基于RFID技術(shù)的港口車輛管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：隨著我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，港口業(yè)務增長迅猛，提高吞吐量的需要也越來越強烈。而目前依靠人工管理的方式顯得捉襟見肘，所以采用高新技術(shù)改善港口管理模式勢在必然。RFID港口車輛管理系統(tǒng)通過給港口車輛綁定電子身份芯片，把車輛的相關信息記錄到系統(tǒng)中，由系統(tǒng)統(tǒng)一管理港口車輛的進出行為，從實際上解決人工管理車輛所帶來的效率與效益的問題。系統(tǒng)利用高性能的超高頻讀寫器，采用基于C／S模式分層結(jié)構(gòu)，利用緩存，雙數(shù)據(jù)庫技術(shù)，使系統(tǒng)的可操作性強，穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)交互便捷。從而很好地提高了港口碼頭的管理效率與服務水平。
關鍵詞：港口車輛管理系統(tǒng)；RFID技術(shù)；車牌識別；電子標簽

0 引言
    隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，快速增長的港口業(yè)務量對港口碼頭管理系統(tǒng)的要求越來越高。將RFID無線射頻識別技術(shù)、計算機技術(shù)、車牌自動識別技術(shù)、地感技術(shù)、自動控制技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)緊密結(jié)合，建設基于RFID技術(shù)的港口車輛管理系統(tǒng)能大大提高港口的效率與效益。
    傳統(tǒng)的人工管理手段存在很多缺陷，港口使用RFID技術(shù)等管理能有效地解決以下問題：
    (1)人工管理存在著人為的過失與耗時長的問題，而使用計算機技術(shù)自動讀取RFID存儲信息，在系統(tǒng)正常運行中不存在失誤的問題，計算機的高性能也使單位流程的作業(yè)時間減少到最優(yōu)。
    (2)在遇到不實時的問題時可通過系統(tǒng)調(diào)出歷史記錄，防止無法追溯問題的出現(xiàn)，減少不必要的分爭端。
    (3)在遇到網(wǎng)絡故障等問題時，車輛身份的信息可直接通過讀取寫入RFID標簽的數(shù)據(jù)區(qū)獲取，實現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷運行。
    (4)減少司機的工作量，RFID技術(shù)的遠距離、可移動的讀取方式可使司機不下車，不等待便可以通行。
    (5)可防偽性，系統(tǒng)根據(jù)一定的規(guī)則向每張車輛身份卡寫入數(shù)據(jù)，他人不可效仿。

1 RFID技術(shù)
    RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸式信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到自動識別的技術(shù)。20世紀90年代以來，RFID技術(shù)迅速發(fā)展，因其具有數(shù)據(jù)存儲量大，穿透力強，讀寫距離遠，讀取速率快，使用壽命長，環(huán)境適應性好等特點，已被廣泛應用于身份識別、物流管理、物品追蹤、防偽、交通、動物管理等諸多領域。
    一個完整的RFID系統(tǒng)主要由限量的后臺計算機、若干讀寫器、閱讀器及電子標簽組成。其中，電子標簽是物品識別的載體，每個標簽具有惟一的電子編碼，其內(nèi)部存放著物品的相關信息；讀寫器和閱讀器是系統(tǒng)的中間設備，它們通過射頻信息同電子標簽進行近距離通信，從而識別標簽指代的物品信息，通過接口把信息匯總給后臺計算機。讀寫器和閱讀器的區(qū)別在于，讀寫器可以對標簽進行讀寫操作，而閱讀器只能讀取標簽內(nèi)部存放的信息；后臺計算機分析從中問設備傳來的信息，負責管理整個標簽系統(tǒng)的正常工作。
    RFID系統(tǒng)的硬件組成包括電子標簽和電子標簽讀寫器兩部分。讀寫器通過射頻信息同電子標簽進行通信，系統(tǒng)通過讀寫器給電子標簽發(fā)送指令，并通過讀寫器分析電子標簽返回的有關信息；電子標簽是應答器，用來響應讀寫器的指令，并報告處理結(jié)果。
    電子標簽由標簽天線和標簽芯片組成，標簽天線是讀寫器和標簽芯片之間進行信號和能量傳遞的終結(jié)。標簽芯片則根據(jù)讀寫器的指令，做出相應的操作和響應。

2 系統(tǒng)概述
    系統(tǒng)分為軟件與硬件部分，硬件部分包括RFID讀寫器、RFID電子標簽、工控機、攝像機、硬盤錄像機、自動道閘、LED顯示屏、地感等。軟件部分采用C／S模式設計，具有響應速度快，操作界面漂亮等優(yōu)點。軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)合法用戶的管理，并允許對應的用戶管理車輛的身份卡(RFID標簽)，包含新增與注銷。另外，對應的系統(tǒng)用戶可以監(jiān)控整個車輛的出入行為，必要時可進行人工干預，超級用戶具有對這個系統(tǒng)所有功能的權(quán)限，具有對系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)字典、過往歷史記錄的查閱統(tǒng)計等操作權(quán)限。另外，系統(tǒng)具有雙數(shù)據(jù)庫，即中心數(shù)據(jù)庫與本地數(shù)據(jù)庫。中心數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡正常情況下系統(tǒng)記錄信息與獲取信息的媒體，系統(tǒng)通過WebService服務與中心服務器進行交互；本地數(shù)據(jù)庫應具有與中心服務器相同的數(shù)據(jù)字典，以便于網(wǎng)絡異常情況下，實現(xiàn)系統(tǒng)脫機運行，系統(tǒng)在這一時期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會暫時保存在本地數(shù)據(jù)庫，待網(wǎng)絡正常后自動上傳到中心服務器，保證記錄的完整，其物理結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

    由圖1可以看出，系統(tǒng)主要運行在局域網(wǎng)內(nèi)，一個網(wǎng)內(nèi)可分步多個閘口子系統(tǒng)，一般情況下一個子系統(tǒng)可包含一個出子系統(tǒng)與一個入子系統(tǒng)，圖中只畫出一個子系統(tǒng)的出與入子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)通過連接基礎硬件設備已達到系統(tǒng)全方位控制，讀寫器與網(wǎng)絡相連，可通過讀寫器的ID地址區(qū)分不同的子系統(tǒng)，同時安裝視頻監(jiān)控，實時記錄現(xiàn)場的畫面并保存，通過串口服務器主要是要達到控制自動道閘與LED顯示屏的目的。其系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    數(shù)據(jù)存儲層  包括與數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的接口，如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、文件系統(tǒng)或者其他類型的數(shù)據(jù)源，主要是存儲系統(tǒng)所產(chǎn)生與所需要的數(shù)據(jù)記錄。
    數(shù)據(jù)接口層  此層是為業(yè)務服務提供相應的數(shù)據(jù)服務，通過WebService接口實現(xiàn)與數(shù)據(jù)存儲層的連接。該層由一系列的數(shù)據(jù)訪問組件組成，它可以完成對數(shù)據(jù)對象的CRUD(增加、刪除、查詢、修改)操作，可抽象出數(shù)據(jù)訪問方式，分離數(shù)據(jù)訪問的實現(xiàn)與其他業(yè)務邏輯，上層的業(yè)務邏輯組件無需理會底層的數(shù)據(jù)庫訪問細節(jié)，專注于業(yè)務邏輯的實現(xiàn)。
    應用服務層  此層是應用系統(tǒng)的核心，由系列的業(yè)務邏輯組件組成。它完成了系統(tǒng)所需的所有業(yè)務邏輯方法。業(yè)務邏輯層建立在數(shù)據(jù)接口層之上。為了分離業(yè)務邏輯層與數(shù)據(jù)接口層之間的耦合，即業(yè)務邏輯組件只調(diào)用數(shù)據(jù)接口層提供的接口，而不與具體的實現(xiàn)類耦合。使應用層僅僅與業(yè)務邏輯組件的接口耦合，而無需理會業(yè)務邏輯組件的實現(xiàn)。
    用戶表示層  表示層即UI，UI(User Interface)用戶界面，也稱人機界面。是指用戶和某些系統(tǒng)進行交互方法的集合，這些系統(tǒng)不單單指電腦程序，還包括某種特定的機器、設備、復雜的工具等?？刂茖咏邮苡脩舻妮斎?，并調(diào)用模型和視圖去完成用戶的需求，當用戶單擊系統(tǒng)界面中的按鈕等時，觸發(fā)相應的事件提交對應的模塊進行處理。
    系統(tǒng)工作流程圖結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    上圖主要是從大的角度描述整個系統(tǒng)工作的流程，首先系統(tǒng)定義了身份卡的類型有2種：臨時卡、固定卡。臨時卡只有一個單位的生命周期，即只能完成1次車輛的出入操作，車輛進港口時發(fā)卡區(qū)提供如車牌等的必要信息后，發(fā)卡用戶確認無誤后發(fā)出該車輛對應的臨時卡。固定卡是代表長時間有效的，車輛持卡進入識別區(qū)，進行核對身份并進行相應的操作。臨時卡的車輛出閘口時，用戶應該在系統(tǒng)的提醒下回收身份卡后才能放行。

3 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3．1 用戶管理
    界面如圖5所示。

    (1)查詢：在用戶名稱文本框中輸入需要查詢用戶的用戶名稱，即對應詳細信息列表中的賬戶名，即可查詢對應的賬號信息，該查詢屬于精確查詢，默認文本框為空，則查詢系統(tǒng)所有的合法用戶。
    (2)添加：在添加信息中輸入用戶的必要信息，通過驗證，包含賬戶名不允許相同，2次輸入的密碼要一致等，即可完成用戶的添加。
    (3)刪除：在詳細信息列表中選中需要刪除的用戶，點擊刪除用戶按鈕完成用戶的刪除。
3．2 卡片管理
    界面如圖6所示。

    (1)添加新卡。首先保證軟件跟讀寫器設備正常連接，軟件左下角會提示當前的連接情況；然后拿一張新的標簽在讀寫器上讀取它的編號后，再根據(jù)界面的需求完成必要的信息填寫，點擊確認新增按鈕，即可完成發(fā)卡的功能，同時標簽內(nèi)會寫入一些相關的信息，由于車牌部分設計漢字編碼，按照國際編碼規(guī)范轉(zhuǎn)換一個漢字得占用16 b，因為車牌漢字固定，故采用自定義編碼規(guī)則，有效節(jié)省標簽存儲空間，其他的寫入信息也按照定義的簡單類型進行寫入，所以讀取標簽時也要在此編碼規(guī)則下進行翻譯才能讀取有用的數(shù)據(jù)。
    (2)銷毀卡片。當卡片不再在系統(tǒng)中有效時，可先讀取標簽的編號，界面顯示這標簽的相關信息，待用戶確認并填寫相關的銷毀原因后點擊確認銷毀即可完成操作。

3．3 車輛管理
    界面如圖7所示。

    此模塊主要自動完成車輛持有效身份標簽后通過閘口的操作，可以對車輛進行有效的身份確認與記錄功能。閘口歷史記錄列表記錄允許通過閘口的車輛記錄，顯示最新的N條記錄。左下角是車牌識別模塊實時識別顯示，顯示當前車道的攝像槍的攝像內(nèi)容，點擊切換按鈕可在出口通道與入口通道的視頻畫面中轉(zhuǎn)化。
    右面顯示的區(qū)域是最新通過閘口車輛的截圖與狀態(tài)。右上區(qū)域顯示出口車輛的畫面，并在標簽車牌文本框中顯示當前車輛的身份卡中記錄的車牌號，系統(tǒng)會自動與車牌識別模塊中的識別結(jié)果進行匹配，如果識別成功則自動完窀開閘、LED顯示、記錄行跡等相關操作；如果識別失敗則提示人工識別，如果識別成功則填寫開閘原因，并點擊手動開閘按鈕進行放行；如果識別的結(jié)果與身份卡的信息不匹配，則提示操作人員匹配失敗，操作人員人工確認后可進行相應的處理。
3．4 統(tǒng)計查詢
    車輛基本信息查詢界面、行跡信息查詢界面如圖8所示。

    車輛基本信息查詢是查詢所有已發(fā)車輛身份卡的信息。行跡信息查詢是查詢所有允許通行的車輛的記錄信息。此模塊按照界面所能提供的屬性進行相應模塊的查詢操作，支持組合條件查詢，查詢部分為提供更快的查詢效率，添加緩存機制。根據(jù)搜索內(nèi)容的關鍵字，可優(yōu)先從本地緩存中取數(shù)據(jù)，不用向服務器請求。
    除此之外，系統(tǒng)還有一些其他的功能模塊，菜單欄中的下載數(shù)據(jù)是指在網(wǎng)絡正常的情況下。從服務器下載最新的數(shù)據(jù)字典，達到本地數(shù)據(jù)與遠程服務器數(shù)據(jù)的一致性。上傳數(shù)據(jù)是指脫機運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如行跡記錄等都暫時保存在本地，客戶端跟服務器恢復正常通信后通過“上傳數(shù)據(jù)”菜單把記錄保存到后臺服務器。切換用戶是指在模塊的管理員賬戶之間可以在不退出系統(tǒng)的情況下進行切換。修改密碼是指修改當前處于登錄狀態(tài)的用戶密碼，需要輸入原始密碼與新密碼。

4 結(jié)語
    RFID港口車輛管理系統(tǒng)是基于RFID的車輛管理應用解決方案，采用先進的RFID技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、電子技術(shù)、通信和信息技術(shù)等諸多高科技技術(shù)，能有效地解決港口車輛信息管理中的傳統(tǒng)問題，有效地提高閘口的管理水平和信息化水平，實現(xiàn)對車輛的自動識別和實時跟蹤，避免了人為的過失，提高了車輛在港口的通關速度。所以RFID技術(shù)應用于港口車輛的綜合服務與管理，具有多方面的戰(zhàn)略性積極影響與巨大的市場前景。