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CN108614282A - 一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元和系统 - Google Patents

一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元和系统 Download PDF

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CN108614282A
CN108614282A CN201611138836.3A CN201611138836A CN108614282A CN 108614282 A CN108614282 A CN 108614282A CN 201611138836 A CN201611138836 A CN 201611138836A CN 108614282 A CN108614282 A CN 108614282A
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辛伟
李成
徐宏强
徐海平
蒲强
王宇
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Abstract

本发明属于智能交通技术领域,涉及一种具有动态路径识别功能的车载单元和系统。所述的车载单元包括单片机、广域网模块、北斗兼容定位模块、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;所述的广域网模块在所述的单片机的控制下用于在所述的车载单元和后台服务系统之间进行鉴权和数据通信;所述的北斗兼容定位模块受所述的单片机控制并为单片机提供车辆的精确位置、速度信息;通过所述的双界面卡芯片和13.56MHz天线,在高速公路收费站出入口实现数据写入和读取功能。利用本发明的车载单元和系统,可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。

Description

一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元 和系统
技术领域
本发明属于智能交通技术领域,涉及一种基于北斗兼容定位的具有动态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。
高速公路多义性路径自动识别技术有:车牌识别技术,RFID识别技术,ETC标识站识别技术和全球导航卫星系统(GNSS)技术。
基于图像识别算法的车牌识别技术可以利用高速公路上已经安装的摄像机,对基础建设方面要求较少,但是易受环境影响,准确率有待提高。
RFID识别技术和ETC标识站识别技术具有环境适应能力强、可靠性高的优点,但需要安装大量基础设施,投入大但功能相对单一。
GNSS技术能够提供连续的路径信息,有效的解决路径识别问题,还能提供车辆的速度信息,便于发现车辆的超速、异常停车等情况,同时也能动态监控道路车流密度。不过此前基于GNSS技术的车载设备存在功耗大、成本高、附加价值小,系统架构不合理的问题,使得GNSS技术的方案没有走向实用化。
北斗二代导航系统运行后,在国家政策的扶持下,北斗兼容定位芯片日益成熟,性能有了较大提升,功耗和成本方面也有了大幅下降,使其大规模用在电池供电的车载单元上成为现实。
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CN104794763A的中国发明专利申请公开了“一种基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡及实现方法”。该发明专利申请中的高速公路多义性路径识别通行卡包括CPU模块、锂电池、电源管理模块、无线充电模块、GPS/北斗模块、双界面CPU卡和加速度计检测模块。通行卡定时采集经纬度坐标值,写入双界面CPU卡中;车辆到达收费站出口,收费员读取卡内的经纬度坐标值并结合入口信息确定车辆行驶路径。该专利申请公开的通行卡及实现方法存在的问题是:(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。
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。该专利申请公开的技术除了有关于CN104794763A列举的缺点外,还未利用高速公路的出入口信息,路径判断的可靠性会有一定的降低。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种基于北斗兼容定位的具有动态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。
为实现此目的,本发明提供一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,所述的车载单元包括单片机、广域网模块、北斗兼容定位模块、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;
所述的广域网模块包括移动通信模块或广域物联网模块,在所述的单片机的控制下用于在所述的车载单元和后台服务系统之间进行鉴权和数据通信;
所述的北斗兼容定位模块具有有源天线或无源天线,受所述的单片机控制并为所述的单片机提供车辆的精确位置信息和速度信息;
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,所述的北斗兼容定位模块具有有源天线,有源天线支持与北斗兼容定位模块同步上电或者异步上电。
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,所述的广域网模块和北斗兼容定位模块处于待机状态,能迅速热启动;
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,所述的广域网模块和北斗兼容定位模块处于运行状态。
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,所述的电源管理模块还具有有线充电、无线充电、太阳能充电和/或电量提示的功能。
更进一步,所述的13.56MHz天线还配合所述的电源管理模块实现所述的无线充电功能。
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,便于扩展新的应用。
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非法拆卸时,将锁定所述的双界面卡芯片和广域网模块。
本发明的第二个目的是提供一种基于北斗兼容定位的具有动态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北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的系统,所述的基于北斗兼容定位的具有动态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,采用本发明的基于北斗兼容定位的具有动态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)车载单元的广域网模块支持2G/3G/4G移动通信网络或NB-IOT物联网;
5)车载单元集成北斗兼容定位模块,能够准确提供车辆位置和速度信息;
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)北斗兼容定位模块可以使用无源天线或有源天线;
8)有源天线与北斗兼容定位模块支持同步上电或异步上电,能够降低平均功耗;
9)车载单元具备多义性路径识别的功能;
10)后台服务系统能够根据车载单元上报的路径信息实时监测路网的使用情况;
11)后台服务系统能够根据车载单元上报的车速信息,发现车辆非法行驶、异常停车等情况;
12)车载单元能够检测非法入侵;
13)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基于北斗兼容定位的具有动态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车载单元原理框图;
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北斗兼容定位的,具有动态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、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,准确进行高速公路收费。
车载单元:车载单元具有北斗卫星定位、移动通信、非接通信、安全加密、数据存储等功能,通过2G/3G/4G移动通信网络或NB-IOT物联网连入系统内部网络,实时上传车载单元ID信息、状态信息、定位信息等到后台服务系统。
站端系统:站端系统布置在高速公路出入口岗亭,在高速公路入口站端系统激活车载单元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车载单元状态信息、激活信息;在高速公路出口站端系统查询多义路径识别结果及高速公路费用的计算。
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北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元如图2所示,包括单片机、广域网模块、北斗兼容模块、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。
广域网模块包括2G/3G/4G移动通信模块或NB-IOT物联网模块,以及配套使用的USIM卡或M2M卡,在所述的单片机的控制下用于在车载单元和后台服务系统之间进行鉴权和数据通信。
北斗兼容模块受单片机控制并为单片机提供车辆的精确位置信息和速度信息。北斗兼容模块具有有源天线,有源天线支持与北斗兼容模块同步上电或者异步上电,以降低平均功耗。
北斗兼容(定位)模块是指利用北斗、GPS、GLONAS、Galileo等卫星导航系统中一种或一种以上卫星信号,实现精确位置信息和速度信息输出功能的模块。
通过单片机控制的双界面卡芯片和13.56MHz天线,在高速公路收费站出入口实现数据的写入和读取功能。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、低自放电的可充电电池),用于将电池的电压高效率的转换为车载单元需要的工作电压,还具有有线充电、无线充电、太阳能充电和/或电量提示的功能。当进行无线充电时,13.56MHz天线配合电源管理模块实现无线充电功能。电源管理模块在单片机的控制下实现车载单元在休眠、待机和运行三种状态之间的转换。
车载单元在休眠(sleep)状态时,除唤醒电路外,车载单元的其他组成部分均处于关闭休眠状态。
车载单元在待机(stand by)状态时,单片机处于运行状态,广域网模块和北斗兼容模块处于待机状态,能迅速热启动。
车载单元在运行(running)状态时,单片机处于运行状态,广域网模块和北斗兼容模块处于运行状态。
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。
由于车载单元内置加解密功能和鉴权功能,当拆卸检测电路检测到车载单元的外壳非法拆卸时,将锁定双界面卡芯片和广域网模块,以免给多义路径动态监测系统带来安全风险。
上述高速公路多义路径动态监测系统中,车载单元实现的功能包括:
1)基于北斗兼容系统的定位功能;
2)实时位置信息上报(上报频率可配置);
3)收费站入口信息、行车轨迹信息存储;
4)与收费站读写设备之间完成身份认证,数据通信;
5)休眠、唤醒功能;
6)外壳拆卸检测功能;
7)异常信息记录、上报;
8)内置可充电电池,支持有线或无线充电。
无唤醒电路和电源管理模块时,车载单元的运行状态如图3所示,车载单元定位模块一直处于工作中(电流30mA),同时周期性向后台传送路径信息(电流100mA)。此时,按每分钟上传一次数据,每次数据传送时间持续0.2秒计算,本发明的电池(容量为1000mAh)的使用时间为1000/(30+100×0.2/60)=33小时(约1.35天)。
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如图4所示。
进入高速公路入口后,车载单元从休眠状态被唤醒,唤醒后周期性在待机,运行(定位),运行(上传)三种状态下切换。
下表为车载单元在各种状态的消耗电流情况:
工作状态平均功耗(按每分钟上传一次数据计算)为(2×57.8+30×2+100×0.2)/60=3.26mA。
此时,假设每天车辆在高速公路上行驶2小时,本发明的电池(容量为1000mAh)的可使用时间为1000/(0.002×22+3.26×2)=152.3天。
由此可见,在加入唤醒电路和电源管理模块后,本发明的车载单元在电池不充电的情况下一次运行时间增加了110倍。
利用本发明的基于北斗兼容定位的具有动态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:系统升级平滑、动态识别路径、可扩展性好。
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。
动态路径识别:车载单元能够上报连续的轨迹信息,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。
可扩展性好:车载单元提供了高速公路各路段动态信息,如车流密度、车速信息等,高速公路联网管理系统可以根据这些信息,为高速公路出行者提供出行指导。此外通过车载单元提供的轨迹、速度信息,可以检测车辆的超速行驶、非法停车等异常事件,为高速公路的智能化升级提供了有力的支撑。
采用本发明的技术方案后,动态上传间隔可配置,典型值为每分钟上传一次,原有技术只能在高速公路出入口上传数据。
动态上传的技术带来耗电增加,本发明采用北斗兼容的定位模块,可以在待机状态关闭有源天线和基带单元,星历处于保存状态,待机状态将能保持较低的电流(不采用此方式模块耗电为30mA),同时运行状态下又能快速启动。另外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。

Claims (13)

1.一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于:所述的车载单元包括单片机、广域网模块、北斗兼容定位模块、双界面卡和13.56MHz收发天线,
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;
所述的广域网模块包括移动通信模块或广域物联网模块,在所述的单片机的控制下用于在所述的车载单元和后台服务系统之间进行鉴权和数据通信;
所述的北斗兼容定位模块具有有源天线或无源天线,受所述的单片机控制并为所述的单片机提供车辆的精确位置信息和速度信息;
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,在高速公路收费站出入口实现数据写入和读取功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于:所述的北斗兼容定位模块具有有源天线,有源天线支持与北斗兼容定位模块同步上电或者异步上电。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于: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。
4.根据权利要求3所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于:
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,所述的广域网模块和北斗兼容定位模块处于待机状态,能迅速热启动;
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,所述的广域网模块和北斗兼容定位模块处于运行状态。
5.根据权利要求3所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于:所述的电源管理模块包括电池。
6.根据权利要求5所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的系统,其特征在于: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。
7.根据权利要求5所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于:所述的电源管理模块还具有有线充电、无线充电、太阳能充电和/或电量提示的功能。
8.根据权利要求7所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于:所述的13.56MHz天线还配合所述的电源管理模块实现所述的无线充电功能。
9.根据权利要求3所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于: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。
10.根据权利要求3所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于: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。
11.根据权利要求10所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于: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。
12.根据权利要求11所述的一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的车载单元,其特征在于: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非法拆卸时,将锁定所述的双界面卡芯片和广域网模块。
13.一种基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的系统,其特征在于:所述的基于北斗兼容定位的具有动态路径识别功能的系统包括权利要求1-12中任一项所述的车载单元、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,在高速出口所述的站端系统查询多义路径识别结果并计算高速通行费用;
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。
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