智能公交系統中石墨烯RFID的應用研究

劉振禹，馬有明

（山東華冠智能卡有限公司，山東 濟南 271100）

0 引言

我國科技發展日新月異，城市化的建設腳步逐漸加快，越來越多的人口涌入城市，造成交通出行逐漸擁擠，而城市的交通網絡也愈加復雜。隨之而來的問題是如何建設更加先進、智能化的公交系統。使用石墨烯RFID電子標簽，將每一輛公交數據化，通過在后臺監控，實時調整公交的運行，可以幫助我們實現更加方便、智能的社會生活[1]。

1 RFID射頻識別技術

1.1 石墨烯RFID技術的原理

RFID（Radio Frequency Identification），也叫射頻識別技術，是一種非接觸式的用來采集數據的技術，利用無線電射頻信號空間耦合（電磁感應或電磁傳播）的傳輸特性來達到自動識別被標識對象的目的。圖1所示是一種非接觸式的自動識別技術的基本原理圖[2]。

圖1 非接觸式射頻識別

1.2 石墨烯RFID的優勢

RFID具有以下優勢：非接觸式自動識別，讀取標簽不需要有光線而且可以穿透外包裝；速度很快，可以即時讀取而且能多線處理；可以在惡劣的環境中工作；射頻識別設備的識別距離涵蓋范圍很廣，從幾厘米到幾百米不等。

石墨烯(Graphene)是一種基于二維碳納米復合材料，由碳原子以sp2雜化軌道系統組成一個六角型呈蜂巢晶格，它具有良好的光學、電學和力學性能，在材料科學、能源、電子、生物醫學和藥物輸送等方面有著重要的應用。石墨烯的導電性好、力學性能優異，因此，它們成為能量轉換裝置中一種極有前途的電極材料。科學家們經過研究后，把它和射頻識別技術聯系到一起，造出了以石墨烯為原材料的電子標簽[3-4]。

以石墨烯為主原料的電子標簽，和傳統材料比較，兼容性更強，性價比也比較高。目前，石墨烯的生產技術逐漸成熟，制造過程更加環保，不會產生重金屬、有害氣體及重酸等廢棄物。此外，因為石墨烯獨有的片狀蜂窩型結構，制造出來的電子標簽可以做到防止被撕裂，被轉移，起到防偽的作用?；诖?，石墨烯電子標簽將慢慢占據市場份額。

2 RFID技術在汽車中的應用概況

2.1 汽車的電子身份證

汽車的電子身份證，是一張存有這輛汽車相關數據的RFID電子標簽，一般安裝在汽車的前擋風玻璃上。這張電子身份證可以和城市道路中的RFID讀卡器相互通信，能夠實現對RFID電子標簽內的數據進行讀寫，整個過程是自動化的，而且不需要電子標簽和讀卡器相互接觸，也不需要停止車輛進行讀寫，就像通過ETC一樣。另外，使用這種技術和交通管理部門協同合作，不僅能夠滿足公安系統的安全要求，還能幫助交通部門實現更加智能的管理。如果汽車的電子身份證普及開來，就能方便地進行實時監控，精準調度道路車輛的運行情況，避免發生擁堵[5]。

2.2 汽車電子身份證的困境

想要充分推廣這項技術，也存在許多困難。首先，要保證城市內的每一輛車都配有此裝置，這個裝置是一張卡片，大概是普通IC卡的大小，上面有二維碼和唯一的序列號，這張卡片要貼在車輛的擋風玻璃內側的上部。其次，在保證了每一輛車都裝有卡片之后，還要保證城市內的道路上具備RFID讀卡器。此外，還需要在每個街區都建造識讀基站。這些工作需要大量的人工和金錢，明顯無法在短期內實現。

2.3 RFID在公交系統的應用

隨著技術發展，RFID技術滲入了許多行業，這幾年能夠在交通領域看到它的身影，目前，RFID技術已經能夠應用于智能交通的多個領域，圖2是基于RFID的車輛數據采集示意圖。

圖2 車輛數據采集流程

3 石墨烯RFID在智能公交系統中的應用

3.1 智能公交場管理

公交場是整個公交系統的中心，負責車輛排班和緊急調度、車輛進出、車輛停靠、車輛監控和考勤等。我們可以將RFID技術應用于此。首先，為每輛公交車配置有唯一性的石墨烯RFID電子標簽，其中包括公交場地址，運營單位，車牌號碼，班次等信息。其次，在公交場進出口安裝RFID讀寫器，車輛進出的信息就會被識別并記錄，后臺的數據庫也會存儲信息，以便于日后做查詢。系統流程見圖3。

圖3 智能公交場管理系統

3.2 智能公交調度

智能公交調度，是在城市道路的關鍵路線上配備RFID讀寫器，通過公交車上配備的石墨烯RFID電子標簽，獲取公交車的實時信息，傳輸至終端數據庫。運營中心工作人員可以實時監控，并實現對車輛的調度。

3.3 智能公交收費系統

隨著長距離線路（城際、城鄉）公交增加，單純的固定費用（1元、2元）無法滿足線路收費的需求，但是采用人工售票則會增加公交公司的精力投入，采用RFID技術則能很好地解決這個問題。智能公交扣費系統由遠卡模塊、近卡模塊、數據處理模塊、扣費模塊和功能輔助模塊組成。在公交的前后門分別安裝地標天線，乘客在前門上車刷卡時，近卡模塊讀取射頻卡信息，結合GPS確定上車位置。反之，下車時不用刷卡，遠卡模塊自動識別乘客的射頻卡，結合GPS確定下車位置。最終，根據乘客實際的距離進行扣費[6]。

3.4 公交客流信息采集系統

公交車乘客流量、乘客始發地和乘客目的地是重要的公交客流數據，利用好這些數據，能夠幫助公交公司提高管理效率、充分利用現有資源。為了實現精準記錄乘客數量，可以將石墨烯RFID技術用于采集客流量。與此對應設計的系統，包括兩部分，RFID讀寫器和石墨烯RFID標簽。電子標簽是直接裝配在乘客的公交卡中，讀寫器則是安裝在公交車上[7]。每當乘客刷卡一次，后臺的計數器對乘客數量行計數加一。與此同時，讀寫器在一個輪詢周期內，和所有標簽進行通訊，在固定時間內無法收到信號的話，說明乘客不在車內，已經下車。

3.5 智能公交指示牌系統

乘客可以在電子公交站牌看到本站臺的公交車實時運行信息，從而了解到自己等待的車輛還需要多久到達。這項功能的實現，是通過在公交車上配備石墨烯RFID電子標簽，同時在公交站臺裝配讀卡器而實現的。每當一輛公交車進入站臺時，讀卡器識別電子標簽內的數據信息，傳輸至總數據庫，數據中心將數據處理后再發送給站臺電子屏。

4 結語

根據石墨烯與不同基材及外部環境完美結合改變石墨烯天線特有的射頻特性，已經開發出了濕度感測標簽、智能尿布等具有全球專利技術的創新產品，使得石墨烯天線在感測器領域開啟了另一扇應用大門。如果將石墨烯RFID電子標簽應用在公交系統中，不僅能夠滿足智能化的需求，還可以相應國家的號召，打造環保公交。想要實現智能公交系統，需要多種技術協作，既需要實現無線通信，也需要精準的定位和實時控制。智能公交系統可以實現實時的監控和調度，不僅能夠節省人力的投入，還可以改善車輛的配置情況，最終達到資源充分利用。除此之外，智能公交系統還為公交公司提供優質的數據，可以幫助公司優化公交路線、合理分配交通資源。最后，對普通出行百姓的益處是，可以及時的了解自己出行的車的相關信息。綜上，智能公交系統是社會巨大的進步，是未來城市公交系統的的發展方向，也是發展智能城市交通的重要的、先行的一步。