射频技术在高速公路收费上的应用

射频技术在高速公路收费系统中的应用摘要：介绍了射频识别（RFID）技术及其应用，简述了RFID的硬件组成、工作原理；设计了一种利用射频技术实现高速公路不停车收费的方案，并展望了我国发展这一技术的广阔前景。关键词：RFID；高速公路；不停车收费1．引言射频技术（RFID）是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别，通称电子标签。射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过电感耦合或电磁耦合来自动识别目标对象并获取相关数据。RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。该技术作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，被列为本世纪十大重要技术之一。早在上世纪80年代初，射频识别技术就由美国国防部和世界第一大商品零售商沃尔玛公司首先提出并进行研究。目前，随着RFID技术的不断发展，与RFID相关的应用也大量涌现，被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理，汽车火车等交通实时监控，停车场管理系统，物流管理，流水线生产自动化，安全出入检查，仓库管理，动物管理，车辆防盗等诸多领域。目前应用得最成功的领域是物流管理和商品交通领域。RFID技术及其应用正处于迅速上升的时期，而其在交通物流行业的应用，更是为通信技术提供了一个崭新的舞台，将成为未来电信业有潜力的利润增长点之一。2004年底，中国高速公路已达3.4万公里，国务院通过的《国家高速公路规划》中，高速公路将达8..5万公里。高速公路的快速发展，仍不能进解决一些问题，反而使这些问题更加突出——如高速公路的通行能力、环境污染、以及现金交易带来的一些弊病等一系列问题。据资料统计，仅广州地区1996年停车等待交通损失的车时数就达数百万小时，由此导致的汽油浪费上亿元之多。解决上述问题，射频技术将是最终的发展趋势。有关经验表明，一条具有读写功能的RFID设备组成的ETC车道的处理速度是人工收费速度的4~5倍，可以极大地改善交通条件，提高道路的通行能力和服务水平，有效地减轻收费人员的劳动强度，改善工作环境。2．RFID工作原理硬件组成最基本的RFID系统由三部分成：1）标签（Tag）:又称为射频标签、应答器、数据载体。由耦合元件及芯片组成，每个标签不由唯一的电子数据，附着在物体上的标示目标对象。2）读写器（Readrer）：也称为阅读器。用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时还可以写入标签信息的设备。读写器的收发距离可长可短，根据它本身的输出功率和使用频率的不同，从几厘米到几十米不等。3）天线(Antenna)：在标签和读写器间传递射频信号、控制数据的获取和通讯，一般而言，天线都会与读写器整合在一起，可设计为手持式或固定式。基本工作原理当标签进入磁场时，接收到读写器通过天线发送的一定频率的射频信号，就能产生感应电流从而获得能量，发送出存储在芯片中的自身编码等信息（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）,读写器读取相关信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。这样，读写器通过天线可实现无接触地读取并识别标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：1）电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。2）电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。3．应用RFID技术的ETC系统方案关于只读形式的ETC“不停车收费”（又称电子收费ElectronicTollCollection，简称ETC）顾名思义是一种车辆不停车地通过收费站点而实现收取过路费的收费方式，是国际上正在努力开发并推广的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费。它需要在收费站附近配备扫描装置（称为路侧单元Road-SideUnit,简称RSU），并在车辆上安装一种电子标签（称为车载单元On-BoardUnit,简称OBU）。电子标签中存储着电子标签ID号、用户的车辆信息、发卡单位信息、或预先交付的通行费等信息。利用自动车辆识别技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，通过计算机网路进行收费数据的处理，实现不停车自动收费的全电子收费系统。自动车辆识别技术是指当车辆通过公路上某一特定地点时，不通过直接的人为干预自动地将该车的身份信息识别出来的技术。车辆的身份，指车辆本身的代表符号以及固有的属性，它应当具有唯一性。自动车辆识别技术是ETC系统的核心技术,也是构成ETC收费车道的最基本系统,通常由OBU即车载电子标签、RSU（一般包括车道天线、收发控制器、读写控制器、读写器）和计算机系统组成。它与车辆检测子系统、交通监控子系统、车辆图像抓拍子系统和车道控制计算机一起构成通常采用的专用ETC车道系统。（见图1）方案设计1）硬件设计：根据我国道路安全交通法规定：汽车在告诉公路上行驶的最高速度不得超过120km/h。若按此速度通过收费站，2射频读卡器的工作范围为5m时，允许读卡最长时间为150ms。本设计预期达到：射频读卡器有效范围5m;读卡时间小于60ms；识别率大于99..0%。2）系统工作原理：当车辆通过收费站时，地感线圈检测到车辆进入车道，触发安装在收费系统的天线架的射频读写器、射频读写器开始与安装在汽车挡风玻璃上的车载系统进行双向通信和信息交换，将数据传送给收费站的计算机，收费站计算机根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作，如从该车的预付款账户中扣除此次应交的过路费，并送出指令使其他辅助设施工作，如交易成功后，挡车器自动升起，放行车辆；车辆通过后，挡车器自动放下。整个收费过程无须人工干预，用户可不停车地快速通过收费站。（系统框图见图2）图2系统框图3）RFID不停车收费系统构成射频自动识别不停车收费系统按其功能可分为自动识别控制子系统、自动判断型子系统、数据采集子系统、车辆检测子系统、闭路电视子系统和信号控制子系统等。（见图3）图3不停车收费系统车道控制系统模块(1)自动识别控制子系统主要由射频自动识别读写器、射频自动识别卡，天线、车道道闸控制机、收费员计算机终端等组成，它是整个不停车收费系统的核心，负责控制不停车收费车道所有设备的运行、收费业务操作的管理以及与收费站计算机的通信和数据交换。(2)自动判断型子系统主要由光栅、高度检测器、轴数检测器等组成，它通过采集车辆的高度和轴数等参数，经综合分析比较来判别车辆的车型；该子系统至少可以判别三种以上车型。自动判断型子系统在有些场合可以由用户选择使用。(3)数据采集子系统主要由系列射频天线和射频电子标签卡构成。射频电子标签被安装在汽车挡风玻璃内侧的上方，在电子标签上写有标签编号、车号、车主、车型、应缴金额、剩余金额和有效期等信息；天线被安装在收费岛的前端，它通过微波技术从射频电子标签卡上读取有关信息，并同步传送给车道控制主机。(4)闭路电视子系统主要由车道摄像机和收费站的监视器等组成。车道摄像机被安装在收费岛的前端，主要用于拍摄非法通过的违章车辆。(5)信号控制子系统主要由通行信号灯、偏叉信号灯和自动栏杆等组成，用于提醒驾驶员正确使用不停车收费车道。(6)车辆检测子系统主要由三组环形线圈组成。第一组环形线圈(ENTERLOOP)被安装在收费岛的入口处，用于激活天线读取电子标签的信息；第二组环形圈(ESCLOOP)被安装在收费岛的中间出口处，用于控制通行信号灯和偏叉信号灯的状态；第三组环形线圈(EXITLOOP)被安装在收费岛的出口端，用于统计车流量，并控制自动栏杆、通行信号灯和偏叉信号灯的工作状态。四、学习体会及结论目前，我国大部分的高速公路收费方式还是采用人工收费方式或半自动收费方式，这已经成为我国道路畅通的主要瓶颈，存在各种各样的弊端，需要采用更加先进的收费系统才能更好的解决当前收费系统的诸多问题。通过这次学习，我对射频技术这一门新技术有了一定了解，也对以RFID技术为基础的高速公路不停车收费系统充满了向往。该系统可以有效解决高速公路收费堵车的问题，提高收费工作效率。尽管目前我国高速公路不停车自动收费还没有实现，但是我相信，随着我国公路事业的发展和不停车收费系统的开发应用，随着日益增长的交通需求，不停车收费系统一定会被国家、被企业、被消费者广泛关注和接受，在我国市场一定会有着广阔的光明前景。参考文献[1]百度百科：“射频技术”词条;[2]钱国平，黄其煜，射频识别技术及其应用，上海交通大学微电子学院;[3]王义祥.电子不停车系统在我国的发展.物流科技；[4]刘洋.智能交通系统中高速公路不停车收费系统的研究.大连海事大学，2004；[5]董妍，贾佳莹，孟杰，基于射频识别技术的车牌识别系统关键技术的研究，哈尔滨理工大学通信与信息系统；[6]周凤宇赵丽坤周正，应用只读RFID技术的ETC系统方案，北京邮电大学无线网络实验室。