ＲＦＩＤ技術及其在ＥＴＣ系統(tǒng)中的應用

摘 要：射頻識別技術作為一種新興的自動識別技術，近年來在國內(nèi)外已經(jīng)得到了迅速發(fā)展。以RFID為研究對象，分析其工作原理及主要特點，通過對不停車收費系統(tǒng)的組成及工作流程的介紹，重點說明RFID技術是如何應用于該系統(tǒng)中的。RFID技術的發(fā)展前景廣闊，隨著ETC系統(tǒng)的不斷推廣RFID技術在該系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

關鍵詞：RFID；自動識別；電子標簽；ETC

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1504204

RFID Technology and Its Application in ETC System

YANG Huicai，F(xiàn)AN Yanhu，LIANG Qiaoyan，LIU Wenxia，LI Na

(College of Physics and Electronics Information，Yan′an University，Yan′an，716000，China)

Abstract：As a kind of new-type automatic identification technology，RFID has been developed quickly at home and abroad.Studing on RFID，its principle and main characteristics are analysed.By introducting the composition of ETC system and its work flow，to highlight how RFID technology is used in the system.RFID technology has a good future.As ETC system ceaselessly extending，RFID technology is widely applied in the system.

Keywords：RFID;auto identification;electronic tag;ETC

1 RFID技術介紹

1.1 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信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。其核心技術包括無線電射頻、計算機軟件硬件、編碼學和芯片加工技術等多種現(xiàn)代高新科學技術，是多種跨門類科學技術的綜合體。 被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、現(xiàn)代服務業(yè)、交通運輸控制管理等眾多領域。

1.2 RFID的系統(tǒng)組成及工作原理和工作頻率

RFID系統(tǒng)因應用不同其組成會有所不同，但基本的RFID系統(tǒng)都由電子標簽、閱讀器和天線三部分組成。各部分功能如下：

(1) 標簽(Tag，即射頻卡)：也稱為非接觸IC卡、ID卡、RF卡等，由耦合元件及芯片組成，標簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進行通信，每個標簽具有惟一的電子編碼(EPC)，附著在要標識的目標物體上。它具有智能讀寫和加密通信的功能，它通過無線電波與讀寫設備進行數(shù)據(jù)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：也稱讀寫器、讀出裝置等，是用來讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標簽信息的設備。它可將主機的讀寫命令傳送到電子標簽，再把從主機發(fā)往電子標簽的數(shù)據(jù)加密，將電子標簽返回的數(shù)據(jù)解密后送到主機。

(3) 天線：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、八木天線和陣列天線等。

此外，一個完整的RFID應用系統(tǒng)還包括：中間件(Application Interface)，又稱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)務系統(tǒng)提供強大的支撐；應用系統(tǒng)硬件(Application Hardware)；應用系統(tǒng)軟件(Application Software)，記錄數(shù)據(jù)、實現(xiàn)企業(yè)管理功能等。

典型的射頻識別系統(tǒng)的工作原理如下：系統(tǒng)通電工作后，讀出器通過其內(nèi)部的線圈周期性地發(fā)出一個固有頻率的電磁波(激發(fā)信號)。當射頻識別卡放在讀出器的感應范圍內(nèi)時，卡內(nèi)的線圈在“激發(fā)信號”的感應下產(chǎn)生微弱電流作為卡內(nèi)集成芯片的電源。卡片上電復位后，原本處于“休眠狀態(tài)”的卡片被激活并將含有自身種類識別碼標志、制造商標志等信息代碼調制到載波上，經(jīng)卡內(nèi)天線發(fā)射出去。讀卡模塊將接收到的無線信號傳給現(xiàn)場控制器，由現(xiàn)場控制器進行信號處理并對執(zhí)行裝置發(fā)出指令。讀出器采用微處理器控制，通過韋根-485 轉換模塊實現(xiàn)與主控機之間的信息交流，其原理框圖如圖1所示。

RFID系統(tǒng)的工作頻率主要有：低頻，125 kHz；高頻，3.56 MHz；甚高頻，869 MHz，902～928 MHz；微波頻段，2.45 GHz和5.8 GHz等。 其中125 kHz系統(tǒng)主要應用在動物識別和商品流通等領域，高頻13.56 MHz系統(tǒng)一般應用在公共交通和門禁系統(tǒng)等領域。在UHF頻段(869 MHz，902～928 MHz)，系統(tǒng)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(yè)務中。微波2.45 GHz，無源標簽一般可提供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(tǒng)主要應用在交通領域，目前我國公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)暫行標準也把此頻段作為車輛識別的系統(tǒng)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的優(yōu)點以及有待解決的問題1.3.1 RFID技術的優(yōu)點

與傳統(tǒng)條形碼識別技術相比，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條形碼；而RFID采用的是非接觸方式，無方向性要求，標簽一進入磁場，解讀器就可以即時讀取其中的信息，通常在幾毫秒就完成一次讀寫，采用防沖撞機制，使之可同時處理多個標簽，實現(xiàn)批量識別，最多同時識別可達50個/s，并能在運動中進行識別。

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。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(tǒng)條形碼的載體是紙張，因此容易受到污染，但RFID對水、油和化學藥品等物質具有很強抵抗性。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(shù)據(jù)存在芯片中，因此可以免受污損。

可重復使用 現(xiàn)今的條形碼印刷上去之后就無法更改，RFID標簽則可以重復地新增、修改、刪除RFID卷標內(nèi)儲存的數(shù)據(jù)，方便信息的更新。

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，并能夠進行穿透性通信。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。

數(shù)據(jù)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最大的容量則有2⁹⁴以上。隨著記憶載體的發(fā)展，數(shù)據(jù)容量也有不斷擴大的趨勢。未來物品所需攜帶的信息量會越來越大，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(tǒng)一的電子產(chǎn)品代碼的編碼制在出廠前就固化在芯片中的，不重復40位的惟一識別內(nèi)碼，不可復制和更改。數(shù)據(jù)可以加密，扇區(qū)可以獨立一次鎖定，并能根據(jù)用戶鎖定重要信息。該技術很難被仿冒、侵入，使國產(chǎn)芯片更安全。

1.3.2 RFID系統(tǒng)中待解決的問題

(1) RFID編碼標準的選擇。目前世界范圍內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一的有關電子標簽(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，并由上海市推出了《動物電子標示通用技術規(guī)范》，但該規(guī)范還只是初步形成，尚在不斷改進中，而且要想短時期內(nèi)在全國范圍內(nèi)推廣還有一定難度。而除畜牧業(yè)以外的其他種類農(nóng)產(chǎn)品的RFID標準仍有待研究。

(2) RFID的信息安全問題。RFID的數(shù)據(jù)安全性問題也是一個引人注目的話題。由于電子標簽中保存了一些數(shù)據(jù)，因此隱私保護成了一個非常重大的問題，甚至是影響商業(yè)應用前途的關鍵點。由于電子標簽數(shù)據(jù)的讀取是由閱讀器發(fā)射無線射頻觸發(fā)的，也就是說，只要閱讀器的發(fā)射頻率相同，應答器即標簽就會做出相同的反應，傳輸相同的數(shù)據(jù)，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。目前最成功的就是采用加密的方式，在電子標簽中嵌入加密就可以將實時監(jiān)控數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中。如果有的系統(tǒng)參數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)進行調控。為了使用戶便于觀察和直觀的理解，需要將采集到的數(shù)據(jù)轉換成一種直觀的、易于為用戶接受的形式顯示出來，即將數(shù)據(jù)以圖表的形式表示出來。VC中的GUI可以很方便地支持實現(xiàn)以圖表形式表示。

2 RFID技術在ETC系統(tǒng)中的應用

2.1 ETC系統(tǒng)概述

在車輛自動識別技術的發(fā)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、紅外通信識別技術和射頻識別技術等，但最終主流歸結到采用射頻識別技術作為ETC系統(tǒng)的車輛自動識別技術。

ETC系統(tǒng)，即通常所說的不停車收費系統(tǒng)，它是以現(xiàn)代通信技術、電子技術、自動控制技術、計算機和網(wǎng)絡技術等高新技術為主導，實現(xiàn)車輛不停車自動收費的智能交通電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過路側天線與車載電子標簽之間的專用短程通信，進行車輛自動識別和有關收費數(shù)據(jù)的交換，通過計算機網(wǎng)絡對收費數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)不停車自動收費的全電子收費管理系統(tǒng)。

射頻識別系統(tǒng)是利用安裝在車內(nèi)的射頻卡(無線電收發(fā)裝置)存儲車輛編號及相關信息，安裝在車道的射頻天線可與該無線電收發(fā)裝置以專用短程通信(DSRC)方式交換信息，并對其存儲內(nèi)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(tǒng)有三個主要特點，不停車、無人操作和無現(xiàn)金交易。ETC技術在國外已有較長的發(fā)展歷史，美國、歐洲等許多國家和地區(qū)的電子收費系統(tǒng)已經(jīng)局部聯(lián)網(wǎng)并形成規(guī)模效益。目前，關東高速已全面實現(xiàn)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(yè)運營車輛已經(jīng)裝備了ETC車載單元，我國很多地區(qū)已經(jīng)開始使用ETC系統(tǒng)對高速公路收費管理系統(tǒng)進行升級。

不停車收費技術特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環(huán)境。傳統(tǒng)的車道隔離收費系統(tǒng)稱為單車道不停車收費系統(tǒng)，在無車道隔離情況下的自由交流下的不停車收費系統(tǒng)通稱為自由流不停車收費系統(tǒng)。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(jié)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(tǒng)代表當今最先進的收費技術，也是未來發(fā)展的方向，有著廣闊的發(fā)展前景。

2.2 不停車收費系統(tǒng)的工作原理

2.2.1 ETC系統(tǒng)的技術原理

ETC系統(tǒng)是通過遠距離、非接觸采集射頻卡的信息，實現(xiàn)車輛在快速移動狀態(tài)下的自動識別從而實現(xiàn)目標的自動化管理。目前，該系統(tǒng)的要求是，遠距離讀卡器能識讀至少十米的距離。由于技術要求和實際情況的不同，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(tǒng)是確定在5.8 GHz附近，歐洲、日本、美國、中國等大多數(shù)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：首先，我國通信系統(tǒng)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決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(tǒng)的設備引進，有利于降低系統(tǒng)成本，也有利于將來開展智能運輸系統(tǒng)領域的其他服務。

2.2.2 ETC系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

ETC系統(tǒng)主要由ETC收費車道、收費站管理系統(tǒng)、ETC管理中心、專業(yè)銀行及傳輸網(wǎng)絡組成。車道控制子系統(tǒng)用于控制和管理各種外場設備與安裝在車輛上的電子標簽的通信，記錄車輛的各種信息，并實時傳送給收費站管理子系統(tǒng)。收費站管理子系統(tǒng)負責收集管理傳送過來的數(shù)據(jù)。ETC管理中心是ETC系統(tǒng)的最高管理層，既要進行收費信息與數(shù)據(jù)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(jù)收到的數(shù)據(jù)文件在公路收費專營公司和用戶之間進行交易、拆賬和財務結算，配有多臺功能強大的計算機，完成系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)、圖像的采集和處理。圖2為其結構框圖。

2.2.3 ETC系統(tǒng)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簽，交納儲值。由發(fā)行系統(tǒng)向電子標簽輸入車輛識別碼(ID)與密碼，并在數(shù)據(jù)庫中存入該車輛的全部有關信息(如識別碼、車牌號、車型、顏色、儲值、車主姓名、電話等)。發(fā)行系統(tǒng)通過通信網(wǎng)將上述車主、車輛信息輸入收費計算機系統(tǒng)。車主將標識卡貼在車內(nèi)前窗玻璃上即可。當車輛進入ETC收費車道處于LI天線的發(fā)射區(qū)時，處在休眠狀態(tài)的電子標簽受到微波激勵而蘇醒，開始工作；電子標簽以微波方式發(fā)出電子標簽和車型代碼；天線接收確認電子標簽有效后，以微波發(fā)出入LI車道代碼和時間信號，寫入電子標簽的存儲器內(nèi)。當車輛駛入收費車道出口天線發(fā)射范圍，經(jīng)過喚醒、相互認證有效性等過程，天線讀出車型代碼以及入LI代碼和時間，傳送給車道控制器，車道控制器存儲原始數(shù)據(jù)并編輯成數(shù)據(jù)文件，上傳給收費站管理子系統(tǒng)并轉送收費結算中心。

如果持無效標識或無卡車輛。在收費車道上高速沖卡而過，天線在確認無效性的同時，將啟動快速自動欄桿，關閉收費車道，當場將沖卡車輛攔截；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，將逃費沖卡車輛的車頭和牌照號碼攝錄下來，隨同出LI代碼和沖卡時間一并傳送給車道控制機記錄在案，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，從各個用戶賬號中，扣除通行費和算出金額，撥入相應公司賬號。與此同時，銀行核對各用戶賬號剩余金額是否低于預定的臨界閾值，如低于，應及時通知用戶補交金額，繼續(xù)通行，導致剩余金額低于危險門限值，則應將其劃歸無效電子標簽，編入黑名單，并通知各收費站，拒絕無效電子標簽在高速公路電子收費車道通行。

收費結算中心設有用戶服務機構，向用戶出售識別卡、補收金額和接待客戶查詢。后臺有一套金融運行規(guī)則和強大的計算機網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)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和地方啟動了RFID應用試點工作，主要涉及領域包括：工業(yè)自動化；商業(yè)自動化；汽車行業(yè)；生產(chǎn)管理；供應鏈管理與現(xiàn)代物流等。RFID技術已成為21世紀全球自動識別技術發(fā)展的主要方向。特別是RFID技術在ETC系統(tǒng)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。從未來的交通網(wǎng)絡的發(fā)展來看，ETC系統(tǒng)將成為交通業(yè)的主流，因而該系統(tǒng)在交通收費行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。

4 結 語

通過RFID技術在各行業(yè)的應用，并逐漸占據(jù)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，并且不斷發(fā)展完善。而基于RFID技術的ETC系統(tǒng)與傳統(tǒng)的收費系統(tǒng)相比，有著絕對的發(fā)展優(yōu)勢，而且該系統(tǒng)的實現(xiàn)相對簡單。隨著RFID技術的發(fā)展，ETC系統(tǒng)也會逐漸得到完善。

參 考 文 獻

［1］游戰(zhàn)清，李蘇劍.無線射頻識別技術(RFID) 理論與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［2］許宏科，趙祥模，關可.高速公路收費系統(tǒng)理論及應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［3］張華，魏臻.無線射頻識別技術RFID及其應用 ［J］.計算機安全，2007(7):26-28.

［4］曉輝.高速公路不停車收費管理系統(tǒng)［J］.中國電子商情(RFID技術與應用)，2006(4):11-13.

［5］王天吉.無線射頻識別技術(RFID)應用的關鍵問題［J］.現(xiàn)代電子技術，2007，30(8):170-172.