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1.1 RFID簡(jiǎn)介 無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是20世紀90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識別技術(shù)。該技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，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(shí)現對被識別物體的自動(dòng)識別。其核心技術(shù)包括無(wú)線(xiàn)電射頻、計算機軟件硬件、編碼學(xué)和芯片加工技術(shù)等多種現代高新科學(xué)技術(shù)，是多種跨門(mén)類(lèi)科學(xué)技術(shù)的綜合體。被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、現代服務(wù)業(yè)、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。 1.2 RFID的系統組成及工作原理和工作頻率 RFID系統因應用不同其組成會(huì )有所不同，但基本的RFID系統都由電子標簽、閱讀器和天線(xiàn)三部分組成。各部分功能如下： (1)標簽(Tag，即射頻卡)：也稱(chēng)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(xiàn)，用于和射頻天線(xiàn)間進(jìn)行通信，每個(gè)標簽具有惟一的電子編碼(EPC)，附著(zhù)在要標識的目標物體上。它具有智能讀寫(xiě)和加密通信的功能，它通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波與讀寫(xiě)設備進(jìn)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(chēng)讀寫(xiě)器、讀出裝置等，是用來(lái)讀取(在讀寫(xiě)卡中還可以寫(xiě)入)標簽信息的設備。它可將主機的讀寫(xiě)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(xiàn)：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(xiàn)、八木天線(xiàn)和陣列天線(xiàn)等。 此外，一個(gè)完整的RFID應用系統還包括：中間件(Application Interface)，又稱(chēng)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(wù)系統提供強大的支撐；應用系統硬件(Application Hardware)；應用系統軟件(Application Software)，記錄數據、實(shí)現企業(yè)管理功能等。 典型的射頻識別系統的工作原理如下：系統通電工作后，讀出器通過(guò)其內部的線(xiàn)圈周期性地發(fā)出一個(gè)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(shí)，卡內的線(xiàn)圈在“激發(fā)信號”的感應下產(chǎn)生微弱電流作為卡內集成芯片的電源�？ㄆ想姀臀缓�，原本處于“休眠狀態(tài)”的卡片被激活并將含有自身種類(lèi)識別碼標志、制造商標志等信息代碼調制到載波上，經(jīng)卡內天線(xiàn)發(fā)射出去。讀卡模塊將接收到的無(wú)線(xiàn)信號傳給現場(chǎng)控制器，由現場(chǎng)控制器進(jìn)行信號處理并對執行裝置發(fā)出指令。讀出器采用微處理器控制，通過(guò)韋根一485轉換模塊實(shí)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系統主要應用在動(dòng)物識別和商品流通等領(lǐng)域，高頻13.56 MHz系統一般應用在公共交通和門(mén)禁系統等領(lǐng)域。在UHF頻段(869 MHz，902～928 MHz)，系統的識別距離較遠，可應用在高速公路收費、集裝箱識別和鐵路車(chē)輛的識別、跟蹤等業(yè)務(wù)中。微波2.45 GHz，無(wú)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系統主要應用在交通領(lǐng)域，目前我國公路聯(lián)網(wǎng)收費系統暫行標準也把此頻段作為車(chē)輛識別的系統標準。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(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及有待解決的問(wèn)題 1.3.1 RFID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 與傳統條形碼識別技術(shù)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(gè)條形碼；而RFID采用的是非接觸方式，無(wú)方向性要求，標簽一進(jìn)入磁場(chǎng)，解讀器就可以即時(shí)讀取其中的信息，通常在幾毫秒就完成一次讀寫(xiě)，采用防沖撞機制，使之可同時(shí)處理多個(gè)標簽，實(shí)現批量識別，最多同時(shí)識別可達50個(gè)／s，并能在運動(dòng)中進(jìn)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(zhì)。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(chǎn)品。 抗污染能力和耐久性 傳統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(xué)藥品等物質(zhì)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(wú)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(wú)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(zhì)，并能夠進(jìn)行穿透性通信。而條形碼掃描機必須在近距離而且沒(méi)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(zhù)記憶載體的發(fā)展，數據容量也有不斷擴大的趨勢。未來(lái)物品所需攜帶的信息量會(huì )越來(lái)越大，對卷標所能擴充容量的需求也相應增加。 安全性 RFID是按照國際統一的電子產(chǎn)品代碼的編碼制在出廠(chǎng)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，扇區可以獨立一次鎖定，并能根據用戶(hù)鎖定重要信息。該技術(shù)很難被仿冒、侵入，使國產(chǎn)芯片更安全。 1.3.2 RFID系統中待解決的問(wèn)題 (1)RFID編碼標準的選擇。目前世界范圍內還沒(méi)有形成統一的有關(guān)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(jīng)聯(lián)合科技部、信息產(chǎn)業(yè)部以及上海標準化研究院等14家單位共同進(jìn)行中國RFID標準的研究，目前已完成對動(dòng)物應用RFID標準的草案，并由上海市推出了《動(dòng)物電子標示通用技術(shù)規范》，但該規范還只是初步形成，尚在不斷改進(jìn)中，而且要想短時(shí)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(lèi)農產(chǎn)品的RFID標準仍有待研究。 (2)RFID的信息安全問(wèn)題。RFID的數據安全性問(wèn)題也是一個(gè)引人注目的話(huà)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(gè)非常重大的問(wèn)題，甚至是影響商業(yè)應用前途的關(guān)鍵點(diǎn)。由于電子標簽數據的讀取是由閱讀器發(fā)射無(wú)線(xiàn)射頻觸發(fā)的，也就是說(shuō)，只要閱讀器的發(fā)射頻率相同，應答器即標簽就會(huì )做出相同的反應，傳輸相同的數據，這就會(huì )給不法分子造成可乘之機。 為了解決以上問(wèn)題，就必須對ID的讀取進(jìn)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(shí)時(shí)監控數據寫(xiě)入數據庫中。如果有的系統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，并對監控系統進(jìn)行調控。為了使用戶(hù)便于觀(guān)察和直觀(guān)的理解，需要將采集到的數據轉換成一種直觀(guān)的、易于為用戶(hù)接受的形式顯示出來(lái)，即將數據以圖表的形式表示出來(lái)。VC中的GUI可以很方便地支持實(shí)現以圖表形式表示。 2 RFID技術(shù)在ETC系統中的應用 2.1 ETC系統概述 在車(chē)輛自動(dòng)識別技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，實(shí)驗和實(shí)施了多種不同的自動(dòng)識別技術(shù)，如感應線(xiàn)圈識別技術(shù)、聲表面波識別技術(shù)、條形碼識別技術(shù)、紅外通信識別技術(shù)和射頻識別技術(shù)等，但最終主流歸結到采用射頻識別技術(shù)作為ETC系統的車(chē)輛自動(dòng)識別技術(shù)。 ETC系統，即通常所說(shuō)的不停車(chē)收費系統，它是以現代通信技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等高新技術(shù)為主導，實(shí)現車(chē)輛不停車(chē)自動(dòng)收費的智能交通電子系統。該系統通過(guò)路側天線(xiàn)與車(chē)載電子標簽之間的專(zhuān)用短程通信，進(jìn)行車(chē)輛自動(dòng)識別和有關(guān)收費數據的交換，通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )對收費數據進(jìn)行處理，實(shí)現不停車(chē)自動(dòng)收費的全電子收費管理系統。 射頻識別系統是利用安裝在車(chē)內的射頻卡(無(wú)線(xiàn)電收發(fā)裝置)存儲車(chē)輛編號及相關(guān)信息，安裝在車(chē)道的射頻天線(xiàn)可與該無(wú)線(xiàn)電收發(fā)裝置以專(zhuān)用短程通信(DSRC)方式交換信息，并對其存儲內容進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從而識別出當前通行車(chē)輛。 不停車(chē)收費系統有三個(gè)主要特點(diǎn)，不停車(chē)、無(wú)人操作和無(wú)現金交易。ETC技術(shù)在國外已有較長(cháng)的發(fā)展歷史，美國、歐洲等許多國家和地區的電子收費系統已經(jīng)局部聯(lián)網(wǎng)并形成規模效益。目前，關(guān)東高速已全面實(shí)現了ETC收費，只保留部分車(chē)道進(jìn)行ETC和半自動(dòng)混合收費。絕大部分的商業(yè)運營(yíng)車(chē)輛已經(jīng)裝備了ETC車(chē)載單元，我國很多地區已經(jīng)開(kāi)始使用ETC系統對高速公路收費管理系統進(jìn)行升級。 不停車(chē)收費技術(shù)特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環(huán)境。傳統的車(chē)道隔離收費系統稱(chēng)為單車(chē)道不停車(chē)收費系統，在無(wú)車(chē)道隔離情況下的自由交流下的不停車(chē)收費系統通稱(chēng)為自由流不停車(chē)收費系統。不停車(chē)收費技術(shù)的實(shí)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(dòng)化，同時(shí)也可以大大降低收費口的噪聲水平和廢氣排放。從而，節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。電子收費系統代表當今最先進(jìn)的收費技術(shù)，也是未來(lái)發(fā)展的方向，有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。 2.2 不停車(chē)收費系統的工作原理 2.2.1 ETC系統的技術(shù)原理 ETC系統是通過(guò)遠距離、非接觸采集射頻卡的信息，實(shí)現車(chē)輛在快速移動(dòng)狀態(tài)下的自動(dòng)識別從而實(shí)現目標的自動(dòng)化管理。目前，該系統的要求是，遠距離讀卡器能識讀至少十米的距離。由于技術(shù)要求和實(shí)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(diǎn)：首先，我國通信系統標準體系靠近歐洲標準體系，無(wú)線(xiàn)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(wèn)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系統的設備引進(jìn)，有利于降低系統成本，也有利于將來(lái)開(kāi)展智能運輸系統領(lǐng)域的其他服務(wù)。 2.2.2 ETC系統的系統組成 ETC系統主要由ETC收費車(chē)道、收費站管理系統、ETC管理中心、專(zhuān)業(yè)銀行及傳輸網(wǎng)絡(luò )組成。車(chē)道控制子系統用于控制和管理各種外場(chǎng)設備與安裝在車(chē)輛上的電子標簽的通信，記錄車(chē)輛的各種信息，并實(shí)時(shí)傳送給收費站管理子系統。收費站管理子系統負責收集管理傳送過(guò)來(lái)的數據。ETC管理中心是ETC系統的最高管理層，既要進(jìn)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(zhuān)營(yíng)公司、結算中心和客戶(hù)服務(wù)中心，根據收到的數據文件在公路收費專(zhuān)營(yíng)公司和用戶(hù)之間進(jìn)行交易、拆賬和財務(wù)結算，配有多臺功能強大的計算機，完成系統中各種數據、圖像的采集和處理。圖2為其結構框圖。 2.2.3 ETC系統的工作流程 車(chē)主到客戶(hù)服務(wù)中心或代理機構購置車(chē)載電子標簽，交納儲值。由發(fā)行系統向電子標簽輸入車(chē)輛識別碼(ID)與密碼，并在數據庫中存入該車(chē)輛的全部有關(guān)信息(如識別碼、車(chē)牌號、車(chē)型、顏色、儲值、車(chē)主姓名、電話(huà)等)。發(fā)行系統通過(guò)通信網(wǎng)將上述車(chē)主、車(chē)輛信息輸入收費計算機系統。車(chē)主將標識卡貼在車(chē)內前窗玻璃上即可。當車(chē)輛進(jìn)入ETC收費車(chē)道處于LI天線(xiàn)的發(fā)射區時(shí)，處在休眠狀態(tài)的電子標簽受到微波激勵而蘇醒，開(kāi)始工作；電子標簽以微波方式發(fā)出電子標簽和車(chē)型代碼；天線(xiàn)接收確認電子標簽有效后，以微波發(fā)出人LI車(chē)道代碼和時(shí)間信號，寫(xiě)入電子標簽的存儲器內。當車(chē)輛駛入收費車(chē)道出口天線(xiàn)發(fā)射范圍，經(jīng)過(guò)喚醒、相互認證有效性等過(guò)程，天線(xiàn)讀出車(chē)型代碼以及入LI代碼和時(shí)間，傳送給車(chē)道控制器，車(chē)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并轉送收費結算中心。 如果持無(wú)效標識或無(wú)卡車(chē)輛。在收費車(chē)道上高速沖卡而過(guò)，天線(xiàn)在確認無(wú)效性的同時(shí)，將啟動(dòng)快速自動(dòng)欄桿，關(guān)閉收費車(chē)道，當場(chǎng)將沖卡車(chē)輛攔截；在無(wú)專(zhuān)用收費車(chē)道的自由流收費時(shí)，可啟動(dòng)逃費抓拍攝像機，將逃費沖卡車(chē)輛的車(chē)頭和牌照號碼攝錄下來(lái)，隨同出LI代碼和沖卡時(shí)間一并傳送給車(chē)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(gè)用戶(hù)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(shí)，銀行核對各用戶(hù)賬號剩余金額是否低于預定的臨界閾值，如低于，應及時(shí)通知用戶(hù)補交金額，繼續通行，導致剩余金額低于危險門(mén)限值，則應將其劃歸無(wú)效電子標簽，編人黑名單，并通知各收費站，拒絕無(wú)效電子標簽在高速公路電子收費車(chē)道通行。 收費結算中心設有用戶(hù)服務(wù)機構，向用戶(hù)出售識別卡、補收金額和接待客戶(hù)查詢(xún)。后臺有一套金融運行規則和強大的計算機網(wǎng)絡(luò )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(shù)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(mén)和地方啟動(dòng)了RFID應用試點(diǎn)工作，主要涉及領(lǐng)域包括：工業(yè)自動(dòng)化；商業(yè)自動(dòng)化；汽車(chē)行業(yè)；生產(chǎn)管理；供應鏈管理與現代物流等。RFID技術(shù)已成為21世紀全球自動(dòng)識別技術(shù)發(fā)展的主要方向。特別是RFID技術(shù)在ETC系統中的應用，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(lái)的交通網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展來(lái)看，ETC系統將成為交通業(yè)的主流，因而該系統在交通收費行業(yè)有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。 4 結 語(yǔ) 通過(guò)RFID技術(shù)在各行業(yè)的應用，并逐漸占據主流地位，可以看出該技術(shù)已從眾多的識別技術(shù)中脫穎而出，并且不斷發(fā)展完善。而基于RFID技術(shù)的ETC系統與傳統的收費系統相比，有著(zhù)絕對的發(fā)展優(yōu)勢，而且該系統的實(shí)現相對簡(jiǎn)單。隨著(zhù)RFID技術(shù)的發(fā)展，ETC系統也會(huì )逐漸得到完善。 |
