基于物联网的高速公路车辆定位技术

引言

物联网主要通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术来实时采集需要监控、连接、互动的物体或过程,包括声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，然后通过各类可能的网络接入,进行物与物、物与人的泛在链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

由"物联网'‘名称可见，物联网就是“物物相连的互联网”，这一概念有两层意思：第一是物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络;第二是其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间的信息交换和通信。因此,物联网的定义就是通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按照约定的协议，可将任何物品与互联网相连接，来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。本文的主要目的是研究基于物联网的高速公路上的车辆定位技术与方法。

1  物联网实施的步骤

物联网在实际应用上，通常需要各行各业的参与,并且需要国家政府的主导及其国家在相关法规政策上的扶助，物联网的开展具有规模性、广泛参与性、管理性、技术性、物的属性等等特征，图1所示是物联网的特征示意图。其中，技术上的问题是物联网最为关键的问题。物联网技术是一项综合性技术,是一个大系统。

对于物联网应用的主要步骤，首先是对物体属性进行标识,属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性往往需要先由传感器实时探测；其二是需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式;其三是要将物体的信息通过网络传输到信息处理中心（处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的,如中国移动的IDC）,然后由处理中心完成物体通信的相关计算。

2  无线定位技术

无线定位技术最初是为了满足远程航海的导航等要求而产生的。全球卫星定位系统GPS的出现使得无线定位技术产生了质的飞跃，定位精度得到大幅度提高。同时，移动通信技术的发展也使一些新的定位技术成为可能。全球三大通信厂商：爱立信、摩托罗拉和诺基亚于2000年10月成立了“位置信息互操作论坛LIF（LocationInteroperabilityForum）",其目标是在全球范围内的无线网络和终端上提供基于位置的服务LBS（LocationBasedService）_o欧洲电信标准化协会ETSI对GSM系统的无线定位也提出了一系列标准。近年来，基于RFID技术的定位也得到了广泛的应用。

2.1  GPS技术

GPS是一套具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过十多年全球众多专业部门的使用表明，GPS具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点。如今,GPS客户端接收器体积不断缩小，客户端的精确度越来越高，甚至己经出现在一些高端手机、笔记本电脑等电子产品中。

2.2  蜂窝网定位技术

GPS功能强大，但是需要专门的客户端设备才能使用，因而不利于其在广泛人群中的普及。但是，在应急服务等领域，用户往往迫切需要了解自己的地理位置。因此，一些国家开始考虑使用手机这一普及率很高的终端设备提供定位信息。美国通信委员会在1996年通过了增强911法案（在1999年再次修订），这个法案要求手机运营商必须知道每一部手机的地理位置（误差在50〜100m误差之内）。任何一部手机拨打美国紧急服务电话911,政府就要知道其位置，即使用户自身不知道身在哪里。这一法案，迫使电信运营商开始发展蜂窝网定位系统。

在蜂窝网络中，系统根据进行定位估计的位置、定位主体及采用的设备的不同，可将移动台的无线定位方案分为三类:基于移动台的定位方案，基于网络的定位方案及GPS辅助定位方案。

2.3  RFID定位技术

RFID定位技术可以由用户自己布置在特定区域进行定位，例如停车场、滑雪场。在这些区域的特定地点（例如关键出入口）安放RFID阅读器之后，系统可以实时检测到带有RFID装置的物体处于什么位置，其原理类似于在关键位置安排众多看守人员对过往物品进行登记，需要寻找特定物体的时候，只要查询一下看守人员的登记信息就可以了。

2.4  RFID定位技术与GPS的比较

GPS定位技术的缺点是在城市会受到高楼、立交桥、隧道、无线电干扰等，从而造成GPS信号接收困难或丢失,不能准确导航定位；而在野外也会由于树林、山洞、恶劣天气等，造成GPS信号中断而无法确认位置。另外，在GPS系统中，也有难以奏效的室内定位领域。

RFID定位系统不需要卫星或者蜂窝网络的配合,其精确度在于RFID阅读器的分布，而阅读器的分布可以由用户自身根据实际需要进行设置,很适合只需要在特定区域进行定位的用户，因而具有极高实用价值。

3  基于物联网的车辆定位设计方案

基于物联网的车辆定位系统设计方案在结构上可分为四大部分:车载有源RFID电子标签、RFID射频集信基站、分控中心和高速公路车辆管理中心。系统可通过无线射频技术提供其所在车辆的基本信息，包括车主信息、车辆状态等。RFID射频集信基站的功能是接收车载有源RFID电子标签发射的信息。该系统采用有源RFID技术实现路边RFID射频集信基站与车载有源RFID电子标签间的通信,并对车辆身份进行识别。该系统可用于高速路的交通和车辆管理。通过在需要管理和监控的场合设立集信基站（以下简称基站），基站就可通过无线射频通信方式与安装在汽车上的车载有源RFID电子标签进行通信，以获取车辆牌照（或其他有关信息），并发布必要的交通信息给车辆驾驶员。基站可与高速路段的分控中心联网，而分控中心又可与交通车辆管理中心联网,从而构成整个高速路动态交通监管系统。该系统的结构示意图如图2所示。

分控中心和高速公路车辆管理中心根据所获取车载RFID有源电子标签中的信息、地域编码和车辆通过RFID射频集信基站的时间来形成车辆

行驶记录，并以数据库的形式存档。在全国范围内，高速公路车辆管理中心可通过互联网查询任何车辆信息。高速公路车辆管理中心是交通管理的通信、调度、监控和协调指挥枢纽，可分级分区设置。主区域控制中心下辖多个分控中心，分控中心按不同的区域平行设置。控制中心之间可以相互交换数据,可实现交通车辆的跨区域管理、调度与协调。分控中心的设置应该根据交通道路的主次、道路密度及道路的交通密度来设置。

基于物联网的车辆定位技术方案的关键问题有两个，其一是车辆的高速识别。要想实现车辆在高速公路上的定位，首先要解决的问题就是实现车辆的高速识别问题。车辆在高速公路上行驶正常速度为100-120km/h,车速较高时可以达到200km/h以上,一个标识站中的读写器可以覆盖的有效距离大约为100米，所以，通过标识站的时间只有大约30ms。这么短的时间内，要能够正确的读取车内的RFID标签的数据，是需要解决的主要关键问题。

第二便是RFID电子标签的封装。RFID电子标签的封装形态通常要求识别率高、可靠性高、成本低、便于在车上安装和拆卸、封装中应避免由于操作原因而产生无法识别的现象。同时还要便于携带以及与现有IC卡的有机合成等，这些都将是需要重点攻关的内容。

4  物联网的应用与展望

物联网的用途遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦査和情报搜集等多个领域。

尽管物联网的应用在整体上还处于起步阶段，但其在某些领域的应用已经初见成效。目前，物联网的应用主要集中在物流、军事、监控管理、医疗护理等领域。通过运用物联网技术，在军事领域可以减少打击时间，扩大探测范围，提高跟踪的准确性与连续性，增强对目标的探测与鉴别能力，从而有效地提高作战效能;在其他领域,可以更好地掌握关注对象的动态信息，从而为目标识别、诊断、应急处置等应用提供决策依据。

随着传感、测控、通信、网络、计算机等技术的不断发展完善,物联网将展现出更为强大的生命力，其应用将会渗透到各个行业，遍布人们生活的各个方面。物联网作为以强大的需求为牵引的前沿技术，将继续推动计算机、互联网、传感器等产业的发展，并将使信息获取出现革命性的转机,引领信息技术迈上新的台阶，并同时也将带动集传感、采集、处理、收发、网络于一体的微系统与传感器产业的飞速发展。因此，物联网及其相关技术与产业无疑将具有难以估量的市场价值与发展前景。