RFID與ETC兩種新興技術(shù)在門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹

2009年，***總理在《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》的講話中指出：要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，及早部署后IP時(shí)代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級、邁向信息社會(huì)的發(fā)動(dòng)機(jī)。2010年的上海世博會(huì)自開幕以來，累計(jì)接待游客已突破1200萬人次，這意味著已經(jīng)有1200多萬張世博門票經(jīng)過驗(yàn)票閘機(jī)，帶領(lǐng)游客們展開世界之旅。世博門票設(shè)計(jì)制造方上海華虹集團(tuán)副總裁陳劍波說：“可以說，是‘世博芯’這一具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，讓世博門票通過了入園大考”?！笆啦┬尽笔鞘状螌o線射頻識別技術(shù)（RFID技術(shù)）進(jìn)行大規(guī)模的綜合應(yīng)用，證明了我國的RFID技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 無線射頻識別

RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可快速進(jìn)行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換，其識別工作無需人工干預(yù)。

RFID作為一種新的技術(shù)，是無線電技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)的結(jié)合。1948年，哈里·斯托克曼發(fā)表的“利用反射功率的通信”奠定了射頻識別RFID的理論基礎(chǔ)。奠定RFID基礎(chǔ)的技術(shù)最先在第二次世界大戰(zhàn)中得到發(fā)展。當(dāng)時(shí)為了鑒別飛機(jī)，又稱為“敵友”識別技術(shù)，該技術(shù)的后續(xù)版本至今仍在飛機(jī)識別中使用。

一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、讀寫器（含天線）和應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)主要組成部分。電子標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，它由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專用芯片組成，能接收讀寫器的電磁場調(diào)制信號并返回響應(yīng)信號，實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮?。讀寫器用于接收主機(jī)端命令，并將存儲在感應(yīng)器中的數(shù)據(jù)以有線或無線的方式傳回主機(jī)，它內(nèi)含控制器和天線，如果讀取距離較長，則天線會(huì)單獨(dú)存在。應(yīng)用系統(tǒng)是指用戶原有的MIS系統(tǒng)。與RFID系統(tǒng)交互的應(yīng)用系統(tǒng)的終端計(jì)算機(jī)，傳遞著應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)出的工作指令，并通過中間件控制電子標(biāo)簽和讀寫器之間的協(xié)調(diào)工作，處理RFID系統(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)算、存儲及數(shù)據(jù)傳輸。

RFID系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品進(jìn)入讀寫器天線輻射范圍時(shí)，接收讀寫器發(fā)出的無線射頻信號。無源電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在標(biāo)簽芯片中的數(shù)據(jù)，有源電子標(biāo)簽則主動(dòng)發(fā)送存儲在標(biāo)簽芯片中的數(shù)據(jù)，讀寫器一般配備了一定功能的中間件，可以讀取數(shù)據(jù)、解碼并直接進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)處理，然后送至應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷電子標(biāo)簽的合法性，并針對不同的設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的處理和控制，由此實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)的基本功能。

1.2 射頻標(biāo)簽

射頻標(biāo)簽即射頻卡，又稱非接觸式IC卡。由IC芯片、感應(yīng)天線組成，芯片和天線無外露，被封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡片內(nèi)。射頻卡的讀寫過程，通常由射頻卡與讀寫器之間通過無線電波來完成讀寫操作。它成功地將射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合在一起，結(jié)束了無源和免接觸這兩大技術(shù)難題，這是電子器件領(lǐng)域的一大突破。

按照標(biāo)簽的供電方式，射頻標(biāo)簽可以分為有源和無源兩種形式。有源標(biāo)簽使用標(biāo)簽內(nèi)電源提供的能量，識別距離較遠(yuǎn)（可以達(dá)到幾十米甚至上百米），但壽命有限，成本較高。無源標(biāo)簽內(nèi)不含電源，工作時(shí)從讀寫器的電磁場中獲取能量，其重量輕、體積小，壽命很長，成本很低，但通信距離受到限制。

按照工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)可分為低頻、中高頻、超高頻和微波系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)的工作頻率一般在30KHz～300KHz，其典型工作頻率有125KHz和133KHz。其基本特點(diǎn)是標(biāo)簽的成本較低，標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較少，讀寫距離較短（10cm左右），標(biāo)簽外形多樣，閱讀天線方向性不強(qiáng)，主要應(yīng)用于畜牧業(yè)和動(dòng)物管理等。中高頻系統(tǒng)的工作頻率一般在3MHz～30MHz，其典型工作頻率有13.56MHz。其基本特點(diǎn)是標(biāo)簽和讀寫器的成本較低，標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大，讀寫距離較遠(yuǎn)（可達(dá)到1m以上），適應(yīng)性強(qiáng)，外形一般為卡狀，讀寫器和標(biāo)簽天線均有一定的方向性，主要應(yīng)用于二代身份證系統(tǒng)和一卡通系統(tǒng)等。超高頻和微波系統(tǒng)的工作頻率一般在300MHz～3GHz或者大于3GHz。其典型工作頻率有433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz。根據(jù)各頻段電波特點(diǎn)可適用于不同場合。例如，433MHz有源標(biāo)簽常用于近距離通信及工業(yè)控制領(lǐng)域。915MHz無源標(biāo)簽式物流領(lǐng)域的首選。2.45GHz除廣泛應(yīng)用于近距離通信之外，還廣泛應(yīng)用于我國的鐵路運(yùn)輸識別管理。5.8GHz的RFID系統(tǒng)更是作為我國ETC的工作頻段，并率先制定了國家ETC標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)

ETC（Electronic Toll Collection，電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)）是目前世界各國均在大力推崇的先進(jìn)的收費(fèi)方式。車主只需在車窗上安裝電子標(biāo)簽，車輛在經(jīng)過收費(fèi)站時(shí)，通過收費(fèi)站點(diǎn)設(shè)置的讀寫器對經(jīng)過車輛的電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫識別，并自動(dòng)從預(yù)先綁定的射頻卡或銀行帳戶上扣除相應(yīng)費(fèi)用，無需車主停車和人工繳費(fèi)即可快速通過收費(fèi)站點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)一路暢通。

ETC系統(tǒng)主要由車輛自動(dòng)識別系統(tǒng)、中心管理系統(tǒng)和其他輔助設(shè)施組成。其中，車輛自動(dòng)識別系統(tǒng)由OBU（On board unit，車載單元）、RSU（Road side unit，路邊單元）、環(huán)路感應(yīng)器等組成。OBU（即電子標(biāo)簽）儲存了車輛的相關(guān)信息，一般安裝在車輛的前擋風(fēng)玻璃上。RSU（即讀寫器）安裝在收費(fèi)站旁邊。環(huán)路感應(yīng)器安裝在車道地面下。中心管理系統(tǒng)存儲了大量已注冊車輛和車主的信息。當(dāng)車輛通過收費(fèi)站口時(shí)，環(huán)路感應(yīng)器感知車輛，RSU發(fā)出詢問信號，OBU做出響應(yīng)，并進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)交換，中心管理系統(tǒng)獲取車輛識別信息后進(jìn)行比較判斷，根據(jù)不同情況來控制管理系統(tǒng)產(chǎn)生不同的操作，從而實(shí)現(xiàn)對行駛車輛的自動(dòng)管理。

ETC系統(tǒng)以專用DSRC（專用短程通信）方式通過遠(yuǎn)距離（10m～30m）、完善的加密通信機(jī)制（支持3DES、RSA算法）、非接觸方式（工作頻段支持915MHz、2.45GHz和5.8GHz）來交換ETC信息，實(shí)現(xiàn)車輛在快速移動(dòng)狀態(tài)下的自動(dòng)識別，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的自動(dòng)化管理。

與以往的人工收費(fèi)系統(tǒng)相比較，現(xiàn)行的ETC系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，交通更流暢。駕駛者可以不用停車并直接通過ETC系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)繳費(fèi)，有效地提高了收費(fèi)站的車輛通行能力，避免了收費(fèi)站造成的交通堵塞，提高了公路利用率。第二，繳費(fèi)方便透明。駕駛者通過ETC系統(tǒng)繳費(fèi)意味著單位時(shí)間內(nèi)通過的車輛數(shù)量會(huì)更多，從而加快了繳費(fèi)速度，提高了繳費(fèi)效率，也杜絕了繳費(fèi)工作中貪污腐敗行為的發(fā)生。第三，節(jié)能環(huán)保。ETC系統(tǒng)減少了車輛在收費(fèi)站人工繳費(fèi)的等待時(shí)間，降低了油耗，減少了汽車怠速時(shí)的尾氣排放，從而達(dá)到了節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境的效果。

ETC系統(tǒng)的成熟應(yīng)用，為今后的智能交通打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，最近這項(xiàng)技術(shù)也被應(yīng)用于城市中心區(qū)域的高峰期擁堵收費(fèi)。

2 應(yīng)用案例

如今，絕大多數(shù)的門禁系統(tǒng)（包括車庫門禁和樓宇門禁）仍然在使用高頻射頻卡進(jìn)行管理。目前車庫門禁系統(tǒng)和樓宇門禁系統(tǒng)在使用過程中存在如下一些問題。

高頻射頻卡理論識別距離范圍僅為2.5cm～10cm（射頻卡與讀卡器之間距離）。受環(huán)境影響，實(shí)際識別距離比理論識別距離還要短。

對于車庫門禁系統(tǒng)來講，停車道閘票箱設(shè)置的位置要求駕駛?cè)藛T在駕駛車輛時(shí)，主駕駛室位置要與停車道閘票箱位置靠得相當(dāng)近，以便刷卡，從而增加了駕駛?cè)藛T的駕駛難度，特別是停車道閘票箱設(shè)置在一邊是平地、一邊有坡度的車庫入口處。一些駕駛?cè)藛T索性先刷卡，豎起停車閘桿，然后再到車庫發(fā)動(dòng)汽車，駛離車庫。此外，停車道閘票箱一般設(shè)置在車庫入口處，接近于露天環(huán)境，對雷雨天氣的防水防潮性能較差，從而增加了票箱內(nèi)電氣原件的故障發(fā)生率，造成停車道閘不能正常起落。

對于樓宇門禁系統(tǒng)來講，射頻卡與讀卡器之間距離也要靠得相當(dāng)近，才能使門禁打開，特別是人員從雷雨天氣的室外進(jìn)入樓宇內(nèi)部時(shí)，延長了人員等待通過樓宇門禁的時(shí)間。

針對當(dāng)前門禁系統(tǒng)存在的一些問題，我們借鑒基于RFID技術(shù)的高速公路電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將ETC技術(shù)應(yīng)用到當(dāng)前門禁系統(tǒng)中（利用ETC系統(tǒng)中不停車功能模塊，取消ETC系統(tǒng)中收費(fèi)功能模塊），為提高門禁系統(tǒng)的智能化和高效化水平，提出以下解決方案。

⑴ 停用車庫門禁系統(tǒng)中目前使用的高頻射頻卡（工作頻段：13.56MHz，識別距離范圍：2.5cm～10cm），啟用微波射頻卡（工作頻段：5.8GHz，識別距離范圍：10m～30m）。微波讀寫器的三組天線成“品”字形分別安裝在車庫出入口墻頂和墻兩側(cè)，以充分采集車輛的微波射頻卡的相關(guān)信息。

⑵ 取消ETC系統(tǒng)中的收費(fèi)功能模塊，增加視頻圖像識別和語音報(bào)警模塊。當(dāng)車輛經(jīng)過預(yù)先埋設(shè)的地感線圈時(shí)，ETC系統(tǒng)中的車輛自動(dòng)識別（包括無線射頻識別和車牌圖像識別）系統(tǒng)對該車輛進(jìn)行自動(dòng)識別。如果該車輛被識別為本車庫已登記車輛時(shí)，停車閘桿自動(dòng)豎起并放行;如果該車輛被識別為本車庫未登記車輛時(shí)，中心管理系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警并記錄日志，提醒安保人員及時(shí)到場處理。

⑶ 停用樓宇門禁系統(tǒng)中使用的高頻射頻卡，啟用ETC系統(tǒng)中的微波射頻卡。微波讀寫器設(shè)置在樓宇門禁入口處，以采集微波射頻卡的相關(guān)信息。利用紅外感應(yīng)觸發(fā)替換ETC系統(tǒng)中的地感線圈觸發(fā)。當(dāng)有人員經(jīng)過時(shí)，紅外感應(yīng)觸發(fā)微波讀寫器，對攜帶微波射頻卡人員進(jìn)行自動(dòng)識別。如果確認(rèn)是本樓宇已登記人員信息，則樓宇門禁會(huì)提前自動(dòng)開啟。

⑷ 針對臨時(shí)車輛和臨時(shí)人員的進(jìn)出，可以通過管理員發(fā)放臨時(shí)微波射頻卡的方式解決。

3 結(jié)束語

RFID技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識別技術(shù)。特別是微波射頻技術(shù)，因其所具備無屏障讀取和遠(yuǎn)距離穿透、快速掃描、高儲存量、體積小、安全保密性好等優(yōu)勢而備受各界矚目，從眾多的自動(dòng)識別技術(shù)中脫穎而出，在各領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，在我國擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α＝梃b高速公路電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，用微波射頻技術(shù)替代當(dāng)前門禁系統(tǒng)中廣泛使用的高頻射頻技術(shù)，同時(shí)將ETC技術(shù)應(yīng)用到上述門禁系統(tǒng)中，以提高門禁系統(tǒng)的智能化和高效化水平。

ETC技術(shù)在門禁系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，比如在智能化停車場管理方面正逐步得到推廣應(yīng)用。但是，對于樓宇內(nèi)部距離非常接近的多個(gè)門禁，由于紅外感應(yīng)范圍的重疊，會(huì)同時(shí)觸發(fā)多個(gè)微波讀寫器，導(dǎo)致對這些門禁均有權(quán)限的工作人員可以同時(shí)打開多個(gè)門禁的問題，需要進(jìn)一步研究并加以解決。