RFID技術在城市道路收費管理中的應用

林劍鋒

廈門微思泰科信息技術有限公司 福建 廈門361000

1 無線射頻識別技術(RFID)概述

RFID技術(Radio Frequency Identification,射頻識別技術),是一種由雷達技術衍生的,利用射頻信號實現的非接觸自動識別技術。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據,識別工作無須人工干預,可工作于各種惡劣環境。

電子標簽、閱讀器和天線是RFID系統的三個基本要素,電子標簽是射頻識別系統的核心,又稱為射頻標簽,其英文名為TAG。電子標簽是RFID系統的數據載體,由耦合元件及芯片組成,標簽附著在物體上標識目標對象,存儲相關信息。閱讀器是讀取或者更新電子標簽內部信息的裝置,可設計為手持式或固定式。天線在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。RFID系統基本工作原理為:閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻信號,當標簽進入磁場時產生感應電流從而獲得能量,發送出自身編碼等信息被讀取器讀取并解碼后送至電腦主機進行有關處理。

2 無線射頻識別技術在廈門市城市道路收費管理中的應用

廈門是一座海灣型城市,主城區是海島,通過橋梁、隧道和海堤與大陸聯接,隨著城市建設的擴展和島內外一體化建設進程的加快,進出廈門島交通日益增加,為了緩解進出島通道交通壓力,提高車輛進出廈門島收費站的通行效率,從2005年開始廈門在全市推行不停車收費系統,政府免費為全市車輛安裝了射頻識別電子標簽,用于各橋隧(堤)的不停車收費管理,系統運行多年來穩定可靠。在廈門市不停車收費系統中,電子標簽的ID標識是車輛的為唯一識別碼,安全問題是車輛管理系統中至關重要的問題,車牌是機動車輛最明顯的標識,現實中人們都是通過號牌識別違章車輛、肇事車輛,因此系統必須保證標簽中的數據不能被隨意讀取、篡改甚至偽造。因此系統要求能高效的識別有效標簽,并能實現電子標簽的防讀,防篡改,防偽造。

2.1 RFID與傳統交通信息采集技術對比RFID 技術作為一種自動識別技術具有識別效果好、識別速度快、識別距離遠、環境適應性強、容量大、壽命長、可重復使用等特點,以及可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理。RFID 技術相對于傳統的地感線圈、雷達、視頻車牌識別等技術具有獨特的優勢,使得其被廣泛應用于倉儲物流、制造、公共信息服務等行業,可大幅提高管理與運作效率,降低成本,相對于傳統的RFID 射頻識別技術以其實時、準確地對高速運動目標的快速識別特性,相較于傳統的交通信息采集技術有著無可比擬的優勢。應用RFID射頻識別技術采集道路交通信息,不僅能夠實時、準確地檢測到交通流的“量”,而且還能夠精確識別其“身份”。在惡劣的自然環境下,RFID 射頻識別技術也可以正常工作,識別率不受影響。安裝時,可以在車道的高空建筑上直接安裝,如人行天橋、攝像機立桿等,不需要對路面進行破壞,不會造成交通受阻。

2.2 基于RFID技術在廈門不停車收費系統中的應用方案 本項目通過Monza 4 QT技術實現電子標簽唯一性、安全性、防讀和防篡改,配合電子標簽發行系統實現多卡一密的方案較完美地解決了不停車收費系統的問題。

電子標簽ID唯一性的實現

采用6 C標簽芯片的TID及EPC區域組合的信息作為唯一標識,可以實現電子標簽ID的唯一性。首先按照國際通用的協議標準,TID 存儲區數據在芯片出廠前已經被固化在芯片中,為只讀區域不可以被偽造和篡改,另外通過發行系統發行由用戶制定的規則所定義出的EPC也可以具有唯一性,兩者結合以實現電子標簽ID的唯一性。

電子標簽安全性的實現

Monza 4 QT芯片采用Impinj正在申請專利的QT 技術,此項獨特技術能夠維護兩個獨立的資料文件,以對商業機密信息與消費者隱私進行保護。利用QT技術,標簽所有者可以使用私密資料文件來存儲機密數據,而公開資料文件則用于存儲敏感性較低的信息。

標簽公開資料文件中只包含TID和EPC,TID 只有32位,記錄的信息為廠家標識和芯片型號,由于采用的是Impinj的Monza 4 QT 芯片,所以所有標簽的TID都一致。EPC共有96位,本方案中取其中的17-80位作為標簽的分散因子,通過DES算法,生成長度為64位的密鑰索引;EPC的末4位為分散因子算出密鑰索引的密鑰版本,而EPC 的其余28位的數據在系統中隨機生成的20組干擾數據中任意取其中一組。

多卡一密方案

閱讀器一端在出廠前內置了存儲系統密鑰的PSA M安全模塊。利用Impinj 6C標簽公開資料文件中的EPC碼、存儲在讀寫器中的DES算法的動態鏈接庫(包含license)及存儲在PSAM安全模塊內的系統密鑰實現多卡一密。每1萬張標簽用同一個EPC碼即同一個訪問密碼。

由于函數的不可逆性,密碼的安全性在于系統密鑰的安全性。系統密鑰只保存在PSA M芯片中,不可讀取或導出,同時加密算法的動態鏈接庫由項目負責人獨立制作,且使用時必須通過license認證,與讀寫器廠家完全隔離,所以只能通過輸入標簽EPC輸出標簽密碼,這樣就確保了系統密鑰的安全。

發行系統

將密鑰管理系統中生成的PSA M卡插入發卡設備中,已知PSA M卡中存儲的長度為2048位的系統密鑰,首先通過計算機隨機生成一組64位的隨機數,并保存在固定文件中,作為起始1萬張標簽的公有EPC碼,與密文通過DES加密計算,得出8個長度為12位的密鑰索引,分別對應PSA M卡中的系統密鑰的8個長度為4位的密鑰根,組成一個長度為32位的標簽密鑰,并寫入標簽RESERVED區的Access Password,將Kill Password置0(失效)并將整個RESERVED 區永久鎖定。其次寫入標簽私密資料文件中的EPC全部128位數據,并進行永久鎖定操作;同時在二次發行的時候將車輛等信息加密(DES)寫入用戶區。同時將標簽私密資料文件中的TID、EPC和密文通過3 DES算法得出的數據存入年費中心數據庫,并與貼卡車輛進行關聯。

防讀

有兩種手段可以有效地防止用戶區的數據被未授權閱讀器讀取。

第一、采用讀保護技術。通過QT技術使標簽鎖定在公開資料文件的模式下,在未知標簽訪問密碼時無法進行私密資料文件中的數據讀取。

第二、數據加密技術。標簽中不以明文存儲,避免非法用戶通過未授權閱讀器直接獲取標簽內的有效數據。加密算法通過license認證保存在讀寫器系統中,系統密鑰保存在PSA M安全模塊中,通過輸入TID、EPC和密文才可得到有效數據。

防篡改

(1)對于TID區,標簽的唯一性標識TID是芯片廠家出廠前寫入,不能改寫的。

(2)對于EPC區,發行時已經進行永久鎖定操作,不能改寫。

(3)對于用戶區,電子標簽數據中的唯一性標識TID 和EPC生成標簽的訪問密碼,需要知道訪問密碼才能更改標簽數據。

3 無線射頻識別技術應用突破

廈門在基于RFID技術實現不停車收費的過程中,遇到了臨道干擾、車輛速度較快的情況下采集效果不佳以及電子標簽安全加密等技術“瓶頸”。本項目攻克了以下兩大難題:第一、通過前置工控機對采集數據進行前期數據優化后集中上報的方式,突破了準確識別車輛標簽ID 技術,實現了每秒四次(250 毫秒/次)的車輛存在型檢測并實時上報中心系統。即采用相鄰車道上的RFID 讀取天線,統一將250毫秒的數據讀取到前置的工控機中,并通過工控機對數據進行去重處理,再通過工控機與中心系統建立穩定鏈接,實時上報車輛信息,從而保證了數據的連續性和準確性。如此不僅解決了鄰道干擾造成的車輛重復,也解決了夾車時單個天線漏讀的問題。同時使用工控機相較于讀寫模塊單片機,處理能力更強的特性,保證了250毫秒檢測一次的實時性。第二、為了盡可能降低系統建設成本,采用一臺RFID閱讀器同時連接4臺RFID天線覆蓋4條車道進行車流量采集,每臺天線的讀卡時間約為60 ms,因此4臺天線輪詢需要將近250 ms的時間周期。當車速達到120k m/h時,車輛250 ms的時間內所行駛的距離為8.4米。一般道路RFID采集的天線安裝高度均超過6米,因此RFID射頻信號在空氣中的傳輸距離至少應達到 8.42+62=10.3米。這對RFID閱讀器的接收靈敏度和車載電子標簽的開啟功率閾值均要求較高。

圖1 RFID長距離應用系統分析

如圖1所示,無委會規定共用頻段的射頻發射功率不得高于2 瓦(即33d Bm),道路RFID 采集系統的天線增益為12d Bi,饋線最長為20米,為保證天線微波信號覆蓋范圍超過10米,根據電磁波在空氣中傳輸的損耗計算公式:Lbf=32.5+20log(F×D),其中F表示頻率,單位為MHz,D表示傳輸距離,單位為k m。傳輸距離10米,信號損耗Lbf為-52d B。根據圖中前向鏈路計算,要求車載電子標簽的開啟功率應小于等于13d Bm,根據圖中反向鏈路計算,要求RFID閱讀器的最小靈敏度應小于-71d Bm。目前18000-6B電子標簽的開啟功率普遍在-13d Bm,已經非常接近臨界值,當車速超過120 以上就無法讀取車載電子標簽信息,而18000-6 C標準的電子標簽的開啟功率可以達到-18d Bm以上,經過長時間的設備選型及測試,最終廈門市采用了開啟功率靈敏度達-21d Bm的18000-6C標準的電子標簽,而RFID 閱讀器得接收靈敏度也達到了-81d Bm。經過上述的計算,可以得出在同樣的條件下,信號傳輸距離達到了26米。即覆蓋道路的水平距離為 262-62=25.3米,理論最高車速為295k m/h也可以讀取一次電子標簽,大大提升RFID 系統的車輛信息采集率。

4 結論

RFID技術是連接智能交通與物聯網的橋梁。未來的交通系統將由人、車、路、環境、信息、智能構成。在這一系統中,物的信息生命形態,將得到充分的展示,物將被賦予“智能”而成為“智能交通系統中活躍的、能動的、平等的參與者。在賦予物體信息生命的過程中,RFID 技術發揮了關鍵的作用。它將使車等“物”開口說話,它將為智能交通中的所有物建立起“電子鏡像”并能將這一鏡像實時、動態、準確地映射到系統的數字化平臺上去。提高車輛管理的信息化水平、推進平安城市、數字城市建設,提高人民生活質量,增強公共安全,從而助推智能交通管理服務水平不斷的提高。