ＲＦＩＤ技術及其在ＥＴＣ系統中的應用

摘 要：射頻識別技術作為一種新興的自動識別技術，近年來在國內外已經得到了迅速發展。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中的。RFID技術的發展前景廣闊，隨著ETC系統的不斷推廣RFID技術在該系統中得到了廣泛應用。

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，FAN 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。

1.2 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據交換，工作的能量是由閱讀器發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，再把從主機發往電子標簽的數據加密，將電子標簽返回的數據解密后送到主機。

(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，能夠為后臺業務系統提供強大的支撐；應用系統硬件(Application Hardware)；應用系統軟件(Application Software)，記錄數據、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：系統通電工作后，讀出器通過其內部的線圈周期性地發出一個固有頻率的電磁波(激發信號)。當射頻識別卡放在讀出器的感應范圍內時，卡內的線圈在“激發信號”的感應下產生微弱電流作為卡內集成芯片的電源。卡片上電復位后，原本處于“休眠狀態”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，經卡內天線發射出去。讀卡模塊將接收到的無線信號傳給現場控制器，由現場控制器進行信號處理并對執行裝置發出指令。讀出器采用微處理器控制，通過韋根-485 轉換模塊實現與主控機之間的信息交流，其原理框圖如圖1所示。

RFID系統的工作頻率主要有：低頻，125 kHz；高頻，3.56 MHz；甚高頻，869 MHz，902～928 MHz；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。

1.3 RFID作為換代性標識技術的優點以及有待解決的問題1.3.1 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發展，以應用于不同產品。

抗污染能力和耐久性 傳統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卷標是將數據存在芯片中，因此可以免受污損。

可重復使用 現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卷標內儲存的數據，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。

數據的記憶容量大 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。隨著記憶載體的發展，數據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是按照國際統一的電子產品代碼的編碼制在出廠前就固化在芯片中的，不重復40位的惟一識別內碼，不可復制和更改。數據可以加密，扇區可以獨立一次鎖定，并能根據用戶鎖定重要信息。該技術很難被仿冒、侵入，使國產芯片更安全。

1.3.2 RFID系統中待解決的問題

(1) RFID編碼標準的選擇。目前世界范圍內還沒有形成統一的有關電子標簽(RFID)的標準。在我國的標準制定方面，國家標準委已經聯合科技部、信息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，并由上海市推出了《動物電子標示通用技術規范》，但該規范還只是初步形成，尚在不斷改進中，而且要想短時期內在全國范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的信息安全問題。RFID的數據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據，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。由于電子標簽數據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，應答器即標簽就會做出相同的反應，傳輸相同的數據，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控數據寫入數據庫中。如果有的系統參數工作處于非正常狀態，則必須在界面中給出警告信息，并對監控系統進行調控。為了使用戶便于觀察和直觀的理解，需要將采集到的數據轉換成一種直觀的、易于為用戶接受的形式顯示出來，即將數據以圖表的形式表示出來。VC中的GUI可以很方便地支持實現以圖表形式表示。

2 RFID技術在ETC系統中的應用

2.1 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，它是以現代通信技術、電子技術、自動控制技術、計算機和網絡技術等高新技術為主導，實現車輛不停車自動收費的智能交通電子系統。該系統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據的交換，通過計算機網絡對收費數據進行處理，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)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裝置以專用短程通信(DSRC)方式交換信息，并對其存儲內容進行讀寫操作，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局部聯網并形成規模效益。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于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。

2.2 不停車收費系統的工作原理

2.2.1 ETC系統的技術原理

ETC系統是通過遠距離、非接觸采集射頻卡的信息，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，我國通信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系統的設備引進，有利于降低系統成本，也有利于將來開展智能運輸系統領域的其他服務。

2.2.2 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、專業銀行及傳輸網絡組成。車道控制子系統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。收費站管理子系統負責收集管理傳送過來的數據。ETC管理中心是ETC系統的最高管理層，既要進行收費信息與數據的處理和交換，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，根據收到的數據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，完成系統中各種數據、圖像的采集和處理。圖2為其結構框圖。

2.2.3 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簽，交納儲值。由發行系統向電子標簽輸入車輛識別碼(ID)與密碼，并在數據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)。發行系統通過通信網將上述車主、車輛信息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收費車道處于LI天線的發射區時，處在休眠狀態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，以微波發出入LI車道代碼和時間信號，寫入電子標簽的存儲器內。當車輛駛入收費車道出口天線發射范圍，經過喚醒、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據并編輯成數據文件，上傳給收費站管理子系統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則和強大的計算機網絡及數據庫的支持，處理事后收費等事項。

3 RFID的發展前景

目前，RFID技術已在我國很多行業得到應用，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。從未來的交通網絡的發展來看，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。

4 結 語

通過RFID技術在各行業的應用，并逐漸占據主流地位，可以看出該技術已從眾多的識別技術中脫穎而出，并且不斷發展完善。而基于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。

參 考 文 獻

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