超高頻RFID車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究 - 全文

RFID作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要技術(shù)，近年來(lái)以其低廉、安全、高效的特點(diǎn)得到廣泛的關(guān)注和研究。文中提出了一種基于超高頻RFID的智能車(chē)輛管理系統(tǒng)（即車(chē)聯(lián)網(wǎng)）。該系統(tǒng)由RFID硬件系統(tǒng)、CDMA系統(tǒng)、GIA系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、測(cè)速、監(jiān)控和管理，以解決當(dāng)前嚴(yán)峻的道路擁堵、車(chē)輛超速超載、車(chē)輛盜竊及公務(wù)車(chē)管理等問(wèn)題。

　　0 引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)居民汽車(chē)保有量逐年增加，劇增的車(chē)輛給當(dāng)今的車(chē)輛管理帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：汽車(chē)擁堵、車(chē)輛盜竊、車(chē)輛身份識(shí)別難、由超速導(dǎo)致的交通事故頻發(fā)。如何能運(yùn)用科技手段有效地利用道路資源，保持道路暢通；明晰車(chē)輛身份，使單位可以有效管理車(chē)輛進(jìn)出入；遏制車(chē)輛超速超載，保障車(chē)輛行駛安全；提升車(chē)輛“自衛(wèi)”等級(jí)，防范車(chē)輛盜竊；透明公務(wù)車(chē)身份信息，限制公務(wù)車(chē)私用？本文提出一種基于超高頻RFID、GSM、GIA 的智能車(chē)輛管理系統(tǒng)對(duì)上述問(wèn)題的解決方案。本文的第2 部分?jǐn)⑹隽酥悄苘?chē)輛管理系統(tǒng)在封閉的大學(xué)校園內(nèi)識(shí)別進(jìn)出入車(chē)輛身份，以加強(qiáng)對(duì)進(jìn)出、停放校園車(chē)輛的管理。第3 部分?jǐn)⑹隽酥悄苘?chē)輛管理系統(tǒng)在開(kāi)放的道路網(wǎng)中對(duì)道路信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以方便交通部門(mén)優(yōu)化交通流、合理配置道路資源；并對(duì)危特車(chē)輛進(jìn)行定位、測(cè)速、跟蹤、身份信息讀取。第4 部分結(jié)合當(dāng)前全軍及武警部隊(duì)更換新軍牌的形勢(shì)，提出了全國(guó)更換新型RFID智能車(chē)牌及運(yùn)用本智能車(chē)輛管理系統(tǒng)的設(shè)想，并闡述了本系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前車(chē)輛管理難題的解決方案。

　　1 應(yīng)用于封閉區(qū)域的車(chē)輛身份識(shí)別及管理子系統(tǒng)

　　大學(xué)是個(gè)相對(duì)開(kāi)放的環(huán)境，大學(xué)區(qū)域內(nèi)車(chē)輛的復(fù)雜性和車(chē)輛管理的分散性給大學(xué)師生的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了隱患，尤其是2010 年河北大學(xué)發(fā)生了震驚國(guó)人的“我爸是李剛事件”，使得整治校園秩序，加強(qiáng)對(duì)進(jìn)出、停放校園車(chē)輛的管理，保障師生的生命和財(cái)產(chǎn)安全變得尤為重要。

　　1.1 車(chē)輛身份識(shí)別系統(tǒng)現(xiàn)狀

　　目前，一部分大學(xué)的車(chē)輛管理采用人工判別：即校方給本單位的車(chē)輛發(fā)放紙質(zhì)標(biāo)識(shí)牌，由門(mén)衛(wèi)鑒別出入車(chē)輛是否屬于本單位，外來(lái)車(chē)輛到指定地點(diǎn)辦理臨時(shí)訪問(wèn)手續(xù)。此方式不僅效率低，檢查延誤時(shí)間長(zhǎng)，更因其沒(méi)有采用技術(shù)手段防偽，為偽造標(biāo)識(shí)牌埋下了隱患。

　　另一部分大學(xué)采用一種感應(yīng)式IC 卡出入管理系統(tǒng)。這種卡雖具有安全保密、不易被仿造、攜帶方便、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)，但這種傳統(tǒng)的IC 卡本身是一種近距離感應(yīng)卡，識(shí)讀距離只有幾厘米。在實(shí)際使用中，車(chē)主需要將車(chē)輛停下來(lái)，搖下車(chē)窗，手持IC 卡伸出車(chē)窗外，進(jìn)行刷卡，再繼續(xù)進(jìn)出。這種車(chē)輛出入管理系統(tǒng)與上一種管理系統(tǒng)相比，在檢查期間耗費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)，且并未給車(chē)主帶來(lái)方便，尤其在雨雪天氣、酷熱天氣等氣候下使得車(chē)主更為不便；IC 卡車(chē)輛出入管理系統(tǒng)本質(zhì)上是需要停車(chē)的，不能實(shí)現(xiàn)更為先進(jìn)和人性化的無(wú)障礙自動(dòng)出入。

　　1.2 系統(tǒng)組成

　　車(chē)輛管理系統(tǒng)主要由RFID 硬件部分（有源RFID 智能牌照、遠(yuǎn)距離閱讀器、通道控制器、道閘）、圖像抓拍模塊、計(jì)算機(jī)及軟件管理系統(tǒng)構(gòu)成。

　　1.3 工作原理

　　本系統(tǒng)采用UHF 遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別技術(shù)，每部車(chē)輛上均安裝有預(yù)先在車(chē)輛進(jìn)出入系統(tǒng)注冊(cè)的有源RFID 智能牌照。

　　RFID 車(chē)牌儲(chǔ)存的信息包括車(chē)輛部門(mén)、車(chē)牌號(hào)、司機(jī)姓名以及身份證號(hào)。有源RFID 牌照會(huì)不斷地發(fā)射超高頻信號(hào)，當(dāng)安裝在出入口附近的遠(yuǎn)距離閱讀器接收到信號(hào)后，遠(yuǎn)距離讀卡器通過(guò)485（或者韋根）接口將卡信號(hào)發(fā)給通道控制器。通道控制器判斷牌照的合法性，如果合法，則控制器上的繼電器驅(qū)動(dòng)道閘開(kāi)啟，允許車(chē)輛出入，否則不予放行。外來(lái)車(chē)輛由于沒(méi)有專(zhuān)屬本單位的牌照，車(chē)輛進(jìn)入有源識(shí)別區(qū)后智能道閘控制器沒(méi)有接收信息， 產(chǎn)生中斷信號(hào)， 此時(shí)智能道閘控制器發(fā)出警示命令， 語(yǔ)音設(shè)備提示駕駛員停車(chē)， 并到門(mén)衛(wèi)處登記， 同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)攝像機(jī)抓拍車(chē)輛有效信息（車(chē)牌號(hào)碼）。此時(shí)，駕駛員需要配合門(mén)衛(wèi)到門(mén)衛(wèi)室登記，之后由門(mén)衛(wèi)通過(guò)無(wú)線遙控裝置操作智能道閘控制器開(kāi)啟道閘。校園的每個(gè)大門(mén)的門(mén)衛(wèi)室作為系統(tǒng)分控點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄車(chē)輛出入記錄，包括出入時(shí)間、車(chē)輛部門(mén)、車(chē)主信息。

　　1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　本車(chē)輛管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

　?。?）遠(yuǎn)距離：閱讀距離10 m 以?xún)?nèi)可輕松實(shí)現(xiàn)。由于車(chē)輛門(mén)禁的實(shí)際要求，讀卡距離不宜過(guò)長(zhǎng)。本方案無(wú)須人工靠近刷卡或要在指定區(qū)域內(nèi)通過(guò)才能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)識(shí)別，可以避免在惡劣天氣下司機(jī)必須搖窗靠近閱讀器才能刷卡等問(wèn)題，因而在高峰時(shí)間可有效緩解出入庫(kù)車(chē)輛過(guò)多、排隊(duì)刷卡帶來(lái)的堵塞問(wèn)題。

　　2 應(yīng)用于開(kāi)放道路網(wǎng)的車(chē)輛定位及測(cè)速子系統(tǒng)

　　2.1 需求分析

　　隨著經(jīng)濟(jì)和汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)在擁有汽車(chē)的居民越來(lái)越多， 堵車(chē)現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重，堵車(chē)不僅浪費(fèi)了大***貴的時(shí)間，也使交通事故頻發(fā)。如何充分利用路網(wǎng)、縮短車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間、降低行車(chē)延誤、保障行車(chē)安全、提高道路通行能力等道路資源優(yōu)化問(wèn)題成為當(dāng)前每個(gè)城市需要解決的重要課題。

　　另外，隨著企業(yè)規(guī)模及業(yè)績(jī)的不斷擴(kuò)大，配送及運(yùn)營(yíng)所需的車(chē)輛逐漸增多，跑私活、干私事、外出車(chē)輛的風(fēng)險(xiǎn)管控、超速控制、區(qū)域報(bào)警等相關(guān)功能越來(lái)越受到企業(yè)管理者的關(guān)注。

　　在此基礎(chǔ)上，智能車(chē)輛管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)--車(chē)輛定位及測(cè)速系統(tǒng)--應(yīng)運(yùn)而生。

　　2.2 車(chē)輛定位現(xiàn)狀及對(duì)比

　　在目前的車(chē)輛定位系統(tǒng)中，典型的車(chē)輛位置信息獲取方法主要是基于GPS 全球定位系統(tǒng)與加速度傳感器的車(chē)輛定位。

　　這是一種基于移動(dòng)站的定位方法，即車(chē)載定位設(shè)備向車(chē)輛提供位置信息，然后車(chē)輛通過(guò)無(wú)線通信將得到的位置信息上報(bào)給車(chē)輛管理系統(tǒng)。這種由被定位物體主動(dòng)發(fā)送位置信息的方法具有占用通信資源多、系統(tǒng)運(yùn)行成本高的缺點(diǎn)，并且在城市高樓區(qū)、高架橋下、林蔭道及隧道內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的定位盲點(diǎn)。

　　2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

　　該系統(tǒng)主要由裝有RFID 智能車(chē)牌的車(chē)輛、數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)（RFID 遠(yuǎn)距離閱讀器）、CDMA 模塊、GIA 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)處理及控制中心組成。圖1 所示是一種車(chē)輛定位及測(cè)速系統(tǒng)的示意圖。

　　2.4 系統(tǒng)運(yùn)行原理

　　該系統(tǒng)基于讀取RFID 電子標(biāo)簽的方法獲取車(chē)輛的身份信息，采用基于TODA 的多基站無(wú)線定位方法獲取車(chē)輛的位置信息，通過(guò)對(duì)車(chē)輛移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行處理的方法，獲取車(chē)輛的速度信息。每一個(gè)RFID 車(chē)牌都存儲(chǔ)了該車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)、車(chē)輛用途、最大載貨量、最大載客量、車(chē)主姓名及身份證號(hào)等信息。根據(jù)不同地區(qū)的建筑特點(diǎn)和交通流量裝有 一定數(shù)量的數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)，以期獲得資源的最大利用，減少節(jié)點(diǎn)布置的浪費(fèi)。每個(gè)數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)按一定頻率定向發(fā)送已經(jīng)編碼和調(diào)制的命令信號(hào)，處于節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的RFID智能車(chē)牌收到此命令，經(jīng)過(guò)認(rèn)證，如果正確的話，將按命令的要求把自己的UID發(fā)送過(guò)去，數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)接到此信息，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)和解碼得出該車(chē)輛身份信息，通過(guò)CDMA 模塊將其發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元，再由數(shù)據(jù)處理單元發(fā)送至城市數(shù)據(jù)處理及控制中心。基于多基站無(wú)線定位的方法是由無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)獲取車(chē)輛位置信息，利用接受信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）、到達(dá)時(shí)間（TOA）、到達(dá)時(shí)間差（TDOA）定位。第一步估計(jì)過(guò)程中，采用魯棒性估計(jì)方法，可以減小其對(duì)估計(jì)值的影響。

　　在第一步估計(jì)的基礎(chǔ)上，找到與RFID 智能車(chē)牌距離最近的3個(gè)數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用這3 個(gè)節(jié)點(diǎn)的TDOA 值進(jìn)行第二次定位，從而得出車(chē)輛的位置信息，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理及控制中心，數(shù)據(jù)處理及控制中心根據(jù)得到的信息便可大致描繪出該車(chē)輛的運(yùn)行軌跡。通過(guò)對(duì)由車(chē)輛移動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，數(shù)據(jù)處理可以對(duì)該車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)速。

　　車(chē)輛定位及測(cè)速系統(tǒng)示意圖

3 應(yīng)用展望

　　日前，全軍和武警部隊(duì)從2013 年5 月1 日起統(tǒng)一使用新式軍車(chē)號(hào)牌。這次更換新式軍車(chē)號(hào)牌，重點(diǎn)落實(shí)“防造假、防濫發(fā)、防亂掛、防丟失、防盜用”。充分運(yùn)用信息技術(shù)，嚴(yán)格牌證審批、核發(fā)、使用的全過(guò)程、全方位管控，健全完善了軍地聯(lián)合工作和協(xié)助機(jī)制，加大了對(duì)制造、販賣(mài)、使用假冒軍車(chē)號(hào)牌的打擊力度，從源頭上根治軍車(chē)管理中存在的突出問(wèn)題。

　　假如順應(yīng)當(dāng)前軍牌更換的潮流，交通部門(mén)把全國(guó)的車(chē)牌都升級(jí)換代，改換成基于RFID 的智能車(chē)牌，就可以有效遏制和解決車(chē)輛超速、盜車(chē)犯罪和公務(wù)車(chē)管理等問(wèn)題的發(fā)生。

　　3.1 超速

　　目前，交警部門(mén)治理超速主要通過(guò)在一些不確定地點(diǎn)安放測(cè)速儀，對(duì)超速車(chē)輛抓拍并進(jìn)行相應(yīng)處罰來(lái)約束司機(jī)們的超速行為，但這為數(shù)不多的測(cè)速儀監(jiān)控力度小、范圍小，無(wú)法從根兒上觸動(dòng)司機(jī)們的僥幸心理。如果全國(guó)車(chē)牌都換成基于RFID 的智能車(chē)牌，并在各個(gè)路段裝有數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)，那么任何車(chē)輛將處于全天候、全地域的無(wú)所不在的測(cè)速網(wǎng)絡(luò)中，先進(jìn)的技術(shù)及無(wú)死角、無(wú)盲區(qū)的測(cè)速網(wǎng)從根本上規(guī)范和剔除了駕駛員的僥幸心理，從而引導(dǎo)駕駛員遵守交通規(guī)則。

　　3.2 盜車(chē)犯罪

　　近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)的保有量也迅速增加，由此汽車(chē)引起犯罪分子的“重視”，且盜車(chē)犯罪日益猖獗，其犯罪手段也日益高明。盜車(chē)犯罪損害國(guó)家和人民的財(cái)產(chǎn)利益，如何改進(jìn)技術(shù)，不給小偷可乘之機(jī)呢？針對(duì)此類(lèi)犯罪事件，除了裝配智能車(chē)牌外，還需要在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部貼附電子標(biāo)簽，作為車(chē)輛識(shí)別輔助工具。如果小偷盜竊汽車(chē)后沒(méi)有損毀智能車(chē)牌，那么該車(chē)輛將處于實(shí)時(shí)監(jiān)控中，公安部門(mén)采用車(chē)輛精準(zhǔn)定位，即可將其抓獲。假如小偷比較“高明”些，在偷竊車(chē)輛后，損毀了智能車(chē)牌，以為就此可以逃脫法網(wǎng)。這時(shí)貼附在發(fā)動(dòng)機(jī)上的電子標(biāo)簽作為車(chē)輛識(shí)別輔助工具將發(fā)揮作用，其功能和智能車(chē)牌上的電子標(biāo)簽相同，被盜車(chē)輛仍然處于實(shí)時(shí)監(jiān)控中，并且由于輔助電子標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)及貼附位置的特殊，當(dāng)其被損毀時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將無(wú)法正常工作。此項(xiàng)技術(shù)采用后，小偷無(wú)論將車(chē)運(yùn)到哪里，都無(wú)法逃脫公安部門(mén)的監(jiān)控，無(wú)法逃脫法網(wǎng)。

　　3.3 公務(wù)用車(chē)

　　當(dāng)前的公車(chē)問(wèn)題主要是公車(chē)私用現(xiàn)象嚴(yán)重［9］。長(zhǎng)期以來(lái)，公車(chē)旅游、公車(chē)接送子女上下學(xué)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不僅敗壞社會(huì)風(fēng)氣，損害黨政機(jī)關(guān)和干部的自身形象，還給國(guó)家造成了損失，在群眾中造成了不良影響。更換新車(chē)牌可以為紀(jì)檢監(jiān)察人員查處公車(chē)提供方便。RFID 新車(chē)牌的信息存儲(chǔ)區(qū)一部分用來(lái)存儲(chǔ)全球唯一標(biāo)識(shí)符（UID），其余部分可存儲(chǔ)512 B ~ 4 MB的信息。當(dāng)為公務(wù)車(chē)更換新車(chē)牌時(shí)，車(chē)牌上除記錄基本身份信息外，還可記錄車(chē)輛類(lèi)別（公務(wù)用車(chē)）、工作單位等信息。

　　紀(jì)檢部門(mén)可以在旅游區(qū)、酒店等娛樂(lè)場(chǎng)所周?chē)仓肦FID 閱讀器，其閱讀距離可調(diào)至3 km.當(dāng)一些違紀(jì)公務(wù)人員駕公車(chē)來(lái)此消費(fèi)時(shí)，其公車(chē)信息將會(huì)被記錄，并通過(guò)CDMA 無(wú)線傳輸至紀(jì)檢部門(mén)的數(shù)據(jù)處理中心，為紀(jì)檢部門(mén)執(zhí)法提供證據(jù)。此方法可以有力地約束公車(chē)私用。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　本文提出了基于RFID 的智能車(chē)輛管理系統(tǒng)，并根據(jù)不同環(huán)境的需求分別闡述了應(yīng)用于大學(xué)等封閉區(qū)域的身份識(shí)別及管理子系統(tǒng)和應(yīng)用于開(kāi)放道路網(wǎng)中的定位及測(cè)速子系統(tǒng)的構(gòu)化的有力支撐。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決了多站數(shù)據(jù)統(tǒng)一、多站一體化管理等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了多站實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能報(bào)警、自動(dòng)巡檢等功能，為調(diào)控一體化管理模式的推行提供了實(shí)際參考。系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)中國(guó)電科院相關(guān)資質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明本系統(tǒng)立足工程實(shí)際，在滿(mǎn)足變電站通信規(guī)約前提下，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，架構(gòu)先進(jìn)、安全性好、可靠性高、兼容性強(qiáng)、管控變電站數(shù)量靈活。