ETC與RFID技術(shù)

 RFID(Radio Frequency Identification，無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可快速進(jìn)行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換，其識(shí)別工作無(wú)需人工干預(yù)。RFID系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品進(jìn)入讀寫(xiě)器天線(xiàn)輻射范圍時(shí)，接收讀寫(xiě)器發(fā)出的無(wú)線(xiàn)射頻信號(hào)。無(wú)源電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在標(biāo)簽芯片中的數(shù)據(jù)，有源電子標(biāo)簽則主動(dòng)發(fā)送存儲(chǔ)在標(biāo)簽芯片中的數(shù)據(jù)，讀寫(xiě)器一般配備了一定功能的中間件，可以讀取數(shù)據(jù)、解碼并直接進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，然后送至應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷電子標(biāo)簽的合法性，并針對(duì)不同的設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的處理和控制，由此實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)的基本功能。

RFID作為一種新的技術(shù)，是無(wú)線(xiàn)電技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)的結(jié)合。1948年，哈里·斯托克曼發(fā)表的“利用反射功率的通信”奠定了射頻識(shí)別RFID的理論基礎(chǔ)。奠定RFID基礎(chǔ)的技術(shù)在第二次世界大戰(zhàn)中得到發(fā)展。當(dāng)時(shí)為了鑒別飛機(jī)，又稱(chēng)為“敵友”識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)的后續(xù)版本至今仍在飛機(jī)識(shí)別中使用。

一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器(含天線(xiàn))和應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)主要組成部分。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，它由標(biāo)簽天線(xiàn)和標(biāo)簽專(zhuān)用芯片組成，能接收讀寫(xiě)器的電磁場(chǎng)調(diào)制信號(hào)并返回響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮?。讀寫(xiě)器用于接收主機(jī)端命令，并將存儲(chǔ)在感應(yīng)器中的數(shù)據(jù)以有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式傳回主機(jī)，它內(nèi)含控制器和天線(xiàn)，如果讀取距離較長(zhǎng)，則天線(xiàn)會(huì)單獨(dú)存在。應(yīng)用系統(tǒng)是指用戶(hù)原有的MIS系統(tǒng)。與RFID系統(tǒng)交互的應(yīng)用系統(tǒng)的終端計(jì)算機(jī)，傳遞著應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)出的工作指令，并通過(guò)中間件控制電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的協(xié)調(diào)工作，處理RFID系統(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸。

射頻標(biāo)簽即射頻卡，又稱(chēng)非接觸式IC卡。由IC芯片、感應(yīng)天線(xiàn)組成，芯片和天線(xiàn)無(wú)外露，被封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡片內(nèi)。射頻卡的讀寫(xiě)過(guò)程，通常由射頻卡與讀寫(xiě)器之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波來(lái)完成讀寫(xiě)操作。它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合在一起，結(jié)束了無(wú)源和免接觸這兩大技術(shù)難題，這是電子器件領(lǐng)域的一大突破。

按照標(biāo)簽的供電方式，射頻標(biāo)簽可以分為有源和無(wú)源兩種形式。有源標(biāo)簽使用標(biāo)簽內(nèi)電源提供的能量，識(shí)別距離較遠(yuǎn)(可以達(dá)到幾十米甚至上百米)，但壽命有限，成本較高。無(wú)源標(biāo)簽內(nèi)不含電源，工作時(shí)從讀寫(xiě)器的電磁場(chǎng)中獲取能量，其重量輕、體積小，壽命很長(zhǎng)，成本很低，但通信距離受到限制。

按照工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)可分為低頻、中高頻、超高頻和微波系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)的工作頻率一般在30KHz～300KHz，其典型工作頻率有125KHz和133KHz。其基本特點(diǎn)是標(biāo)簽的成本較低，標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較少，讀寫(xiě)距離較短(10cm左右)，標(biāo)簽外形多樣，閱讀天線(xiàn)方向性不強(qiáng)，主要應(yīng)用于畜牧業(yè)和動(dòng)物管理等。中高頻系統(tǒng)的工作頻率一般在3MHz～30MHz，其典型工作頻率有13.56MHz。其基本特點(diǎn)是標(biāo)簽和讀寫(xiě)器的成本較低，標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大，讀寫(xiě)距離較遠(yuǎn)(可達(dá)到1m以上)，適應(yīng)性強(qiáng)，外形一般為卡狀，讀寫(xiě)器和標(biāo)簽天線(xiàn)均有一定的方向性，主要應(yīng)用于二代身份證系統(tǒng)和一卡通系統(tǒng)等。超高頻和微波系統(tǒng)的工作頻率一般在300MHz～3GHz或者大于3GHz。其典型工作頻率有433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz。根據(jù)各頻段電波特點(diǎn)可適用于不同場(chǎng)合。例如，433MHz有源標(biāo)簽常用于近距離通信及工業(yè)控制領(lǐng)域。915MHz無(wú)源標(biāo)簽式物流領(lǐng)域的選擇。2.45GHz除廣泛應(yīng)用于近距離通信之外，還廣泛應(yīng)用于我國(guó)的鐵路運(yùn)輸識(shí)別管理。5.8GHz的RFID系統(tǒng)更是作為我國(guó)ETC的工作頻段，并率先制定了國(guó)家ETC標(biāo)準(zhǔn)。

RFID技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。特別是微波射頻技術(shù)，因其所具備無(wú)屏障讀取和遠(yuǎn)距離穿透、快速掃描、高儲(chǔ)存量、體積小、安全保密性好等優(yōu)勢(shì)而備受各界矚目，從眾多的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中脫穎而出，在各領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，在我國(guó)擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?。借鑒高速公路電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，用微波射頻技術(shù)替代當(dāng)前門(mén)禁系統(tǒng)中廣泛使用的高頻射頻技術(shù)，同時(shí)將ETC技術(shù)應(yīng)用到上述門(mén)禁系統(tǒng)中，以提高門(mén)禁系統(tǒng)的智能化和高效化水平。

ETC技術(shù)在門(mén)禁系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，比如在智能化停車(chē)場(chǎng)管理方面正逐步得到推廣應(yīng)用。但是，對(duì)于樓宇內(nèi)部距離非常接近的多個(gè)門(mén)禁，由于紅外感應(yīng)范圍的重疊，會(huì)同時(shí)觸發(fā)多個(gè)微波讀寫(xiě)器，導(dǎo)致對(duì)這些門(mén)禁均有權(quán)限的工作人員可以同時(shí)打開(kāi)多個(gè)門(mén)禁的問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究并加以解決。

ETC(Electronic Toll CollecTIon，電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng))是目前世界各國(guó)均在大力推崇的先進(jìn)的收費(fèi)方式。車(chē)主只需在車(chē)窗上安裝電子標(biāo)簽，車(chē)輛在經(jīng)過(guò)收費(fèi)站時(shí)，通過(guò)收費(fèi)站點(diǎn)設(shè)置的讀寫(xiě)器對(duì)經(jīng)過(guò)車(chē)輛的電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)識(shí)別，并自動(dòng)從預(yù)先綁定的射頻卡或銀行帳戶(hù)上扣除相應(yīng)費(fèi)用，無(wú)需車(chē)主停車(chē)和人工繳費(fèi)即可快速通過(guò)收費(fèi)站點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)一路暢通。

ETC系統(tǒng)主要由車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、中心管理系統(tǒng)和其他輔助設(shè)施組成。其中，車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)由OBU(On board unit，車(chē)載單元)、RSU(Road side unit，路邊單元)、環(huán)路感應(yīng)器等組成。OBU(即電子標(biāo)簽)儲(chǔ)存了車(chē)輛的相關(guān)信息，一般安裝在車(chē)輛的前擋風(fēng)玻璃上。RSU(即讀寫(xiě)器)安裝在收費(fèi)站旁邊。環(huán)路感應(yīng)器安裝在車(chē)道地面下。中心管理系統(tǒng)存儲(chǔ)了大量已注冊(cè)車(chē)輛和車(chē)主的信息。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)收費(fèi)站口時(shí)，環(huán)路感應(yīng)器感知車(chē)輛，RSU發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號(hào)，OBU做出響應(yīng)，并進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)交換，中心管理系統(tǒng)獲取車(chē)輛識(shí)別信息后進(jìn)行比較判斷，根據(jù)不同情況來(lái)控制管理系統(tǒng)產(chǎn)生不同的操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)行駛車(chē)輛的自動(dòng)管理。

ETC系統(tǒng)以專(zhuān)用DSRC(專(zhuān)用短程通信)方式通過(guò)遠(yuǎn)距離(10m～30m)、完善的加密通信機(jī)制(支持3DES、RSA算法)、非接觸方式(工作頻段支持915MHz、2.45GHz和5.8GHz)來(lái)交換ETC信息，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在快速移動(dòng)狀態(tài)下的自動(dòng)識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)化管理。

與以往的人工收費(fèi)系統(tǒng)相比較，現(xiàn)行的ETC系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，交通更流暢。駕駛者可以不用停車(chē)并直接通過(guò)ETC系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)繳費(fèi)，有效地提高了收費(fèi)站的車(chē)輛通行能力，避免了收費(fèi)站造成的交通堵塞，提高了公路利用率。第二，繳費(fèi)方便透明。駕駛者通過(guò)ETC系統(tǒng)繳費(fèi)意味著單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的車(chē)輛數(shù)量會(huì)更多，從而加快了繳費(fèi)速度，提高了繳費(fèi)效率。第三，節(jié)能環(huán)保。ETC系統(tǒng)減少了車(chē)輛在收費(fèi)站人工繳費(fèi)的等待時(shí)間，降低了油耗，減少了汽車(chē)怠速時(shí)的尾氣排放，從而達(dá)到了節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境的效果。

ETC系統(tǒng)的成熟應(yīng)用，為今后的智能交通打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，近期這項(xiàng)技術(shù)也被應(yīng)用于城市中心區(qū)域的高峰期擁堵收費(fèi)。如今，絕大多數(shù)的門(mén)禁系統(tǒng)(包括車(chē)庫(kù)門(mén)禁和樓宇門(mén)禁)仍然在使用高頻射頻卡進(jìn)行管理。目前車(chē)庫(kù)門(mén)禁系統(tǒng)和樓宇門(mén)禁系統(tǒng)在使用過(guò)程中存在如下一些問(wèn)題。高頻射頻卡理論識(shí)別距離范圍僅為2.5cm～10cm(射頻卡與讀卡器之間距離)。受環(huán)境影響，實(shí)際識(shí)別距離比理論識(shí)別距離還要短。

對(duì)于車(chē)庫(kù)門(mén)禁系統(tǒng)來(lái)講，停車(chē)道閘票箱設(shè)置的位置要求駕駛?cè)藛T在駕駛車(chē)輛時(shí)，主駕駛室位置要與停車(chē)道閘票箱位置靠得相當(dāng)近，以便刷卡，從而增加了駕駛?cè)藛T的駕駛難度，特別是停車(chē)道閘票箱設(shè)置在一邊是平地、一邊有坡度的車(chē)庫(kù)入口處。一些駕駛?cè)藛T索性先刷卡，豎起停車(chē)閘桿，然后再到車(chē)庫(kù)發(fā)動(dòng)汽車(chē)，駛離車(chē)庫(kù)。此外，停車(chē)道閘票箱一般設(shè)置在車(chē)庫(kù)入口處，接近于露天環(huán)境，對(duì)雷雨天氣的防水防潮性能較差，從而增加了票箱內(nèi)電氣原件的故障發(fā)生率，造成停車(chē)道閘不能正常起落。

對(duì)于樓宇門(mén)禁系統(tǒng)來(lái)講，射頻卡與讀卡器之間距離也要靠得相當(dāng)近，才能使門(mén)禁打開(kāi)，特別是人員從雷雨天氣的室外進(jìn)入樓宇內(nèi)部時(shí)，延長(zhǎng)了人員等待通過(guò)樓宇門(mén)禁的時(shí)間。針對(duì)當(dāng)前門(mén)禁系統(tǒng)存在的一些問(wèn)題，我們借鑒基于RFID技術(shù)的高速公路電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將ETC技術(shù)應(yīng)用到當(dāng)前門(mén)禁系統(tǒng)中(利用ETC系統(tǒng)中不停車(chē)功能模塊，取消ETC系統(tǒng)中收費(fèi)功能模塊)，為提高門(mén)禁系統(tǒng)的智能化和高效化水平，提出以下解決方案。

⑴停用車(chē)庫(kù)門(mén)禁系統(tǒng)中目前使用的高頻射頻卡(工作頻段：13.56MHz，識(shí)別距離范圍：2.5cm～10cm)，啟用微波射頻卡(工作頻段：5.8GHz，識(shí)別距離范圍：10m～30m)。微波讀寫(xiě)器的三組天線(xiàn)成“品”字形分別安裝在車(chē)庫(kù)出入口墻頂和墻兩側(cè)，以充分采集車(chē)輛的微波射頻卡的相關(guān)信息。

⑵取消ETC系統(tǒng)中的收費(fèi)功能模塊，增加視頻圖像識(shí)別和語(yǔ)音報(bào)警模塊。當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)預(yù)先埋設(shè)的地感線(xiàn)圈時(shí)，ETC系統(tǒng)中的車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別(包括無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別和車(chē)牌圖像識(shí)別)系統(tǒng)對(duì)該車(chē)輛進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。如果該車(chē)輛被識(shí)別為本車(chē)庫(kù)已登記車(chē)輛時(shí)，停車(chē)閘桿自動(dòng)豎起并放行;如果該車(chē)輛被識(shí)別為本車(chē)庫(kù)未登記車(chē)輛時(shí)，中心管理系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警并記錄日志，提醒安保人員及時(shí)到場(chǎng)處理。

⑶停用樓宇門(mén)禁系統(tǒng)中使用的高頻射頻卡，啟用ETC系統(tǒng)中的微波射頻卡。微波讀寫(xiě)器設(shè)置在樓宇門(mén)禁入口處，以采集微波射頻卡的相關(guān)信息。利用紅外感應(yīng)觸發(fā)替換ETC系統(tǒng)中的地感線(xiàn)圈觸發(fā)。當(dāng)有人員經(jīng)過(guò)時(shí)，紅外感應(yīng)觸發(fā)微波讀寫(xiě)器，對(duì)攜帶微波射頻卡人員進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。如果確認(rèn)是本樓宇已登記人員信息，則樓宇門(mén)禁會(huì)提前自動(dòng)開(kāi)啟。

⑷針對(duì)臨時(shí)車(chē)輛和臨時(shí)人員的進(jìn)出，可以通過(guò)管理員發(fā)放臨時(shí)微波射頻卡的方式解決。