基於RFID的ETC系統設計應用
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訊號和空間耦合(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、計算機軟體硬體、編碼學和晶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。被廣泛應用於工業自動化、商業自動化、現代服務業、交通運輸控制管理等眾多領域。
一、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有所不同，但基本的RFID系統都由電子標籤、閱讀器和天線三部分組成。各部分功能如下：
(1)標籤(Tag，即射頻卡)：也稱為非接觸IC卡、ID卡、RF卡等，由耦合元件及晶片組成，標籤含有內建天線，用於和射頻天線間進行通訊，每個標籤具有惟一的電子編碼(EPC)，附著在要標識的目標物體上。它具有智慧讀寫和加密通訊的功能，它通過無線電波與讀寫裝置進行資料交換，工作的能量是由閱讀器發出的射頻脈衝提供的。
(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)標籤資訊的裝置。它可將主機的讀寫命令傳送到電子標籤，再把從主機發往電子標籤的資料加密，將電子標籤返回的資料解密後送到主機。
(3)天線：在標籤和讀取器間傳遞射頻訊號。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應用系統還包括：中介軟體(Application Interface)，又稱RFID管理軟體，它遮蔽了RFID裝置的多樣性和複雜性，能夠為後臺業務系統提供強大的支撐;應用系統硬體(Application Hardware);應用系統軟體(Application Software)，記錄資料、實現企業管理功能等。
典型的射頻識別系統的工作原理如下：系統通電工作後，讀出器通過其內部的線圈週期性地發出一個固有頻率的電磁波(激發訊號)。當射頻識別卡放在讀出器的感應範圍內時，卡內的線圈在“激發訊號”的感應下產生微弱電流作為卡內整合晶片的電源。卡片上電覆位後，原本處於“休眠狀態”的卡片被啟用並將含有自身種類識別碼標誌、製造商標誌等資訊程式碼調製到載波上，經卡內天線發射出去。讀卡模組將接收到的無線訊號傳給現場控制器，由現場控制器進行訊號處理並對執行裝置發出指令。讀出器採用微處理器控制，通過韋根一485轉換模組實現與主控機之間的資訊交流，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系統主要應用在動物識別和商品流通等領域，高頻13.56 MHz系統一般應用在公共交通和門禁系統等領域。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輛的識別、跟蹤等業務中。微波2.45 GHz，無源標籤一般可提供1 m左右的識別距離，有源標籤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域，目前我國公路聯網收費系統暫行標準也把此頻段作為車輛識別的系統標準。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。
二、RFID作為換代性標識技術的優點以及有待解決的問題
1、RFID技術的優點
與傳統條形碼識別技術相比，RFID有以下優勢：
快速掃描對於條形碼而言一次只能掃描一個條形碼;而RFID採用的是非接觸方式，無方向性要求，標籤一進入磁場，解讀器就可以即時讀取其中的資訊，通常在幾毫秒就完成一次讀寫，採用防衝撞機制，使之可同時處理多個標籤，實現批量識別，最多同時識別可達50個/s，並能在運動中進行識別。
體積小型化、形狀多樣化 RFID在讀取上並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標籤更可往小型化與多樣形態發展，以應用於不同產品。
抗汙染能力和耐久性 傳統條形碼的載體是紙張，因此容易受到汙染，但RFID對水、油和化學藥品等物質具有很強抵抗性。此外，由於條形碼是附於塑料袋或外包裝紙箱上，所以特別容易受到折損;RFID卷標是將資料存在晶片中，因此可以免受汙損。
可重複使用 現今的條形碼印刷上去之後就無法更改，RFID標籤則可以重複地新增、修改、刪除RFID卷標內儲存的資料，方便資訊的更新。
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，並能夠進行穿透性通訊。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。
資料的記憶容量大 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。隨著記憶載體的發展，資料容量也有不斷擴大的趨勢。未來物品所需攜帶的資訊量會越來越大，對卷標所能擴充容量的需求也相應增加。
安全性 RFID是按照國際統一的電子產品程式碼的編碼制在出廠前就固化在晶片中的，不重複40位的惟一識別內碼，不可複製和更改。資料可以加密，扇區可以獨立一次鎖定，並能根據使用者鎖定重要資訊。該技術很難被仿冒、侵入，使國產晶片更安全。
2、RFID系統中待解決的問題
(1)RFID編碼標準的選擇。目前世界範圍內還沒有形成統一的有關電子標籤(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、資訊產業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，並由上海市推出了《動物電子標示通用技術規範》，但該規範還只是初步形成，尚在不斷改進中，而且要想短時期內在全國範圍內推廣還有一定難度。而除畜牧業以外的其他種類農產品的RFID標準仍有待研究。
(2)RFID的資訊保安問題。RFID的資料安全性問題也是一個引人注目的話題。由於電子標籤中儲存了一些資料，因此隱私保護成了一個非常重大的問題，甚至是影響商業應用前途的關鍵點。由於電子標籤資料的讀取是由閱讀器發射無線射頻觸發的，也就是說，只要閱讀器的發射頻率相同，應答器即標籤就會做出相同的反應，傳輸相同的資料，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。目前最成功的就是採用加密的方式，在電子標籤中嵌入加密就可以將實時監控資料寫入資料庫中。如果有的系統引數工作處於非正常狀態，則必須在介面中給出警告資訊，並對監控系統進行調控。為了使使用者便於觀察和直觀的理解，需要將採集到的資料轉換成一種直觀的、易於為使用者接受的形式顯示出來，即將資料以圖表的形式表示出來。VC中的GUI可以很方便地支援實現以圖表形式表示。
RFID技術在ETC系統中的應用
一、ETC系統概述
在車輛自動識別技術的發展過程中，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、紅外通訊識別技術和射頻識別技術等，但最終主流歸結到採用射頻識別技術作為ETC系統的車輛自動識別技術。
ETC系統，即通常所說的不停車收費系統，它是以現代通訊技術、電子技術、自動控制技術、計算機和網路技術等高新技術為主導，實現車輛不停車自動收費的智慧交通電子系統。該系統通過路側天線與車載電子標籤之間的專用短程通訊，進行車輛自動識別和有關收費資料的交換，通過計算機網路對收費資料進行處理，實現不停車自動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內的射頻卡(無線電收發裝置)儲存車輛編號及相關資訊，安裝在車道的射頻天線可與該無線電收發裝置以專用短程通訊(DSRC)方式交換資訊，並對其儲存內容進行讀寫操作，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展歷史，美國、歐洲等許多國家和地區的電子收費系統已經區域性聯網並形成規模效益。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。絕大部分的商業運營車輛已經裝備了ETC車載單元，我國很多地區已經開始使用ETC系統對高速公路收費管理系統進行升級。
不停車收費技術特別適於在高速公路或交通繁忙的橋隧環境。傳統的車道隔離收費系統稱為單車道不停車收費系統，在無車道隔離情況下的自由交流下的不停車收費系統通稱為自由流不停車收費系統。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，節約了基建費用和管理費用，也為城市環境的改善做出了突出貢獻。電子收費系統代表當今最先進的收費技術，也是未來發展的方向，有著廣闊的發展前景。
二、不停車收費系統的工作原理
1、ETC系統的技術原理
ETC系統是通過遠距離、非接觸採集射頻卡的資訊，實現車輛在快速移動狀態下的自動識別從而實現目標的自動化管理。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。由於技術要求和實際情況的不同，所採用的讀卡器的型號也不同。而就工作頻率範圍而言，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頻段具有如下優點：首先，我國通訊系統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頻段的裝置供應商較多，有利於我國ETC系統的裝置引進，有利於降低系統成本，也有利於將來開展智慧運輸系統領域的其他服務。
2、ETC系統的系統組成
ETC系統主要由ETC收費車道、收費站管理系統、ETC管理中心、專業銀行及傳輸網路組成。車道控制子系統用於控制和管理各種外場裝置與安裝在車輛上的電子標籤的通訊，記錄車輛的各種資訊，並實時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來的資料。ETC管理中心是ETC系統的最高管理層，既要進行收費資訊與資料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，根據收到的資料檔案在公路收費專營公司和使用者之間進行交易、拆賬和財務結算，配有多臺功能強大的計算機，完成系統中各種資料、影象的採集和處理。圖2為其結構框圖。
3、ETC系統的工作流程
車主到客戶服務中心或代理機構購置車載電子標籤，交納儲值。由發行系統向電子標籤輸入車輛識別碼(ID)與密碼，並在資料庫中存入該車輛的全部有關資訊(如識別碼、車牌號、車型、顏色、儲值、車主姓名、電話等)。發行系統通過通訊網將上述車主、車輛資訊輸入收費計算機系統。車主將標識卡貼在車內前窗玻璃上即可。當車輛進入ETC收費車道處於LI天線的發射區時，處在休眠狀態的電子標籤受到微波激勵而甦醒，開始工作;電子標籤以微波方式發出電子標籤和車型程式碼;天線接收確認電子標籤有效後，以微波發出人LI車道程式碼和時間訊號，寫入電子標籤的儲存器內。當車輛駛入收費車道出口天線發射範圍，經過喚醒、相互認證有效性等過程，天線讀出車型程式碼以及入LI程式碼和時間，傳送給車道控制器，車道控制器儲存原始資料並編輯成資料檔案，上傳給收費站管理子系統並轉送收費結算中心。
如果持無效標識或無卡車輛。在收費車道上高速衝卡而過，天線在確認無效性的同時，將啟動快速自動欄杆，關閉收費車道，當場將衝卡車輛攔截;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，將逃費衝卡車輛的車頭和牌照號碼攝錄下來，隨同出LI程式碼和衝卡時間一併傳送給車道控制機記錄在案，事後依法處理。
收費結算中心與管理銀行收到彙總好的各路公司的收費資訊後，從各個使用者賬號中，扣除通行費和算出金額，撥入相應公司賬號。與此同時，銀行核對各使用者賬號剩餘金額是否低於預定的臨界閾值，如低於，應及時通知使用者補交金額，繼續通行，導致剩餘金額低於危險門限值，則應將其劃歸無效電子標籤，編人黑名單，並通知各收費站，拒絕無效電子標籤在高速公路電子收費車道通行。
收費結算中心設有使用者服務機構，向用戶出售識別卡、補收金額和接待客戶查詢。後臺有一套金融執行規則和強大的計算機網路及資料庫的支援，處理事後收費等事項。
RFID的發展前景
目前，RFID技術已在我國很多行業得到應用，並取得良好成果。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：工業自動化;商業自動化;汽車行業;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展的主要方向。特別是RFID技術在ETC系統中的應用，為交通收費行業的發展做出了不可磨滅的貢獻。從未來的交通網路的發展來看，ETC系統將成為交通業的主流，因而該系統在交通收費行業有著廣闊的發展前景。
通過RFID技術在各行業的應用，並逐漸佔據主流地位，可以看出該技術已從眾多的識別技術中脫穎而出，並且不斷髮展完善。而基於RFID技術的ETC系統與傳統的收費系統相比，有著絕對的發展優勢，而且該系統的實現相對簡單。隨著RFID技術的發展，ETC系統也會逐漸得到完善。