,當標簽進入發射天線工作區域時將車輛ID信息通過標簽內置天線發送出去;系統接收天線接收到從標簽發送來的載波信號,經天線調節器傳送到讀寫器,讀寫器對接收到的信號進行解調和解碼,然后送到后臺主系統進行相關處理;后臺主系統根據邏輯運算判斷該標簽的合法性,針對不同的設定做出相應的處理和控制,發出指令信號控制執行機構動作。
2.2.1  信號優先控制原理
  RFID公交優先控制系統就是應用射頻RFID技術結合交通信號控制系統對公交車輛在“時間”上給予的優先,它主要體現在:當公交車輛行駛到十字路口附近時,公交優先控制系統識別到車輛并判斷車輛的運行方向,為公交車輛提供優先通行信號,從而讓城市運載主體公交車進行優先通行,快速高效的發揮作用。
  RFID公交優先控制系統主要包含無源電子標簽和基站式讀寫器、信號控制器,通過對遠距離移動公交車輛的自動識別和非接觸性信息采集處理,把先進的信息技術、數據通信技術、電子控制技術及計算機處理技術等有效地綜合運用于地面交通管理體系,從而建立起一種大范圍、全方位發揮作用,并且實時、準確、高效的交通管理系統,實現公交優先的目的。
  在路口各個方向的紅綠燈前50-100米處安裝好調節信號燈的讀寫器。當公交車接近路口時,安裝在車頭的射頻卡(Tag)被裝在道路上的讀寫器識別,讀寫器將公交車輛的基本信息送至控制系統進行有關數據處理,控制系統根據相關數據觸發信號控制機。當公交車輛接近路口遇綠燈時,判斷公交車能否通過,否則適當延長當前的綠燈相位時間,保證公交車輛能夠通過路口;當公交車輛接近路口遇紅燈時,控制相關相位執行最小相位時間,減少公交車輛等候時間。盡可能提高公交車輛在路口的通行效率,保證城市公交車輛運行的快速與及時,最大程度上發揮其為運載主體的作用。其原理如圖2-1所示。

                圖 2- 1信號優先控制原理圖
2.2.2  信號優先控制系統設計
      基于RFID技術的公交信號優先控制系統由主要由4部分構成,其結構如圖2-2所示。
          圖 2- 2 基于RFID的信號優先控制系統結構

(1) 車載單元:射頻卡(RF標簽);采用UHF頻段,安裝在每輛公交車輛前方車玻璃上,識別距離為2—15米可調,識別速度在60公里/小時,可同時識別64張卡,ID全球唯一,使用壽命可以達到5年,且不易損壞;
(2) 路邊單元:讀寫器的定向天線是室外板狀定向天線,具有增益高、前后輻射比大、三維尺寸小、結構緊湊等優點,是一種高質量的室外通信天線;
(3) 公交優先控制器:公交優先控制器(內置嵌入式優先處理模塊)為信號優先請求的處理部分;系統采用嵌入式的請求處理模塊,通過條件判斷是否給予優先通行的權力,對路口信號控制機發出指令,用以控制信號燈相位;
(4) 路口信號機:根據公交優先控制器發出的指令,用以控制信號燈相位。

2.2.3 信號優先控制算法設計
      信號優先控制算法主要是當檢測到有公交車到達十字路口時,根據當前相位進行各種優先算法,盡量縮短紅燈等待時間,延長綠燈通行時間,提高公交通行效率,具體流程見圖2-3。
           

 圖2-3  公交優先算法控制流程     
3  系統的實現
3.1 超高頻RFID讀寫器的硬件設計
    RFID系統包括標簽、讀寫器、天線等。超高頻RFID讀寫器主要由天線、射頻接口、控制、基帶處理、電源和通信接口組成,讀寫器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號,當標簽進入發射天線工作區域時產生感應電

流,標簽獲得能量被激活;標簽將自身編碼等信息通過卡內置發送天線發送出去;系統接收天線接收到從標簽發送來的載波信號,經天線調節器傳送到讀寫器,讀寫器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理,讀寫器的硬件設計如圖3-1。

                  圖3-1  讀寫器硬件結構圖 
3.2 公交優先控制器的設計
      公交優先控制器(內置嵌入式優先處理模塊)為信號優先請求的處理部分,主要包括觸發和微控輸出部分、RS485接口部分、顯示部分、信號處理部分等。觸發和微控輸出部分主要是對路口信號控制機發出指令,用以控制信號燈相位;RS485接口部分主要完成與RFID讀寫器進行數據通信;信號處理部分主要是完成信號優先算法,通過條件判斷是否給予優先通行的權力 。
4  結束語
  本文通過對基于公交優先的交通控制算法、基于超高頻RFID技術的公交車輛檢測運行方向判斷等關鍵技術的創新性研究,在現有交通信號控制系統的基礎上,增加基于RFID技術的公交優先信號控制模塊和控制軟件系統,實現公交優先與交叉口整體運行效率的雙贏目標,從而真正意義上實現城市交叉口的公交優先。同時本系統可直接與現有交通控制系統進行融合使用,降低了現有交通信號控制系統升級改造的成本,因此基于超高頻RFID技術的公交優先控制系統具有極其廣闊的市場空間。
參考文獻:
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