基于RFID的ETC系统设计应用

1.1 RFID简介

　　无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。该技术是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性实现对被识别物体的自动识别。其核心技术包括无线电射频、计算机软件硬件、编码学和芯片加工技术等多种现代高新科学技术，是多种跨门类科学技术的综合体。被广泛应用于工业自动化、商业自动化、现代服务业、交通运输控制管理等众多领域。

　　1.2 RFID的系统组成及工作原理和工作频率

　　RFID系统因应用不同其组成会有所不同，但基本的RFID系统都由电子标签、阅读器和天线三部分组成。各部分功能如下：

　　(1)标签(Tag，即射频卡)：也称为非接触IC卡、ID卡、RF卡等，由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信，每个标签具有惟一的电子编码(EPC)，附着在要标识的目标物体上。它具有智能读写和加密通信的功能，它通过无线电波与读写设备进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供的。

　　(2)阅读器：也称读写器、读出装置等，是用来读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。它可将主机的读写命令传送到电子标签，再把从主机发往电子标签的数据加密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。

　　(3)天线：在标签和读取器间传递射频信号。在低频段和高频段主要使用平板天线、八木天线和阵列天线等。

　　此外，一个完整的RFID应用系统还包括：中间件(Application Interface)，又称RFID管理软件，它屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑；应用系统硬件(Application Hardware)；应用系统软件(Application Software)，记录数据、实现企业管理功能等。

　　典型的射频识别系统的工作原理如下：系统通电工作后，读出器通过其内部的线圈周期性地发出一个固有频率的电磁波(激发信号)。当射频识别卡放在读出器的感应范围内时，卡内的线圈在“激发信号”的感应下产生微弱电流作为卡内集成芯片的电源。卡片上电复位后，原本处于“休眠状态”的卡片被激活并将含有自身种类识别码标志、制造商标志等信息代码调制到载波上，经卡内天线发射出去。读卡模块将接收到的无线信号传给现场控制器，由现场控制器进行信号处理并对执行装置发出指令。读出器采用微处理器控制，通过韦根一485转换模块实现与主控机之间的信息交流，其原理框图如图1所示。

 

 

 

　　NFID系统的工作频率主要有：低频，125 kHz；高频，3.56 MHz；甚高频，869 MHz，902～928MHz；微波频段，2.45 GHz和5.8 GHz等。其中125 kHz系统主要应用在动物识别和商品流通等领域，高频13.56 MHz系统一般应用在公共交通和门禁系统等领域。在UHF频段(869 MHz，902～928 MHz)，系统的识别距离较远，可应用在高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中。微波2.45 GHz，无源标签一般可提供1 m左右的识别距离，有源标签也可以达到十几米的识别距离。5.8 GHz系统主要应用在交通领域，目前我国公路联网收费系统暂行标准也把此频段作为车辆识别的系统标准。一般工作频率较高则识别距离也较远，方向性也越强，但其穿透能力就越差。

　　1.3 RFID作为换代性标识技术的优点以及有待解决的问题

　　1.3.1 RFID技术的优点

　　与传统条形码识别技术相比，RFID有以下优势：

　　快速扫描 对于条形码而言一次只能扫描一个条形码；而RFID采用的是非接触方式，无方向性要求，标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，通常在几毫秒就完成一次读写，采用防冲撞机制，使之可同时处理多个标签，实现批量识别，最多同时识别可达50个／s，并能在运动中进行识别。

　　体积小型化、形状多样化 RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。

　　抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。

　　可重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。

　　穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。

　　数据的记忆容量大 一维条形码的容量是50 B，二维条形码最大的容量可储存2～3 000 B，RFID最大的容量则又294以上。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的信息量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。

　　安全性 RFID是按照国际统一的电子产品代码的编码制在出厂前就固化在芯片中的，不重复40位的惟一识别内码，不可复制和更改。数据可以加密，扇区可以独立一次锁定，并能根据用户锁定重要信息。该技术很难被仿冒、侵入，使国产芯片更安全。

　　1.3.2 RFID系统中待解决的问题

　　(1)RFID编码标准的选择。目前世界范围内还没有形成统一的有关电子标签(RFID)的标准。在我国的标准制定方面，国家标准委已经联合科技部、信息产业部以及上海标准化研究院等14家单位共同进行中国RFID标准的研究，目前已完成对动物应用RFID标准的草案，并由上海市推出了《动物电子标示通用技术规范》，但该规范还只是初步形成，尚在不断改进中，而且要想短时期内在全国范围内推广还有一定难度。而除畜牧业以外的其他种类农产品的RFID标准仍有待研究。

　　(2)RFID的信息安全问题。RFID的数据安全性问题也是一个引人注目的话题。由于电子标签中保存了一些数据，因此隐私保护成了一个非常重大的问题，甚至是影响商业应用前途的关键点。由于电子标签数据的读取是由阅读器发射无线射频触发的，也就是说，只要阅读器的发射频率相同，应答器即标签就会做出相同的反应，传输相同的数据，这就会给不法分子造成可乘之机。

　　为了解决以上问题，就必须对ID的读取进行限制。目前最成功的就是采用加密的方式，在电子标签中嵌入加密就可以将实时监控数据写入数据库中。如果有的系统参数工作处于非正常状态，则必须在界面中给出警告信息，并对监控系统进行调控。为了使用户便于观察和直观的理解，需要将采集到的数据转换成一种直观的、易于为用户接受的形式显示出来，即将数据以图表的形式表示出来。VC中的GUI可以很方便地支持实现以图表形式表示。