基于RFID的ETC系統(tǒng)設計應用

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時，卡內的線圈在“激發(fā)信號”的感應下產(chǎn)生微弱電流作為卡內集成芯片的電源?？ㄆ想姀臀缓螅咎幱凇靶菝郀顟B(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，通過韋根一485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。

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　　NFID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，902～928MHz；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最大的容量則又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，而且要想短時期內在全國范圍內推廣還有一定難度。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。