《電子技術應用》
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基于RFID的ETC系統(tǒng)設計應用
摘要: 無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID)是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術,。該技術是一種非接觸的自動識別技術,,其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性實現對被識別物體的自動識別。其核心技術包括無線電射頻,、計算機軟件硬件,、編碼學和芯片加工技術等多種現代高新科學技術,是多種跨門類科學技術的綜合體,。被廣泛應用于工業(yè)自動化,、商業(yè)自動化、現代服務業(yè),、交通運輸控制管理等眾多領域,。
Abstract:
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1.1 RFID簡介

  無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID)是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術,。該技術是一種非接觸的自動識別技術,,其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性實現對被識別物體的自動識別。其核心技術包括無線電射頻,、計算機軟件硬件,、編碼學和芯片加工技術等多種現代高新科學技術,是多種跨門類科學技術的綜合體,。被廣泛應用于工業(yè)自動化,、商業(yè)自動化、現代服務業(yè),、交通運輸控制管理等眾多領域,。

  1.2 RFID的系統(tǒng)組成及工作原理和工作頻率

  RFID系統(tǒng)因應用不同其組成會有所不同,但基本的RFID系統(tǒng)都由電子標簽,、閱讀器和天線三部分組成,。各部分功能如下:

  (1)標簽(Tag,即射頻卡):也稱為非接觸IC卡、ID卡,、RF卡等,,由耦合元件及芯片組成,標簽含有內置天線,,用于和射頻天線間進行通信,,每個標簽具有惟一的電子編碼(EPC),附著在要標識的目標物體上,。它具有智能讀寫和加密通信的功能,,它通過無線電波與讀寫設備進行數據交換,工作的能量是由閱讀器發(fā)出的射頻脈沖提供的,。

  (2)閱讀器:也稱讀寫器,、讀出裝置等,是用來讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標簽信息的設備,。它可將主機的讀寫命令傳送到電子標簽,,再把從主機發(fā)往電子標簽的數據加密,將電子標簽返回的數據解密后送到主機,。

  (3)天線:在標簽和讀取器間傳遞射頻信號,。在低頻段和高頻段主要使用平板天線、八木天線和陣列天線等,。

  此外,,一個完整的RFID應用系統(tǒng)還包括:中間件(Application Interface),又稱RFID管理軟件,,它屏蔽了RFID設備的多樣性和復雜性,,能夠為后臺業(yè)務系統(tǒng)提供強大的支撐;應用系統(tǒng)硬件(Application Hardware),;應用系統(tǒng)軟件(Application Software),,記錄數據、實現企業(yè)管理功能等,。

  典型的射頻識別系統(tǒng)的工作原理如下:系統(tǒng)通電工作后,,讀出器通過其內部的線圈周期性地發(fā)出一個固有頻率的電磁波(激發(fā)信號)。當射頻識別卡放在讀出器的感應范圍內時,,卡內的線圈在“激發(fā)信號”的感應下產生微弱電流作為卡內集成芯片的電源,。卡片上電復位后,,原本處于“休眠狀態(tài)”的卡片被激活并將含有自身種類識別碼標志,、制造商標志等信息代碼調制到載波上,經卡內天線發(fā)射出去,。讀卡模塊將接收到的無線信號傳給現場控制器,,由現場控制器進行信號處理并對執(zhí)行裝置發(fā)出指令,。讀出器采用微處理器控制,通過韋根一485轉換模塊實現與主控機之間的信息交流,,其原理框圖如圖1所示,。

 

 

 

  NFID系統(tǒng)的工作頻率主要有:低頻,125 kHz,;高頻,,3.56 MHz;甚高頻,,869 MHz,,902~928MHz;微波頻段,,2.45 GHz和5.8 GHz等。其中125 kHz系統(tǒng)主要應用在動物識別和商品流通等領域,,高頻13.56 MHz系統(tǒng)一般應用在公共交通和門禁系統(tǒng)等領域,。在UHF頻段(869 MHz,902~928 MHz),,系統(tǒng)的識別距離較遠,,可應用在高速公路收費、集裝箱識別和鐵路車輛的識別,、跟蹤等業(yè)務中,。微波2.45 GHz,無源標簽一般可提供1 m左右的識別距離,,有源標簽也可以達到十幾米的識別距離,。5.8 GHz系統(tǒng)主要應用在交通領域,目前我國公路聯網收費系統(tǒng)暫行標準也把此頻段作為車輛識別的系統(tǒng)標準,。一般工作頻率較高則識別距離也較遠,,方向性也越強,但其穿透能力就越差,。

  1.3 RFID作為換代性標識技術的優(yōu)點以及有待解決的問題

  1.3.1 RFID技術的優(yōu)點

  與傳統(tǒng)條形碼識別技術相比,,RFID有以下優(yōu)勢:

  快速掃描 對于條形碼而言一次只能掃描一個條形碼;而RFID采用的是非接觸方式,,無方向性要求,,標簽一進入磁場,解讀器就可以即時讀取其中的信息,,通常在幾毫秒就完成一次讀寫,,采用防沖撞機制,使之可同時處理多個標簽,,實現批量識別,,最多同時識別可達50個/s,,并能在運動中進行識別。

  體積小型化,、形狀多樣化 RFID在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制,,不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質。此外,,RFID標簽更可往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展,,以應用于不同產品。

  抗污染能力和耐久性 傳統(tǒng)條形碼的載體是紙張,,因此容易受到污染,,但RFID對水、油和化學藥品等物質具有很強抵抗性,。此外,,由于條形碼是附于塑料袋或外包裝紙箱上,所以特別容易受到折損,;RFID卷標是將數據存在芯片中,,因此可以免受污損。

  可重復使用 現今的條形碼印刷上去之后就無法更改,,RFID標簽則可以重復地新增,、修改、刪除RFID卷標內儲存的數據,,方便信息的更新,。

  穿透性和無屏障閱讀 在被覆蓋的情況下,RFID能夠穿透紙張,、木材和塑料等非金屬或非透明的材質,,并能夠進行穿透性通信。而條形碼掃描機必須在近距離而且沒有物體阻擋的情況下,,才可以辨讀條形碼,。

  數據的記憶容量大 一維條形碼的容量是50 B,二維條形碼最大的容量可儲存2~3 000 B,,RFID最大的容量則又294以上,。隨著記憶載體的發(fā)展,數據容量也有不斷擴大的趨勢,。未來物品所需攜帶的信息量會越來越大,,對卷標所能擴充容量的需求也相應增加。

  安全性 RFID是按照國際統(tǒng)一的電子產品代碼的編碼制在出廠前就固化在芯片中的,,不重復40位的惟一識別內碼,,不可復制和更改。數據可以加密,,扇區(qū)可以獨立一次鎖定,,并能根據用戶鎖定重要信息,。該技術很難被仿冒、侵入,,使國產芯片更安全,。

  1.3.2 RFID系統(tǒng)中待解決的問題

  (1)RFID編碼標準的選擇。目前世界范圍內還沒有形成統(tǒng)一的有關電子標簽(RFID)的標準,。在我國的標準制定方面,,國家標準委已經聯合科技部、信息產業(yè)部以及上海標準化研究院等14家單位共同進行中國RFID標準的研究,,目前已完成對動物應用RFID標準的草案,,并由上海市推出了《動物電子標示通用技術規(guī)范》,但該規(guī)范還只是初步形成,,尚在不斷改進中,,而且要想短時期內在全國范圍內推廣還有一定難度。而除畜牧業(yè)以外的其他種類農產品的RFID標準仍有待研究,。

  (2)RFID的信息安全問題,。RFID的數據安全性問題也是一個引人注目的話題。由于電子標簽中保存了一些數據,,因此隱私保護成了一個非常重大的問題,甚至是影響商業(yè)應用前途的關鍵點,。由于電子標簽數據的讀取是由閱讀器發(fā)射無線射頻觸發(fā)的,,也就是說,只要閱讀器的發(fā)射頻率相同,,應答器即標簽就會做出相同的反應,,傳輸相同的數據,這就會給不法分子造成可乘之機,。

  為了解決以上問題,,就必須對ID的讀取進行限制。目前最成功的就是采用加密的方式,,在電子標簽中嵌入加密就可以將實時監(jiān)控數據寫入數據庫中,。如果有的系統(tǒng)參數工作處于非正常狀態(tài),則必須在界面中給出警告信息,,并對監(jiān)控系統(tǒng)進行調控,。為了使用戶便于觀察和直觀的理解,需要將采集到的數據轉換成一種直觀的,、易于為用戶接受的形式顯示出來,,即將數據以圖表的形式表示出來。VC中的GUI可以很方便地支持實現以圖表形式表示,。2 RFID技術在ETC系統(tǒng)中的應用

  2.1 ETC系統(tǒng)概述

  在車輛自動識別技術的發(fā)展過程中,,實驗和實施了多種不同的自動識別技術,,如感應線圈識別技術、聲表面波識別技術,、條形碼識別技術,、紅外通信識別技術和射頻識別技術等,但最終主流歸結到采用射頻識別技術作為ETC系統(tǒng)的車輛自動識別技術,。

  ETC系統(tǒng),,即通常所說的不停車收費系統(tǒng),它是以現代通信技術,、電子技術,、自動控制技術、計算機和網絡技術等高新技術為主導,,實現車輛不停車自動收費的智能交通電子系統(tǒng),。該系統(tǒng)通過路側天線與車載電子標簽之間的專用短程通信,進行車輛自動識別和有關收費數據的交換,,通過計算機網絡對收費數據進行處理,,實現不停車自動收費的全電子收費管理系統(tǒng)。

  射頻識別系統(tǒng)是利用安裝在車內的射頻卡(無線電收發(fā)裝置)存儲車輛編號及相關信息,,安裝在車道的射頻天線可與該無線電收發(fā)裝置以專用短程通信(DSRC)方式交換信息,,并對其存儲內容進行讀寫操作,從而識別出當前通行車輛,。

  不停車收費系統(tǒng)有三個主要特點,,不停車、無人操作和無現金交易,。ETC技術在國外已有較長的發(fā)展歷史,,美國、歐洲等許多國家和地區(qū)的電子收費系統(tǒng)已經局部聯網并形成規(guī)模效益,。目前,,關東高速已全面實現了ETC收費,只保留部分車道進行ETC和半自動混合收費,。絕大部分的商業(yè)運營車輛已經裝備了ETC車載單元,,我國很多地區(qū)已經開始使用ETC系統(tǒng)對高速公路收費管理系統(tǒng)進行升級。

  不停車收費技術特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環(huán)境,。傳統(tǒng)的車道隔離收費系統(tǒng)稱為單車道不停車收費系統(tǒng),,在無車道隔離情況下的自由交流下的不停車收費系統(tǒng)通稱為自由流不停車收費系統(tǒng)。不停車收費技術的實施,,不僅可以大大提高公路的通行能力,,使公路收費走向自動化,同時也可以大大降低收費口的噪聲水平和廢氣排放,。從而,,節(jié)約了基建費用和管理費用,,也為城市環(huán)境的改善做出了突出貢獻。電子收費系統(tǒng)代表當今最先進的收費技術,,也是未來發(fā)展的方向,,有著廣闊的發(fā)展前景。

  2.2 不停車收費系統(tǒng)的工作原理

  2.2.1 ETC系統(tǒng)的技術原理

  ETC系統(tǒng)是通過遠距離,、非接觸采集射頻卡的信息,,實現車輛在快速移動狀態(tài)下的自動識別從而實現目標的自動化管理。目前,,該系統(tǒng)的要求是,,遠距離讀卡器能識讀至少十米的距離。由于技術要求和實際情況的不同,,所采用的讀卡器的型號也不同,。而就工作頻率范圍而言,目前電子收費系統(tǒng)是確定在5.8 GHz附近,,歐洲,、日本、美國,、中國等大多數國家的標準定在5.8~5.9 GHz頻段,。

  在我國選用5.8 GHz頻段具有如下優(yōu)點:首先,我國通信系統(tǒng)標準體系靠近歐洲標準體系,,無線電頻率資源的分配大致相同,。其次,5.8 GHz頻段背景噪聲小,,而且解決該頻段的干擾和抗干擾問題要比解抉915 MHz,2.45 GHz容易,。再次,,5.8 GHz頻段的設備供應商較多,有利于我國ETC系統(tǒng)的設備引進,,有利于降低系統(tǒng)成本,,也有利于將來開展智能運輸系統(tǒng)領域的其他服務。

  2.2.2 ETC系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

  ETC系統(tǒng)主要由ETC收費車道,、收費站管理系統(tǒng),、ETC管理中心、專業(yè)銀行及傳輸網絡組成,。車道控制子系統(tǒng)用于控制和管理各種外場設備與安裝在車輛上的電子標簽的通信,,記錄車輛的各種信息,并實時傳送給收費站管理子系統(tǒng),。收費站管理子系統(tǒng)負責收集管理傳送過來的數據,。ETC管理中心是ETC系統(tǒng)的最高管理層,,既要進行收費信息與數據的處理和交換又要行使必要的管理職能,它包括各公路的收費專營公司,、結算中心和客戶服務中心,,根據收到的數據文件在公路收費專營公司和用戶之間進行交易、拆賬和財務結算,,配有多臺功能強大的計算機,,完成系統(tǒng)中各種數據、圖像的采集和處理,。圖2為其結構框圖,。

 

 

 

  2.2.3 ETC系統(tǒng)的工作流程

  車主到客戶服務中心或代理機構購置車載電子標簽,交納儲值,。由發(fā)行系統(tǒng)向電子標簽輸入車輛識別碼(ID)與密碼,,并在數據庫中存入該車輛的全部有關信息(如識別碼、車牌號,、車型,、顏色、儲值,、車主姓名,、電話等)。發(fā)行系統(tǒng)通過通信網將上述車主,、車輛信息輸入收費計算機系統(tǒng),。車主將標識卡貼在車內前窗玻璃上即可。當車輛進入ETC收費車道處于LI天線的發(fā)射區(qū)時,,處在休眠狀態(tài)的電子標簽受到微波激勵而蘇醒,,開始工作;電子標簽以微波方式發(fā)出電子標簽和車型代碼,;天線接收確認電子標簽有效后,,以微波發(fā)出人LI車道代碼和時間信號,寫入電子標簽的存儲器內,。當車輛駛入收費車道出口天線發(fā)射范圍,,經過喚醒、相互認證有效性等過程,,天線讀出車型代碼以及入LI代碼和時間,,傳送給車道控制器,車道控制器存儲原始數據并編輯成數據文件,,上傳給收費站管理子系統(tǒng)并轉送收費結算中心,。

  如果持無效標識或無卡車輛。在收費車道上高速沖卡而過,天線在確認無效性的同時,,將啟動快速自動欄桿,,關閉收費車道,當場將沖卡車輛攔截,;在無專用收費車道的自由流收費時,,可啟動逃費抓拍攝像機,將逃費沖卡車輛的車頭和牌照號碼攝錄下來,,隨同出LI代碼和沖卡時間一并傳送給車道控制機記錄在案,,事后依法處理。

  收費結算中心與管理銀行收到匯總好的各路公司的收費信息后,,從各個用戶賬號中,,扣除通行費和算出金額,撥入相應公司賬號,。與此同時,,銀行核對各用戶賬號剩余金額是否低于預定的臨界閾值,如低于,,應及時通知用戶補交金額,,繼續(xù)通行,導致剩余金額低于危險門限值,,則應將其劃歸無效電子標簽,,編人黑名單,并通知各收費站,,拒絕無效電子標簽在高速公路電子收費車道通行,。

  收費結算中心設有用戶服務機構,向用戶出售識別卡,、補收金額和接待客戶查詢,。后臺有一套金融運行規(guī)則和強大的計算機網絡及數據庫的支持,處理事后收費等事項,。

  3 RFID的發(fā)展前景

  目前,,RFID技術已在我國很多行業(yè)得到應用,并取得良好成果,。例如,,我國已在有條件的部門和地方啟動了RFID應用試點工作,,主要涉及領域包括:工業(yè)自動化,;商業(yè)自動化;汽車行業(yè),;生產管理,;供應鏈管理與現代物流等。RFID技術已成為21世紀全球自動識別技術發(fā)展的主要方向。特別是RFID技術在ETC系統(tǒng)中的應用,,為交通收費行業(yè)的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻,。從未來的交通網絡的發(fā)展來看,ETC系統(tǒng)將成為交通業(yè)的主流,,因而該系統(tǒng)在交通收費行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景,。

  4 結 語

  通過RFID技術在各行業(yè)的應用,并逐漸占據主流地位,,可以看出該技術已從眾多的識別技術中脫穎而出,,并且不斷發(fā)展完善。而基于RFID技術的ETC系統(tǒng)與傳統(tǒng)的收費系統(tǒng)相比,,有著絕對的發(fā)展優(yōu)勢,,而且該系統(tǒng)的實現相對簡單。隨著RFID技術的發(fā)展,,ETC系統(tǒng)也會逐漸得到完善,。

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