CN101013511A - 高速公路多功能通行卡及其在路径识别系统中的应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线射频与集成卡数据融合的高速公路多功能通行卡，同时还涉及该通行卡在高速公路路径识别系统中的应用方法。该高速公路多功能通行卡含有射频模块和IC卡芯片，射频模块的信号接收端通过匹配电路接接收天线，此外还含有微处理器，射频模块的数字信号输出接口接所述微处理器的数据输入接口，微处理器的通讯端口与包括双界面mifare 1卡、双界面mifare desfire和双界面mifare pro卡在内IC卡的对应端口相接。本发明将无线射频识别技术、集成电路卡(IC卡)与数据融合技术有机结合，以合理巧妙的方案解决了现有技术存在的诸多缺陷，无需增加建设成本，可以大大降低系统投资成本，从而能够切实推广应用。

Description

高速公路多功能通行卡及其在路径识别系统中的应用方法

技术领域

本发明涉及一种高速公路通行卡，尤其是一种基于无线射频与IC卡数据融合的高速公路多功能通行卡，同时本发明还涉及该通行卡在高速公路路径识别系统中的应用方法。

背景技术

在高速公路联网收费环境下，目前采用的收费方法是：车辆在高速公路入口收费站领取通行卡，在出口收费站根据通行卡的入口站信息计算应缴纳的通行费。高速公路通行卡一般采用IC卡，作为记录入口的通行券，具有安全可靠、操作简单、效率高、不易损坏等优点，目前国内高速公路通常采用mifare 1卡或者mifare desfire卡，其中mifare 1的数量占到90％以上。但是随着高速公路的不断建设，高速公路网规模越来越大，路网结构越来越复杂，车辆在高速公路网内，往往存在多条行驶路径，由于目前采用的mifare 1卡和mifaredesfire卡都无法记录车辆行驶路径，在高速公路投资主体多元化的路网环境下，将直接影响每一通行车辆通行费的计算及收入的通行费在各业主之间的拆分。

当车辆从起点到终点存在两条或两条以上的路径时，目前将最短路径作为车辆通行费的计算路径，或者通过双方或多方现场调查及协商，并考虑交通量、里程、收费额或者投资比例等因素，采用双方或多方接收的调查方法，从而确定通行费的分配。这些方案明显的缺点是不能做到精确收费和费用拆分。

目前可以采用精确记录车辆行车路径的方式记录车辆的行车路径，其方式有以下几种：车牌识别法、GPS法、停车标识站法、双卡发放法(或者双卡封装在一起)等，其中车牌识别法和GPS法只有理论探讨，停车标志站法只是应用于简单子路网之间，而无法解决复杂路网的路径问题，双卡发放法也只是在试验阶段，没有实用。后两种的使用原理如下：

a)停车标识站法——在需要设置标识站的地方设置几条带收费岛的车道，车辆通过时司机需停车刷卡，设备将标示站信息写入通行IC卡，出口站根据卡内信息精确收费。如果在高速公路路网中修建多个标识站必然会大大降低通行效率，不适宜实际推广应用。

b)双卡发放法——即发两张卡，一张是TYPE A卡，一张是工作在433MHz频率的RFID，也有些厂家将两张封装在一起。进口站将信息写入TYPE A卡，标识站通过微波将标识站ID写入RFID。在出口站通过特殊的读写器同时读出TYPE A IC卡中的入口信息和RFID中的标识站信息，据以进行精确清分。

检索发现，申请号为200610036354.7的中国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、桌面读写器、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；所述车载单元包括记录车辆行驶路径的入口信息的IC卡，用来接收和存储上述路侧天线设备发送的路径标识信息的接收装置和存储单元；所述桌面读写器用来读取上述车载单元的IC卡和存储单元中的路径信息。该专利申请虽然提出了解决多义性路径问题的新思路，并且具有高可靠性的数据通信效果，但并未公开相关的技术细节，并存在如下缺陷：

(1)该专利申请仅仅将无线射频卡与IC卡制作时封装在一起，因此汽车在高速公路上的行驶信息分别存储在两个不同的区域中：即入口信息存储在IC卡中，路径信息存储在无线射频卡中。

(2)由于数据存在两个不同系统中，因此实际使用时，必须在高速公路出入口设置两套读卡装置，一个读取无线射频卡，一个读取IC卡。如果实际推广应用，需要更换目前在用所有读卡器，从而使整个系统的投资成本大为提高。同时数据流程处理复杂，工程实现难度增加。

(3)该系统中使用的车载单元为了提高电池工作时间，附加了13.56MHz的载波检测电路。为了存储路径信息，增加了额外的存储器。因此，整个卡片的成本进一步升高，当需要大批量使用时，其成本难以为系统使用商所接受。

发明内容

本发明的目的是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种基于无线射频与IC卡数据融合技术的高速公路多功能通行卡，该通行卡将无线射频识别技术、集成电路卡(IC卡)技术与数据融合技术有机结合，可以直接应用于现有的高速公路收费系统，无需增加收费站出入口硬件建设成本，不必改造现有应用系统软件，从而大大降低系统投资成本，便于切实推广应用。同时本发明还将给出该多功能通行卡在高速公路路径识别系统中的应用方法，从而妥善解决现有高速公路收费系统中的多义性路径识别问题。

为了达到以上目的，本发明基于无线射频与IC卡数据融合的高速公路多功能通行卡含有射频模块和IC卡芯片，所述射频模块的信号接收端通过匹配电路接接收天线，此外还含有用以将接收信号处理成IC卡所要求数据格式和时序的微处理器，所述射频模块的数字信号输出接口接所述微处理器的数据输入接口，所述微处理器的通讯端口与所述IC卡的对应端口相接。

这样，由于微处理器可以将接收到的信号进行整理，按照IC卡所要求的数据格式和时序传送到IC卡的接口，因此射频模块通过天线接收到的信号可以通过微处理器的数据接口，与IC卡实现数据的信，从而在不改造收费站出入口硬件及现有应用系统软件的情况下，可直接将本发明的多功能卡应用于现有的高速公路收费系统。

本发明将无线射频识别技术、IC卡技术与数据集成技术有机结合，以合理巧妙的方案解决了现有技术存在的诸多缺陷，无需增加建设成本，可以大大降低系统投资成本，从而能够切实推广应用。

本发明上述多功能通行卡在高速公路路径识别系统中的应用方法包括以下步骤：

1)在现有高速公路路边间隔设置常规射频基站构成的标识站；

2)所述各路边标识站连续发送带有路径信息编码的射频信号；

3)车辆进入高速公路入口处时，将高速公路多功能通行卡接近入口读写器，由入口IC卡读写器向所述通行卡的IC存储单元写入起始点信息；

4)高速公路多功能通行卡按预定时间间隔检测和接收路边标识站发出的射频信号，通过微处理器处理成IC卡所要求的数据格式和时序，传送到IC卡的存储单元；

5)车辆到达高速公路出口处时，将高速公路多功能通行卡接近出口读写器，由出口IC卡读写器读出存储单元中的入口信息和路径信息。

在此基础上，可以科学合理计算出多义性路径的收费。由此可见，采用本发明后，可以十分经济的成本，妥善解决现有高速公路收费系统中的多义性路径识别问题。

可以认为，本发明的高速公路多功能通行卡是现有通行卡的升级，因此可以完全兼容目前已经在交通收费系统行业中广泛使用的非接触式逻辑加密卡等IC卡系统，其工作流程也与现有的收费模式兼容，因此可以充分利用现有的收费系统和收费模式，通过在现有IC卡收费系统基础上平滑升级来实现，并可以和现在的IC卡同时在路网内混合使用，从而充分利用原来投资。同时，由于读写器为常规非接触式IC卡读写器(ISO14443 Type A标准)，与现在高速公路收费系统中的读写器完全一致，因此，不需要对现有的收费路口的读写器进行改变，可以实现读写器的零投资。

附图说明

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例一的电路原理图。

图2为本发明实施例二的电路原理图。

图3为图1或图2实施例的应用系统框图。

具体实施方式

实施例一

本实施例基于无线射频与IC卡数据融合的高速公路多功能通行卡如图1所示，射频信号接收天线通过串联电容C7和电感L2构成的匹配电路接MAXIM7033射频模块的信号接收端。该射频模块周围接常规外围电路，其数字信号输出接口DATAOUT接PIC16F688微处理器的数据输入接口，该微处理器的通讯端口与含存储单元的双界面IC卡(双界面IC卡为双界面mifare 1卡、双界面mifare desfire卡或双界面mifare pro卡)芯片J2的对应端口相接。

实施例二

本实施例的高速公路多功能通行卡基本电路原理与实施例一相同，不同之处如图2所示，射频信号接nRF905射频模块的信号接收端。该射频模块周围接常规外围电路，其数字信号输出接口DATAOUT接MSP430微处理器的数据输入接口，该微处理器的通讯端口与含存储单元的双界面IC卡(双界面IC卡为双界面mifare 1卡、双界面mifare desfire卡或双界面mifare pro卡)芯片J2的对应端口相接。

射频信号被该通行卡中的天线接收下来后，经过匹配电路进入射频模块。本电路图中采用的MAXIM7033芯片\nRF905芯片可用其他同类型芯片取代。射频信号通过放大、变频、解调等处理后，输出数字信号。数字信号连接到微处理器的数据入口。为了与IC卡实现数据通信，本实施例采用了PIC16F688芯片\MSP430芯片，其他同类型芯片也可。微处理器将接收到的信号进行整理，按照IC卡所要求的数据格式和时序传送到IC卡的接口。本电路设计的独特之处在于其成功实现了无线射频模块和IC卡之间数据通信，从而使得高速公路信息的统一存储与管理。

上述多功能通行卡应用于图3所示的无线射频识别系统。该系统主要由间隔设置在高速公路边的识别站10、高速公路多功能通行卡20和起止点的读写器30构成。其中：

识别站10与常规的射频基站相同，包括控制模块11、射频模块12、功率放大器13、和天线单元14。射频模块12与控制模块11相连接，并通过功率放大器13与天线单元14连接。控制模块11用于设置路径识别信息，功率参数等工作参数。

高速公路多功能通行卡20包括能与起止点读写器通信的IC卡21、与道路识别站通信的天线单元25、射频模块26和微处理器24，微处理器24与射频模块26连接，天线单元25与射频模块26连接，具体电路见图1。另外还包括高能电池23，用于给射频模块26和微处理器24供电。微处理器24还与IC卡21中的存储单元22直接通信，交换数据信息与控制信息。微处理器24将从道路标识站读入的路径信息存入IC卡21的存储单元22中。IC卡21在逻辑为独立单元，符合ISO14443标准，具有13.56MHz非接触界面与数字式接触界面的双界面特性。

起止点的读写器30为普通非接触式逻辑加密IC卡读写器，符合ISO14443 Type A标准。

该无线射频识别系统的总体应用工作原理为：高速公路多功能通行卡20在路网入口处，由读写器30向其IC卡21内写入行驶路径入口信息；然后被放置在车辆上，随车辆在路网中移动。当高速公路多功能通行卡20的天线25和射频模块26在行驶过程中检测到由道路标识站10的天线14发出的路径标识信息后，将其接收下来并通过微处理器24存储到IC卡21的存储单元22中。当车辆来到路网出口处时，车载单元20被收回，由读写器30读出IC卡21的存储单元22中的入口信息和路径信息，从而获得该车辆的准确路径。

本实施例的实际应用方法还包括以下穿插在上述总体应用过程中的具体实现步骤：

(A)高速公路多功能通行卡20初始状态为休眠模式，射频模块25处于关闭状态，微处理器24处于休眠状态，静态电流为uA量级；

(B)在路网入口处，读写器30向高速公路多功能通行卡20的IC卡21内写入相关的入口信息，同时将微处理器24唤醒，使射频模块25处于打开状态，把高速公路多功能通行卡20设置为工作模式；

(C)高速公路多功能通行卡20随车辆在路网中移动，微处理器每秒自动开启射频模块一次，其工作时间为毫秒量级，检测有无道路识别站10发送的路径标识信号。如果检测到标识信号，就延长射频模块的工作时间，直到成功接收路径标识信息，并将其通过微处理器24存储到IC卡21的存储单元22中。

(D)在路网出口处，读写器30读取高速公路多功能通行卡20中存储的路径入口信息和标识信息，随后清除相关信息；同时IC卡21向微处理器24发出休眠控制信号，将高速公路多功能通行卡20设置为极省电的休眠模式一一即上述的初始状态。

由此可见，与现有技术相比，本实施例的基于无线射频与集成卡数据融合的高速公路通行卡在路径识别系统中的应用方法具有以下显著优点：

(1)可以支持目前已经在交通收费系统行业中广泛使用的非接触式逻辑加密卡等IC卡系统，因此可以充分利用现有的收费系统和收费模式，节省投资。尤其是所用读写器为普通非接触式IC卡读写器(ISO14443 Type A标准)，与现在高速公路收费系统中的读写器完全一致。因此，在采用此发明解决多义性路径识别收费问题中，不需要对现有的收费路口的IC卡读写器进行改变，实现了零投资的方案。

(2)能准确记录车辆的行驶路径，其工作流程与现有的收费模式兼容，适合于大规模复杂路网收费系统。可以通过在现有IC卡收费系统基础上平滑升级来实现，并可以和现在的IC卡同时在路网内混合使用，充分利用原来投资。

(3)高速公路多功能通行卡收到的路径信息经过射频模块和微处理器写入到IC卡中的存储单元中，真正实现了ISM频段和13.56MHz双频之间数据完全融合和统一存储，使数据的统一处理、加密、传输等应用成为可能。

(4)采用了新型号、高灵敏度、高集成度的射频接收系统(包括芯片与天线等)，达到了小体积，低功耗，及可靠数据通信的效果。当车辆行驶速度在200km/h内，其相互之间的数据通信稳定可靠，非常适合高速公路使用。更重要的是，由于实现了无线射频与集成卡数据的有效融合，通行卡在行驶过程记录下来的路径信息无须再通过ISM频段发射出去。因此通行卡内的射频模块可以由现有的双工方式简化为单工方式，从而大为减小卡片的成本，并提高电池的使用时间。

(5)采用了射频无限链路(ISM频段)进行通信，具有通信距离远、绕射能力强等特点，且属于共用频段，易于使用。标识站将被设置在高速公路路边、或以龙门架的方式置于路面上方，其覆盖范围可通过控制天线功率来灵活设置。一个路段只需要一个标识站即可，节省建设费用。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1、一种高速公路多功能通行卡，含有射频模块和IC卡芯片，所述射频模块的信号接收端通过匹配电路接接收天线，其特征在于：还含有用以将接收信号处理成IC卡所要求数据格式和时序的微处理器，所述射频模块的数字信号输出接口接所述微处理器的数据输入接口，所述微处理器的通讯端口与所述IC卡的对应端口相接。

2、根据权利要求1所述高速公路多功能通行卡，其特征在于：还包括用于给所述射频模块和微处理器供电高能电池。

3、根据权利要求2所述高速公路多功能通行卡，其特征在于：所述IC卡为含存储单元的双界面IC卡。

4、根据权利要求3所述高速公路多功能通行卡，其特征在于：所述双界面IC卡为双界面mifare 1卡、双界面mifare desfire卡或双界面mifare pro卡之一。

5、根据权利要求4所述高速公路多功能通行卡，其特征在于：所述匹配电路由串联电容和电感构成。

6、根据权利要求1所述高速公路多功能通行卡在路径识别系统中的应用方法，包括以下步骤：

1)在现有高速公路路边间隔设置常规射频基站构成的标识站；

2)所述各路边标识站连续发送带有路径信息编码的射频信号；

3)车辆进入高速公路入口处时，将高速公路多功能通行卡接近入口普通非接触式IC卡读写器(ISO14443 Type A标准)，由该读写器()向所述通行卡的IC存储单元写入起始点信息；

4)所述多功能通行卡的射频模块按预定时间间隔检测和接收路边标识站发出的射频信号，通过微处理器处理成IC卡所要求的数据格式和时序，传送到IC卡的存储单元；

5)车辆到达高速公路出口处时，将高速公路多功能通行卡接近出口普通非接触式IC卡读写器(ISO14443 Type A标准)，由出口读写器读出存储单元中的入口信息和路径信息。

7、根据权利要求6所述高速公路多功能通行卡在路径识别系统中的应用方法，其特征在于：初始状态，所述多功能通行卡为休眠模式，所述射频模块处于关闭状态，所述微处理器处于休眠状态，静态电流为uA量级；车辆进入高速公路入口处时，所述读写器向所述多功能通行卡的IC卡内写入相关的入口信息同时将微处理器唤醒，使所述射频模块处于打开状态，高速公路多功能通行卡设置为工作模式。

8、根据权利要求7所述高速公路多功能通行卡在路径识别系统中的应用方法，其特征在于：所述多功能通行卡随车辆在路网中移动时，所述微处理器每秒自动开启射频模块一次，其工作时间为毫秒量级，检测有无识别站发送的路径标识信号；如果检测到标识信号，就延长射频模块的工作时间，直到成功接收路径标识信息，并将其通过微处理器存储到所述IC卡的存储单元中。

9、根据权利要求8所述高速公路多功能通行卡在路径识别系统中的应用方法，其特征在于：车辆到达高速公路出口处时，所述读写器读取所述多功能通行卡中存储的路径入口信息和标识信息，随后清除相关信息；同时IC卡向微处理器发出休眠控制信号，将所述多功能通行卡设置为初始状态。

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