基于RFID的ETC系统设计应用 - 全文

1.1 RFID简介

　　无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。该技术是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性实现对被识别物体的自动识别。其核心技术包括无线电射频、计算机软件硬件、编码学和芯片加工技术等多种现代高新科学技术，是多种跨门类科学技术的综合体。被广泛应用于工业自动化、商业自动化、现代服务业、交通运输控制管理等众多领域。

　　1.2 RFID的系统组成及工作原理和工作频率

　　RFID系统因应用不同其组成会有所不同，但基本的RFID系统都由电子标签、阅读器和天线三部分组成。各部分功能如下：

　　(1)标签(Tag，即射频卡)：也称为非接触IC卡、ID卡、RF卡等，由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信，每个标签具有惟一的电子编码(EPC)，附着在要标识的目标物体上。它具有智能读写和加密通信的功能，它通过无线电波与读写设备进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供的。

　　(2)阅读器：也称读写器、读出装置等，是用来读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。它可将主机的读写命令传送到电子标签，再把从主机发往电子标签的数据加密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。

　　(3)天线：在标签和读取器间传递射频信号。在低频段和高频段主要使用平板天线、八木天线和阵列天线等。

　　此外，一个完整的RFID应用系统还包括：中间件(Application Interface)，又称RFID管理软件，它屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑；应用系统硬件(Application Hardware)；应用系统软件(Application Software)，记录数据、实现企业管理功能等。

　　典型的射频识别系统的工作原理如下：系统通电工作后，读出器通过其内部的线圈周期性地发出一个固有频率的电磁波(激发信号)。当射频识别卡放在读出器的感应范围内时，卡内的线圈在“激发信号”的感应下产生微弱电流作为卡内集成芯片的电源。卡片上电复位后，原本处于“休眠状态”的卡片被激活并将含有自身种类识别码标志、制造商标志等信息代码调制到载波上，经卡内天线发射出去。读卡模块将接收到的无线信号传给现场控制器，由现场控制器进行信号处理并对执行装置发出指令。读出器采用微处理器控制，通过韦根一485转换模块实现与主控机之间的信息交流，其原理框图如图1所示。

 

 

 

　　NFID系统的工作频率主要有：低频，125 kHz；高频，3.56 MHz；甚高频，869 MHz，902～928MHz；微波频段，2.45 GHz和5.8 GHz等。其中125 kHz系统主要应用在动物识别和商品流通等领域，高频13.56 MHz系统一般应用在公共交通和门禁系统等领域。在UHF频段(869 MHz，902～928 MHz)，系统的识别距离较远，可应用在高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中。微波2.45 GHz，无源标签一般可提供1 m左右的识别距离，有源标签也可以达到十几米的识别距离。5.8 GHz系统主要应用在交通领域，目前我国公路联网收费系统暂行标准也把此频段作为车辆识别的系统标准。一般工作频率较高则识别距离也较远，方向性也越强，但其穿透能力就越差。

　　1.3 RFID作为换代性标识技术的优点以及有待解决的问题

　　1.3.1 RFID技术的优点

　　与传统条形码识别技术相比，RFID有以下优势：

　　快速扫描 对于条形码而言一次只能扫描一个条形码；而RFID采用的是非接触方式，无方向性要求，标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，通常在几毫秒就完成一次读写，采用防冲撞机制，使之可同时处理多个标签，实现批量识别，最多同时识别可达50个／s，并能在运动中进行识别。

　　体积小型化、形状多样化 RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。

　　抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。

　　可重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。

　　穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。

　　数据的记忆容量大 一维条形码的容量是50 B，二维条形码最大的容量可储存2～3 000 B，RFID最大的容量则又294以上。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的信息量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。

　　安全性 RFID是按照国际统一的电子产品代码的编码制在出厂前就固化在芯片中的，不重复40位的惟一识别内码，不可复制和更改。数据可以加密，扇区可以独立一次锁定，并能根据用户锁定重要信息。该技术很难被仿冒、侵入，使国产芯片更安全。

　　1.3.2 RFID系统中待解决的问题

　　(1)RFID编码标准的选择。目前世界范围内还没有形成统一的有关电子标签(RFID)的标准。在我国的标准制定方面，国家标准委已经联合科技部、信息产业部以及上海标准化研究院等14家单位共同进行中国RFID标准的研究，目前已完成对动物应用RFID标准的草案，并由上海市推出了《动物电子标示通用技术规范》，但该规范还只是初步形成，尚在不断改进中，而且要想短时期内在全国范围内推广还有一定难度。而除畜牧业以外的其他种类农产品的RFID标准仍有待研究。

　　(2)RFID的信息安全问题。RFID的数据安全性问题也是一个引人注目的话题。由于电子标签中保存了一些数据，因此隐私保护成了一个非常重大的问题，甚至是影响商业应用前途的关键点。由于电子标签数据的读取是由阅读器发射无线射频触发的，也就是说，只要阅读器的发射频率相同，应答器即标签就会做出相同的反应，传输相同的数据，这就会给不法分子造成可乘之机。

　　为了解决以上问题，就必须对ID的读取进行限制。目前最成功的就是采用加密的方式，在电子标签中嵌入加密就可以将实时监控数据写入数据库中。如果有的系统参数工作处于非正常状态，则必须在界面中给出警告信息，并对监控系统进行调控。为了使用户便于观察和直观的理解，需要将采集到的数据转换成一种直观的、易于为用户接受的形式显示出来，即将数据以图表的形式表示出来。VC中的GUI可以很方便地支持实现以图表形式表示。

　　2 RFID技术在ETC系统中的应用

　　2.1 ETC系统概述

　　在车辆自动识别技术的发展过程中，实验和实施了多种不同的自动识别技术，如感应线圈识别技术、声表面波识别技术、条形码识别技术、红外通信识别技术和射频识别技术等，但最终主流归结到采用射频识别技术作为ETC系统的车辆自动识别技术。

　　ETC系统，即通常所说的不停车收费系统，它是以现代通信技术、电子技术、自动控制技术、计算机和网络技术等高新技术为主导，实现车辆不停车自动收费的智能交通电子系统。该系统通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短程通信，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，通过计算机网络对收费数据进行处理，实现不停车自动收费的全电子收费管理系统。

　　射频识别系统是利用安装在车内的射频卡(无线电收发装置)存储车辆编号及相关信息，安装在车道的射频天线可与该无线电收发装置以专用短程通信(DSRC)方式交换信息，并对其存储内容进行读写操作，从而识别出当前通行车辆。

　　不停车收费系统有三个主要特点，不停车、无人操作和无现金交易。ETC技术在国外已有较长的发展历史，美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网并形成规模效益。目前，关东高速已全面实现了ETC收费，只保留部分车道进行ETC和半自动混合收费。绝大部分的商业运营车辆已经装备了ETC车载单元，我国很多地区已经开始使用ETC系统对高速公路收费管理系统进行升级。

　　不停车收费技术特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境。传统的车道隔离收费系统称为单车道不停车收费系统，在无车道隔离情况下的自由交流下的不停车收费系统通称为自由流不停车收费系统。不停车收费技术的实施，不仅可以大大提高公路的通行能力，使公路收费走向自动化，同时也可以大大降低收费口的噪声水平和废气排放。从而，节约了基建费用和管理费用，也为城市环境的改善做出了突出贡献。电子收费系统代表当今最先进的收费技术，也是未来发展的方向，有着广阔的发展前景。

　　2.2 不停车收费系统的工作原理

　　2.2.1 ETC系统的技术原理

　　ETC系统是通过远距离、非接触采集射频卡的信息，实现车辆在快速移动状态下的自动识别从而实现目标的自动化管理。目前，该系统的要求是，远距离读卡器能识读至少十米的距离。由于技术要求和实际情况的不同，所采用的读卡器的型号也不同。而就工作频率范围而言，目前电子收费系统是确定在5.8 GHz附近，欧洲、日本、美国、中国等大多数国家的标准定在5.8～5.9 GHz频段。

　　在我国选用5.8 GHz频段具有如下优点：首先，我国通信系统标准体系靠近欧洲标准体系，无线电频率资源的分配大致相同。其次，5.8 GHz频段背景噪声小，而且解决该频段的干扰和抗干扰问题要比解抉915 MHz，2.45 GHz容易。再次，5.8 GHz频段的设备供应商较多，有利于我国ETC系统的设备引进，有利于降低系统成本，也有利于将来开展智能运输系统领域的其他服务。

　　2.2.2 ETC系统的系统组成

　　ETC系统主要由ETC收费车道、收费站管理系统、ETC管理中心、专业银行及传输网络组成。车道控制子系统用于控制和管理各种外场设备与安装在车辆上的电子标签的通信，记录车辆的各种信息，并实时传送给收费站管理子系统。收费站管理子系统负责收集管理传送过来的数据。ETC管理中心是ETC系统的最高管理层，既要进行收费信息与数据的处理和交换又要行使必要的管理职能，它包括各公路的收费专营公司、结算中心和客户服务中心，根据收到的数据文件在公路收费专营公司和用户之间进行交易、拆账和财务结算，配有多台功能强大的计算机，完成系统中各种数据、图像的采集和处理。图2为其结构框图。

 

 

 

　　2.2.3 ETC系统的工作流程

　　车主到客户服务中心或代理机构购置车载电子标签，交纳储值。由发行系统向电子标签输入车辆识别码(ID)与密码，并在数据库中存入该车辆的全部有关信息(如识别码、车牌号、车型、颜色、储值、车主姓名、电话等)。发行系统通过通信网将上述车主、车辆信息输入收费计算机系统。车主将标识卡贴在车内前窗玻璃上即可。当车辆进入ETC收费车道处于LI天线的发射区时，处在休眠状态的电子标签受到微波激励而苏醒，开始工作；电子标签以微波方式发出电子标签和车型代码；天线接收确认电子标签有效后，以微波发出人LI车道代码和时间信号，写入电子标签的存储器内。当车辆驶入收费车道出口天线发射范围，经过唤醒、相互认证有效性等过程，天线读出车型代码以及入LI代码和时间，传送给车道控制器，车道控制器存储原始数据并编辑成数据文件，上传给收费站管理子系统并转送收费结算中心。

　　如果持无效标识或无卡车辆。在收费车道上高速冲卡而过，天线在确认无效性的同时，将启动快速自动栏杆，关闭收费车道，当场将冲卡车辆拦截；在无专用收费车道的自由流收费时，可启动逃费抓拍摄像机，将逃费冲卡车辆的车头和牌照号码摄录下来，随同出LI代码和冲卡时间一并传送给车道控制机记录在案，事后依法处理。

　　收费结算中心与管理银行收到汇总好的各路公司的收费信息后，从各个用户账号中，扣除通行费和算出金额，拨入相应公司账号。与此同时，银行核对各用户账号剩余金额是否低于预定的临界阈值，如低于，应及时通知用户补交金额，继续通行，导致剩余金额低于危险门限值，则应将其划归无效电子标签，编人黑名单，并通知各收费站，拒绝无效电子标签在高速公路电子收费车道通行。

　　收费结算中心设有用户服务机构，向用户出售识别卡、补收金额和接待客户查询。后台有一套金融运行规则和强大的计算机网络及数据库的支持，处理事后收费等事项。

　　3 RFID的发展前景

　　目前，RFID技术已在我国很多行业得到应用，并取得良好成果。例如，我国已在有条件的部门和地方启动了RFID应用试点工作，主要涉及领域包括：工业自动化；商业自动化；汽车行业；生产管理；供应链管理与现代物流等。RFID技术已成为21世纪全球自动识别技术发展的主要方向。特别是RFID技术在ETC系统中的应用，为交通收费行业的发展做出了不可磨灭的贡献。从未来的交通网络的发展来看，ETC系统将成为交通业的主流，因而该系统在交通收费行业有着广阔的发展前景。

　　4 结 语

　　通过RFID技术在各行业的应用，并逐渐占据主流地位，可以看出该技术已从众多的识别技术中脱颖而出，并且不断发展完善。而基于RFID技术的ETC系统与传统的收费系统相比，有着绝对的发展优势，而且该系统的实现相对简单。随着RFID技术的发展，ETC系统也会逐渐得到完善。