（通信与信息系统专业论文）基于uhf+rfid的不停车收费系统关键技术的研究.pdf

基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 摘要 随着国民经济的发展，道路运行车辆的逐年增加，高速公路网络 逐渐形成。但是，我国的高速公路收费系统，大多还是采用人工收费 方式，由于收费时间长且效率低，导致收费站因车辆排队缴费而成为 车辆快速通行的弊端之一。为了适应现代化交通的发展需求，本文讨 论了一种基于超高频射频识别( u h fr f i d ，u 1 t r a l l i g hf r e q u e n c y r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术的不停车收费系统，并对该系统 的关键技术进行了分析与研究。 首先，在讨论目前高速公路收费系统现状的基础上，介绍了基于 u h fi 心i d 技术的不停车收费系统，从其框架、功能等方面进行了介 绍，指出了系统应用到的关键技术，如防碰撞技术和车型图像识别技 术。 其次，介绍了u h fr f i d 系统，对u h fr f i d 系统的结构、通信 标准、工作原理进行了简单介绍。接下来对u h fi 江i d 通信标准里的 三种防碰撞算法分别进行了介绍。 介绍了t y p ea 标准中的经典算法一a l o h a 算法及其扩展的一 些算法。并从数学方法和仿真方法两方面分别对这些算法进行了说 明。通过论证可知，现有的概率型防碰撞算法有一定的缺点，识别效 率普遍偏低，只是适用一些特殊的场合。 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 在确定型防碰撞算法的基础上提出了一种改进算法i r b s 算法。 并在m a t l a b 仿真平台上进行仿真，结果表明i r b s 算法能有效降低搜 索的总次数和减少每次命令传送的数据长度，从而能够迅速有效地识 别出电子标签。 分析了i s 0 1 8 0 0 0 6 c 标准中的时隙随机( s r ) 防碰撞算法，在 s r 算法的基础上提出了改进算法i s r 算法。该算法根据首次识别的 标签碰撞情况来估算需要识别的标签数量，进而合理的设置q 值。 并对i s r 算法进行了仿真，结果表明i s r 算法在通信次数和标签识别 效率方面都优于s r 算法，有效地提高了标签识别性能。 最后，在不停车电子收费系统的实际应用中，为了避免诸如大型 客车车主私自将u h fr f i d 电子标签的信息进行更改，以达到少交费 的目的，因此，对车型的识别是很重要的。本文研究了一种基于图像 处理模式的识别技术，并讨论了灰度变换、中值滤波、边缘检测等方 法来实现对图像的轮廓提取。 本文主要研究了不停车收费系统中的两类关键技术：u h fi 江i d 防碰撞技术和车型图像识别技术。重点是在研究防碰撞技术中的两大 类算法的基础上，分别提出了一种新的改进算法。理论分析与实验结 果均表明了改进算法的优良特性；最后通过仿真实验说明了不停车收 费系统中车型识别的过程。 关键词：u h fr f i d ，防碰撞算法，车型识别 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 t h er e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g y i n e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do n u h fi 江i d a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s en a t i o n a le c o n o m y ，v e h i c l e sm n n i n go nt h er o a dh a v e i n c r e a s e dy e a r b yy e a r ，a n dt h en e 觚o r ko f h i g h w a y 伊a d u a l l yh a sb e e ne s t a b l i s h e d b u t ，m em e t h o d o ft h eh i 2 h w a yt o l lc o l l e c t i o ni sa l m o s tm a n u a l ，m ep r o c e s so fc 0 1 l e c t i o n t a k e sl o n gt i m e ，a n d c a u s e st h ei n e m c i e n c y i no r d e rt oa d a p tt o t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mr o a dd e m a n d ，t h i sp a p e r d r e s e n t sa 仃锄e w o r ko fe 1 e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e mo f h i 曲w a yw r h i c h i sb a s e do nt h e t e c h n 0 1 0 9 yo fu h fr f i d ，a n dh a s ar e s e a r c ho nt h er e l a t e dt e c h n i q u e so ft h i ss y s t e m f i r s t l y ，m a k e sas u e yo nt h ec u n e n ts t a t l l so fc h i n e s er o a dt o l ls y s t e m ，t h e nh a v e as t u d yo f t h es v s t e mw h i c hi sb a s e do nr f i dt e c h n 0 1 0 9 y 7 1 1 l r o u 曲t h ea i l a l y s i s o ft h e 如n c t i o n a l i t y ， c o m p o s i t i o n ，印p l i c a t i o no f t l l es y s t e m ，p r e s e n tm ek e yt e c l l i l i q u e so fe t c s e c o n d l v ，i i l 仃o d u c et l l es t 九l c t l l r ea n dt h ep r i n c i p l eo fu l 仃a h i g hf r e q u e n c yr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ( u h fr f i d ) t e c l l l l o l o g y ，a i l dt h e nw i l l i 1 1 t r o d u c et h r e e 趾t i c o l l i s i o na l g o r i m mo f t h r e es t a n d a r dc o m m u n i c a t i o no fu h f r f i d t l l i sp a p e ri i l 仃o d u c 迦ac l a s s i c a la l g 耐t h r n a l o h aa l g o r i t h ma i l di t se x t e n s i o no f s o m eo f t h ea l g o r i m m so fs t a i l d a r da l g o d m mo ft y p e a a n dm a m 哪a t i c a lm e m o d sa n d s i m u l a t i o n m e t h o d s 仃o mb o mo fm e s ea l g o r i t h m sa r ed e s c r i b e d t l l r o u g ht h ed e m o n s t r a t i o ns h o w sm a t t h e r e a r es o m es h o n c o m i n g si ne x i s t i l l ga n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m ，w h i c hi s t h er e c o g i l i t i o ne 伍c i e n c yi s g e n e r a u yl o w ，a n dt h i sk i n do fa l g o r i u nc a no n l ya p p l i e st os o m es p e c l a l o c c a s l o n s a ni m p r o v e da l g o r i t h mp r o p o s e di s ra l g o r i t h m ，w h i c hb a s e do nt ) ，p e bs t a n d a r da l g o r i t h m ， a r ei n 仃o d u c e d t l l i sa l g o 矾l i i li ss t a n e d 舶mm ec o l l i s i o n ，e x p 耐m e n t ss h o wt l l a t 衄sa l g o r i m m c a l le f f e c t i v e l vr e d u c em et o t a ln u m b e ro fs e a r c ha n dr e d u c em el e n g t ho fe a c hc o m m a n d t os e n d t l l ed a t at ob ea b l et oq u i c k l ya n de f f e c t i v e l yi d e n t i f yt h et a g 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 1 1 1 i sp a p e ra l s oa n a l y s i st h es rs l o tr a n d o ma t l t i c o l l i s i o n a l g o r i t h mo ft h ei s ol8 0 0 0 6 c ， i m p r o v e di s ra l g o r i t h mb a s e do nt h es ra l g o t h m ，a c c o r d i n gt ot h ee s t i m a t e dn u m b e ro f t a g so f t h ef i r s tc o l l i s i o no ft h el a b e l ，a n dt h e ns e tar e a s o n a b l eqv a l u e i s ra l g o r i t h ma n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ei s ra l g o r i t h ma n dt a gi d e n t i f i c a t i o nn u m b e ri nt h ec o m m u n i c a t i o ne 瓶c i e n c v i ss u p e d o rt os r a l g o r i t h m ，e f k c t i v e l yi m p r o v i n gt h ep e b 衄a n c eo ft a gi d e n t i f i c a t i o n t h e n ，i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h et o l lc 0 1 l e c t i o n ，i no r d e rt op r e v e n tv e h i c l eo w n e r s c h e a t i n gb yc h a n g i n gt h ev e h i c l et a g ，t h et e c h n o l o g yo fr e c o 印i z i n gv e h i c l e s s t ) ，l e i s v e r y l m p o r t a n t i nt h i sp a p e r ， a t e c h n i q u eo fp a t t e mr e c o g n i t i o nb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n gi s i n t r o d u c e d ， a n da l s od i s c u s s e dt h e g r a y s c a l et r a n s f o m a t i o n ，b i n 捌z a t i o np r o c e s s i n g ，e d g e d e c e c t l o na n do t h e rm e t h o d st oa c h i e v et h ei m a g eo ft h ec o n t o u r e x t r a c t i o n 1 nt h l sp a p e r ，w ei n v e s t i g a t et h et w ok e y t e c h n o l o g yo ft h ee l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns v s t e m o n ei st h ea n t i c o l l i s i o n t e c h n o l o g yo fu h fr f i d ，a n dm eo m e ri s t e c h n o l o g yo fp a t t e m r e c o g m t l o no nv e h i c l e b a s e do nt h et w os t a n d a r d a l g o r i t h m so fa n t i c o l l i s i o nt e c h n o l o g v ， r e s p e c t l v e l y ，i n 仃o d u c e da ni m p r o v e da l g o r i t h m ，b o t ho ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p “m e n t a l r e s u l t ss h o wt h ee x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea l g o r i t h m ；a n dt h r o u 曲e x p e r i m e n ts i m u l a t i o n a c h i e v e da u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o no fm o d e l si nt o l lc o l l e c t i o ns v s t e m f a nw e n j i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o m a t i o n s y s t e m ) s u p e i s e db yc h e nj i n g c h a o k e y r d s ：u h f i 心i d ，a n t i c 。i l i s i 。na l g 。r i t h m ，v e h i c l e r e c 。驴i t i 。n v 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 智能交通系统( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 是指将先进的信息技 术、电子通信技术、自动控制技术、计算机技术以及网络技术等有机地运用于整 个交通运输管理体系中而建立起的一种实时、准确、高效的交通运输综合管理和 控制系统。它是由若干子系统组成的，通过系统集成将道路、驾驶员和车辆有机 的结合在一起，加强三者之问的联系，借助于系统的智能技术将各种交通方式的 信息及道路状况进行登记、收集、分析，并通过远程通信和信息技术，将这些信 息实时提供给需要的人们，以增加行车安全，减少行车时问，并指导行车线路。 同时管理人员通过采集车辆、驾驶员和道路的实时信息来提高其管理效率，以达 到充分利用交通资源的目的。目前国际上i t s 的服务领域为以下几个方面：交通 服务系统、交通管理系统、电子收费系统等【5 。本文研究的就是i t s 的其中之 一：不停车电子收费系统( n os t o pe 1 e c t r o n i ct 0 1 1c o l l e c t i o ns y s t e m ) 中的相关 技术。 自动识别技术是信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段，它 是以计算机技术和通信技术的发展为基础的综合性科学技术。自动识别技术近几 十年在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码技术、磁条( 卡) 技术、光学字符识别、系统集成化、r f i d 、声音识别以及视觉识别等集计算机、 光、机电通信技术为一体的高新技术学科。自动识别方法的任务和目的是提供关 于个人、动物、货物和商品的信息。近年来，自动识别方法在许多服务领域、商 业部门、生产企业和材料流通领域得到了快速的普及和推广峭j 。 图1 1 自动识别技术 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 智能卡( i n t e l l i g e n tc a r d ，又称为电子标签或i c 卡) 技术是目前应用范围最 广的一种自动识别技术。i c 卡一般指一个固定大小的卡片，上面封装了集成电 路芯片，用于存储和处理数据。i c 卡是在较为原始的磁卡的基础上发展起来的， 大致经过了从接触式i c 卡( 如存储卡、加密存储卡、c p u 卡) 到非接触的射频 卡的发展阶段。接触式i c 卡使用时要将其插入到读卡机中，通过表面上的电极 触点的物理接触来实现数据、命令和卡片状态的传递 8 】。接触式i c 卡是一种数 据存储器系统，必要时，还可以具有附加的计算能力。接触式i c 卡的最主要的 优点之一是可以防止其内部存储的数据被恶意的存取和处理，缺点是触点对腐蚀 和污染缺乏抵抗能力，这样经常会由于触点发生故障而增加了维护费用j 。 射频识别( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a l i o n ) 技术是一种新兴的自动识 别技术，和智能卡不同的是，数据承载设备和阅读器之间的电源供应和数据传输 不是基于接触的电流方式，而是基于磁场或电磁场的方式【l 】。其基本原理是利用 射频信号的空间耦合( 电感或电磁耦合) 或反射的传输特性，实现对被识别物体 的自动识别。r f i d 系统的优点是具有非接触性，因此完成识别工作无需人工干 预，能够实现自动化；识别距离比光学系统远，数据载体和阅读器之间的最远距 离可达到数十米；信息处理速度快，在某些应用场合可以达到几十微秒；保密性 高，未经允许几乎不能复制与修改数据；视频识别卡具有读写能力，可携带大量 数据，同时具有难以伪造和智能性较高的优点。与条形码相比，r f i d 标签具 有防水、防磁、数据加密、存储容量大等特点。目前国际上流行的物联网技术的 核心就是利用r f i d 技术并且结合已有的网络技术、中间件、数据库等技术来构 造一个由大量阅读器和移动标签组成的比互联网更为庞大的网络。因此，r f i d 技术处于物联网发展的最前端，也是实现物联网的基础技术之一。 i 心i d 系统因应用不同，其组成也会有所不同，但基本都是由标签( t a g ) ， 阅读器( r e a d e r ) 和数据处理系统三大部分组成。标签具有智能读写和加密通信 的功能，通过无线电波与阅读器设备进行数据交换，它工作的能量由阅读器发出 的射频脉冲提供，阅读器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，然后将电子标签返回的数据解密后送到主机。在应用中可 以有效跟踪管理物资，降低成本。正是由于这些显著优势，射频识别技术正在逐 渐地被广泛应用于工业生产自动化、物流管理方面、车辆防盗系统和汽车点燃系 统、交通运输控制管理等领埘1 1 。 超高频( u h fr f i d ) 技术作为射频识别技术的一种，是最近几年刚开始兴 起并得到快速推广应用的一门新技术【1 2 1 。超高频r f i d 技术具有一次性能够识别 多个标签、穿透力强、数据存储量大、成本低、体积小、可以在车辆或者其它被 标识的物体高速运动的情况下工作，因此得到了很大的重视。它广泛地应用在远 距离身份识别、大型物流、电子商务、交通管理以及军事管理等各个领域，已经 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 成为r f i d 技术研究和应用的主流。我国在超高频r f i d 技术方面目前还处于发 展初级阶段，2 0 0 6 年国家科技部启用一亿两千万资金支持“射频识别i 心i d 技术 与应用”8 6 3 计划重大研究项目，也是为了推动我国射频识别系统，特别是超高 频系统的研究开发和应用【6 j 。 基于u h fr f i d 技术的显著优势，本文主要研究的是u h fr f i d 系统中的一 项关键技术：多标签识别的防碰撞算法问题。这方面的研究成果可以进一步完善 和促进r f i d 应用产业的发展，特别是智能交通和物流管理等领域，为尽快取得 一系列具有自主知识产权，并且达到国际先进水平，建立起我国r f i d 技术自主 创新体系，提高国内企业的竞争力和效益都具有重要的意义f 6 j 。 传统高速公路的收费存在一些问题，每条高速公路通车都需要大量的收费站 2 4 小时值班，这样就消耗了相当一部分的人力物力，在交通高峰期时，收费站 也成为了高速公路的“瓶颈”。不停车电子收费系统是解决高速公路收费问题的有 效手段。将u h fr f i d 技术应用在不停车电子收费系统中，充分体现了其非接触 识别的优势，让车辆高速通过收费站同时并完成收费，这样既解决了交通拥堵又 避免了一些人逃费等问题。 1 2r f i d 技术国内外研究现状 射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。为了满足对单 个产品的标示和有效识别，国内外许多科研机构开展了以互联网和射频识别为核 心技术的全球物联网的研究，而且已经取得了一定的成绩【6 j 。 目前，r f i d 在国内普遍是低频和高频的应用，基本掌握了读写器的核心技 术，取得了很大的进展，如基于i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 4 4 4 3 协议的近距离读写器产品 和电子标签已经系列化多样化，并在金融卡网络以及第二代身份证等项目上得到 了广泛应用。而超高频r f i d 技术应用在商业物流方面，我国还处于初级发展阶 段，与国外r f i d 芯片设计方面有一定的差距，国外厂商基本上垄断了超高频段 芯片的生产，市场上可以供应e p cc l a s s g e n 2 芯片的厂家主要有a l i e n t e c l l l l 0 1 0 9 y 、i m p i n j 、s y m b 0 1t e c l l i l o l o 西e s 。当前国际上在超高频段的r f i d 技术 主要使用4 3 0 m h z 左右和8 6 0 9 6 0 m h z 两段频率，我国在这个频段上已经没有 空闲的频率直接规划给i 讧i d 使用，因此，信息产业部规定8 4 0 m h z 8 4 5 m h z 和9 2 0 m h z 9 2 5 m h z 为我国超高频段r f i d 技术的具体使用频率【6 j 。 通常r f i d 系统工作时，由于标签和阅读器共享无线信道，这就会造成标签 之间或阅读器之间的相互干扰，这种干扰统称为碰撞( c 0 1 1 i s i o n ) 。总的来说， 碰撞可以分为两种，即标签的碰撞和阅读器的碰撞。当多个相邻的阅读器同时和 一个标签通信时，标签就无法被识别出来，这种情况下会产生阅读器碰撞，因为 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 阅读器功能的强大可以检测出碰撞，并且阅读器之间可以相互通信，这种碰撞很 容易解决。当多个标签处在同一个阅读器的工作范围时，阅读器不能正确识别标 签，就发生了标签碰撞。由于标签自身功能少，且不能发射信号，只能通过阅读 器反射过来的信号将自身的e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 传给阅读器，所以标 签不能检测出碰撞。r f i d 系统的防碰撞算法通常分为a l o h a 算法和二进制树 搜索算法两大类。a l o h a 算法又分为时隙a l o h a 、帧时隙a l o h a 、动态帧 时隙a l o h a 等。文献 2 提出了基于返回式二进制树搜索算法，该算法是当阅 读器识别出一个标签之后，不是从头开始以全1 作为下次请求命令的序列号参 数，而是根据上一次请求命令的序列号参数来获得，上一次请求命令是将之前的 最高冲突位置o ，这一次则是将之前的最高冲突位置1 ，这样就可以立刻识别出 下一个标签，大大地加快了识别过程。文献 3 提出的引入预处理的二进制搜索 算法是在常用的算法运行之前进行一次预处理，阅读器发送第一次请求命令后， 所有标签都将i d 发送回来，阅读器一次性检测到所有的碰撞位，将碰撞位记为 1 ，非碰撞位记为0 ，再将这n 比特数据发送给标签，各个标签按照此标志数据 将i d 号对应的碰撞位数据抽取出来作为新的i d 号与阅读器通信，这样，假如 标签的i d 号不完全碰撞，对于任何一种算法来说，标签和阅读器发送的数据量 都将减少。帧时隙a l o h a 算法是将若干时隙组成一帧，所有标签在一帧内以 a l o h a 方式竞争信道【4 j 。但是在超高频r f i d 系统中，时隙随机a l o h a 没有 了帧的概念，阅读器能在一个识别周期内随时更改时隙数，可以让上一个周期内 未被识别的标签能够在当前识别周期重新选择时隙，从而能实现标签个数和时隙 数的自适应调整【5 1 。这种时隙随机防碰撞算法被i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准采用，成 为超高频r f i d 主流规范之一。 1 3 论文章节安排 第一章：绪论，主要介绍课题背景及意义、r f i d 系统的应用及国内外研究 现状，同时给出本论文的主要工作和内容结构。 第二章：介绍了不停车电子收费系统的概念和框架结构，简要的分析了其工 作流程，并总结出该系统中应用的关键技术：u h fr f i d 防碰撞技术和车型识别 技术。 第三章：介绍u h fr f i d 系统结构、基本工作原理和相关技术标准等，并对 三种超高频i 江i d 通信标准i s o l8 0 0 0 6 b c 进行对比和分析。 第四章：为了解决射频系统中的数据碰撞问题，介绍了u h fr i f d 系统中概 率型防碰撞算法：a l o h a 算法。主要包括纯a l o h a 算法、s l o t t e da l o h a 算 法、f s a 算法以及d f s a 算法，并从数学方法和使用m a t l a b 仿真平台进行仿真 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 这两方面对这些算法进行了说明。通过论证可知，现有的概率型防碰撞算法有一 定的缺点，识别效率普遍偏低，只是适用一些特殊的场合。 第五章：对现有的多标签防碰撞算法进行总结，重点对i s 0 1 8 0 0 0 6 b 标准 中的二进制搜索算法进行研究分析，并在此基础上提出一种改进的标签防碰撞算 法i r b s 算法，并对该算法进行仿真实验与理论分析，证明了该算法的优越性。 第六章：在i s 0 1 8 0 0 0 6 c 的主流防碰撞算法s r 算法的基础上结合o 值选择 算法来提出了一种改进算法i s r 算法，并通过m a t l a b 仿真软件进行了过程仿真， 得到了其性能曲线，仿真结果表明，改进的算法的效率更高。 第七章：研究了一种车型识别技术，包括对图像进行预处理分析、对车辆特 征参数进行提取等，并通过在m a t l a b 软件上的仿真，可以实现车型的识别。 第八章：结论部分，总结全文并对课题的下一步研究进行了展望。 基于u h fi 江m 的不停车收费系统关键技术的研究 第二章不停车收费系统的研究 2 1 不停车电子收费系统概述 不停车电子收费系统，简称e t c ，它是智能交通系统的重要内容，它是国 际上正努力开发并推广普及的一种用于道路、大桥和隧道的自动电子收费系统。 不停车电子收费系统是一种能实现不停车收费的全天候智能型分布式计算机控 制、处理系统。将先进的信息技术、电子通信技术、自动控制技术、计算机技术 以及网络技术等有机地运用于交通运输管理体系中【4 5 。 在不停车收费系统特别是高速公路自动收费应用上，u h fr f i d 技术可以充 分体现出它的优势，能让车辆高速通过并完成自动收费的同时，还可以解决原来 收费成本高、管理混乱以及停车排队引起的交通拥塞等问题。不停车收费的关键 是利用车载u h fr f i d 标签与车道阅读器之间通过无线电波进行数据交换、获取 车辆的类型和车辆信息等相关数据，并由计算机系统控制指挥车辆通行，其费用 通过计算机网络，从用户所在数据库中专用账号自动进行缴费1 4 5 。 当车辆通过e t c 时，系统自动完成所有车辆的登记、建档、收费的整个过 程，在不停车的情况下收集、传递、处理该汽车的各种信息，包括车牌号、车型、 车辆的颜色、银行的账号、车主信息等。图2 1 为不停车收费系统工作示意图。 图2 1e t c 系统工作示意图 对于高速公路自动收费系统，u h fr f i d 标签一般在车的挡风玻璃后面， r f i d 射频天线架设在道路上方，距离收费口5 0 m 1 0 0 m 的地方，当车辆进入天 啊 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 线感应区时，车上的电子标签可被上方的天线接收，启动阅读器和数码相机工作， 首先是判断车辆是否带有有效的射频标签，通过u h fr f i d 技术获得车辆的各种 信息，并由车道实时控制子系统将车道摄像机获取的车辆图像，经过数字化处理 后核对实际车牌号与u h fr f i d 标签内信息是否相符。若相符则为合法车辆，其 通行费通过计算机网络自动被扣除，可以用指示灯告诉司机收费完成，这样不用 停车就可以通过。 2 2 系统结构 图2 2 不停车电子收费系统结构层次图 采用三级网络结构：收费站级、路网管理中心级、路段管理中心级。当车辆 经过收费站车道时，由车道管理控制系统完成车辆数据采集和通行的实时管理控 制，收费站监控管理系统对各自收费车道过车数据进行采集、分类汇总和处理， 再将记录通过网络传送到收费站数据库服务器。收费车道管理控制系统是整个自 动收费系统的前端系统，采用智能型远距离非接触收费机，主要由车辆自动识别 装置( a v i ) 完成车辆身份的快速识别，该装置通过无线电波与i 讧i d 标签实现 高速数据交换，因而车辆通过收费车道时，可以不停车快速通过【4 5 1 。 e t c 系统的核心是车道控制系统。如图2 3 所示。 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 图2 - 3 车道控制系统结构图 车道控制系统是网络环境下不停车收费系统的核心，是一个重要的前端控制 系统。主要由车辆自动监测系统( a u t o m a t i cv e h i c l ed e t e c t i o n ，a v d ) 、车辆自 动识别系统( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n a v i ) 、车辆自动分类系统( a u t o m a t i c c l a s s i 6 c a t i o n ，a v c ) 、车辆逃费抓拍系统( v e d i oe n f o r c e m e n ts y s t e m ，v e s ) 、辅 助设备等组成【5 3 】。主要功能是：按照车道操作流程正确工作，并负责系统收费 信息的采集、处理和通行能力的实时控制，违章车辆的图像抓拍与处理，并按照 一定的规则整理成数据文件实时上传给收费站的计算机系统；对车道设备进行管 理与控制，使其作出必要的反应，并具有设备状态自检功能；当通信中断时具有 后备独立工作能力；为车辆通行提供控制信息等【4 5 1 。 车道控制系统其关键技术主要有以下几方面。本文主要介绍车辆的识别技 术。 ( 1 ) 车辆自动识别系统 完成车辆身份参数的快速自动识别，它使用装在车上的射频装置向收费站口 处的收费装置传送识别信息。如i d 号码，车型，车主等，以辨别车辆是否可以 通过不停车收费车道。其中射频技术中的关键技术又主要包括防碰撞技术、安全 与隐私防护等方面。 ( 2 ) 车辆自动分类系统 自动车型分类是不停车收费的关键，通过非接触方式获取车辆的物理特性从 而确定车辆的类型。在车辆到达收费点以前就完成车型分类的系统称为前分类系 统，简称a v c 系统。前分类系统是执行收费系统，后分类系统则用来核实所通 过车辆是否按照车型实施了正确的收费。 ( 3 ) 车辆自动监测系统 车辆自动监测系统，是电子收费系统中用于检测是否有车辆经过的各种装置 的总称。检测是否有车辆经过的目的，是为了给系统的某些操作提供触发或启动 信号，例如：启动摄像机拍照等。 ( 4 ) 抓拍系统 基于u h fr f i d 的不停车收费系统关键技术的研究 抓拍系统采用高速c c d 摄像机，利用视频图像捕获技术、车辆牌照识别技 术记录逃费车辆的外部信息，通过抓拍来实时处理并强制这些车辆完成收费。 2 3 系统的工作流程 车主到客户服务中心或者代理机构购置车载u h fr f i d 电子标签，缴纳储 值，由发行系统向电子标签输入车辆识别码与密码，并在数据库中存入该车辆的 全部有关信息( 如识别码、车牌号、车型、颜色、储值、车主姓名、电话等) 。 发行系统通过通信网将车主和车辆信息输入收费计算机系统。车主将电子标签贴 在车内前窗玻璃上即可【45 l 。 ( 1 ) 车辆进入通信范围时，首先压到触发线圈，启动阅读器和天线。 ( 2 ) 电子标签会被唤醒发出响应信号，阅读天线和电子标签进行通信。 ( 3 ) 判别车辆的电子标签是否有效，如有效则进行交易。 ( 4 ) 阅读器与电子标签建立通信，读取电子标签的信息如：电子标签编码、车 辆类型代码、入口收费站编码、经过入口收费站的日期和时间。 ( 5 ) 车辆控制系统接收电子标签发射的数据，分析出车辆的标识信息等。 ( 6 ) 根据电子标签编码核对车辆类型和收费金额，将电子标签号、车牌号、过 车时间、车道号等信息组成过车记录，上传到收费站监控系统。 ( 7 ) 接收收费站监控系统主机下传输的数据，对车道控制机中的相应信息进行 更新，这些信息包括黑名单、优惠名单等。 ( 8 ) 系统复位，等待下一收费车辆的到来。 银行收到汇总好的各公司的收费信息后，从各个用户的账号中，扣除通行费 和算出余额，拨入相应公司账号，与此同时，银行核对各用户账户剩余金额是否 低于预定的临界阈值，如低于，应及时通知用户补交，并将此名单下发给全体收 费站，如不补交金额继续通行，应将其归于无效电子标签，通知各个收费站，拒 绝无效电子标签在高速公路电子收费车道通行【5 2 。 2 4 本章小结 本章首先介绍了不停车电子收费系统的概念，其次提出一种由电子标签和阅 读器、车道实时控制子系统构成的不停车收费系统，介绍了其层次结构，然后分 析了不停车收费系统的工作流程，总结了不停车收费系统中的关键技术，为下面 的章节做出铺垫。 9 基于u h fr f d 的不停车收费系统关键技术的研究 第三章u h fi 江i d 系统介绍 在不停车收费系统特别是高速公路自动收费应用上，u h fr f i d 技术可以充 分体现出它的优势，即让车辆完成自动收费的同时，还可以解决原来收费成本高、 管理混乱以及停车排队引起的交通拥堵等问题。因为在这方面应用的电子标签要 求能够远距离和快速的识别，所以，阅读器和电子标签大都工作在超高频频段， 因此，对u h fr f i d 技术的研究是至关重要的。 3 1r f i d 技术标准介绍 在近年r f i d 技术的开发研究当中，有关r f i d 标准的研究空前热烈，虽然 目前r f i d 还没有形成统一的全球化标准，但随着全球物流等行业丌始对r f i d 系统大规模的应用，标准的统一化已经得到业界的广泛认同。目前国际上主要有 三大标准体系：美国的e p cg 1 0 b a l 标准体系、日本的u i d ( u b i q u i t o u si dc e n t e r ) 标准体系和国际标准化组织i s 0 i e c 标准体系【1 7 】。 e p cg 1 0 b a l 是由e a n 和u c c 共同组建的r f i d 标准研究机构，该机构于 2 0 0 4 年4 月公布了第一代r f i d 技术标准，包括超高频c 1 a s s 0 和c l a s s l 标准、 e p c 标签数据规格，以及物理标识语言内核规格，随后又推出了第二代标准( g e n 2 ) ，在e p c 系统中涉及到的标准包括：标签数据标准、第二代( g e n2 ) 空中 接口标准、阅读器管理、阅读器协议、数据传输协议、应用水平事件、应用接口、 安全规范和事件注册等【1 7 】。 日本u i d 标准和欧美的e p c 标准在使用的信息位数、无线频段和应用领域 等都有所不同，例如，日本的电子标签采用的频段是2 4 5 g h z 和1 3 5 6 m h z ：欧 美的e p c 标准采用u h f 频段，例如9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ；日本的电子标签信息 位数为1 2 8 位，e p c 标准的位数则为9 6 位；日本电子标签标准重点用于库存管 理、信息发送和接收、零部件的跟踪管理等，e p c 标准则侧重在库存管理、物流 管理【1 7 】。 i s o i e c 标准则是一种通用的国际标准，i s o 标准可以分为i s 0 1 0 5 3 6 、 i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 4 4 4 3 ( a 、b ) 、i s 0 1 8 0 0 0 - 6 ( a 、b 、c ) 协议。r f i d 应用标准是 在i 心i d 编码、空中接口协议、阅读器协议等基础标准之上，对于不同的适用对 象，确定标签大小、标签粘贴位置、数据内容格式、使用频段等方面做具体的规 范【1 9 1 。 在r f i d 系统标准中应用最多的标准是：i s 0 1 4 4 4 3 ( a 、b ) 、e p cc 1 a s sl 、 i s 0 1 8 0 0 0 一6 ( a 、b 、c ) 和i s 0 1 5 6 9 3 。这些标准都由通信协议( 包括防碰撞算 基于u h fi i d 的不停车收费系统关键技术的研究 法和传输协议) 物理性质( 包括工作频率、调制方式、发送方式和接收功率) 组 成。 3 2r f i d 系统频段划分 r f i d 系统的工作频率是射频识别技术最基本的参数之一，r f i d 系统归根到 底是一种无线电传播系统，它必须占用一定的空间通信信道，在空间通信信道中， 射频信号只能以电磁耦合或电磁反射的形式表现出来，因此，它的性能必然会受 到电磁波空间传输特性的影响。r f i d 系统的频段划分指的是阅读器通过天线发 送、接收并识别的标签信号的频率范围。根据工作频率的不同，r f i d 系统可以 分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波等。工作频率不同，其工作原 理和解决的问题也不相同【2 2 1 。表3 1 是工作于不同频段的r f i d 系统的对比。 表3 1 工作于不同频段的r f i d 系统的对比 频段划分典型工作频率波长通信机制典型通信距 离 低频( l f ) 1 2 5 1 3 4 k h z 约2 4 千米电磁耦合1 0 厘米 高频( h f ) l3 5 6 m h z 约2 0 米电磁耦合儿厘米到1 米 超高频 8 6 0 9 6 0m h z约3 3 厘米 电磁波发射儿米到1 0 ( u h f )米 微波 2 4 2 4 5g h z约1 2 厘米 电磁波发射几十米 l f 系统一般工作在1 0 0 5 0 0 k h z ，多用于近距离低成本的应用。h f 系统工 作在3 3 0 m h z ，其中1 3 5 6 m h z 的频率多用于门禁控制和需要传送大量数据的 场合。u h f 系统可以达到8 6 0 9 6 0 m h z ，甚至2 4 5 g h z 的微波频段，主要用在 距离长和较高的读写速度场合，如高速公路收费系统、集装箱自动识别。不同频 段的r f i d 的工作原理不同，l f 和h f 频段r f i d 电子标签一般采用电磁耦合原 理【l 引，即阅读器的天线相当于变压器的初级线圈，标签的天线相当于变压器的 次级线圈，通过空间磁场实现耦合，磁场在两个线圈之间形成闭合回路。这种耦 合方式适用于低频段近距离无接触的r f i d 系统。而u h f 以及微波频段的r f i d 系统采用电磁波发射原理【l5 l ，这种通信方式是天线将阅读器产生的射频信号以 电磁波的方式定向发送到空间范围中，位于区域内的标签才能获取能量，并通过 电子标签的内部电路及标签天线将标签内的数据信息传送到阅读器内。 目前超高频( u h f ) 及以上频段r f i