基于RFID的ETC系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

1.1 RFID簡介

　　無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)。該技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，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(shù)包括無線電射頻、計算機(jī)軟件硬件、編碼學(xué)和芯片加工技術(shù)等多種現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù)，是多種跨門類科學(xué)技術(shù)的綜合體。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)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(yīng)用不同其組成會有所不同，但基本的RFID系統(tǒng)都由電子標(biāo)簽、閱讀器和天線三部分組成。各部分功能如下：

　　(1)標(biāo)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(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信，每個標(biāo)簽具有惟一的電子編碼(EPC)，附著在要標(biāo)識的目標(biāo)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(shè)備進(jìn)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(biāo)簽信息的設(shè)備。它可將主機(jī)的讀寫命令傳送到電子標(biāo)簽，再把從主機(jī)發(fā)往電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)加密，將電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)解密后送到主機(jī)。

　　(3)天線：在標(biāo)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(yīng)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(shè)備的多樣性和復(fù)雜性，能夠為后臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供強(qiáng)大的支撐；應(yīng)用系統(tǒng)硬件(Application Hardware)；應(yīng)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(nèi)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(dāng)射頻識別卡放在讀出器的感應(yīng)范圍內(nèi)時，卡內(nèi)的線圈在“激發(fā)信號”的感應(yīng)下產(chǎn)生微弱電流作為卡內(nèi)集成芯片的電源?？ㄆ想姀?fù)位后，原本處于“休眠狀態(tài)”的卡片被激活并將含有自身種類識別碼標(biāo)志、制造商標(biāo)志等信息代碼調(diào)制到載波上，經(jīng)卡內(nèi)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(jìn)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(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)與主控機(jī)之間的信息交流，其原理框圖如圖1所示。

　　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(yīng)用在動物識別和商品流通等領(lǐng)域，高頻13.56 MHz系統(tǒng)一般應(yīng)用在公共交通和門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域。在UHF頻段(869 MHz，902～928 MHz)，系統(tǒng)的識別距離較遠(yuǎn)，可應(yīng)用在高速公路收費(fèi)、集裝箱識別和鐵路車輛的識別、跟蹤等業(yè)務(wù)中。微波2.45 GHz，無源標(biāo)簽一般可提供1 m左右的識別距離，有源標(biāo)簽也可以達(dá)到十幾米的識別距離。5.8 GHz系統(tǒng)主要應(yīng)用在交通領(lǐng)域，目前我國公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)暫行標(biāo)準(zhǔn)也把此頻段作為車輛識別的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。一般工作頻率較高則識別距離也較遠(yuǎn)，方向性也越強(qiáng)，但其穿透能力就越差。

　　1.3 RFID作為換代性標(biāo)識技術(shù)的優(yōu)點以及有待解決的問題

　　1.3.1 RFID技術(shù)的優(yōu)點

　　與傳統(tǒng)條形碼識別技術(shù)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(biāo)簽一進(jìn)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(jī)制，使之可同時處理多個標(biāo)簽，實現(xiàn)批量識別，最多同時識別可達(dá)50個／s，并能在運(yùn)動中進(jìn)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(zhì)。此外，RFID標(biāo)簽更可往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展，以應(yīng)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(xué)藥品等物質(zhì)具有很強(qiáng)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(biāo)是將數(shù)據(jù)存在芯片中，因此可以免受污損。

　　可重復(fù)使用 現(xiàn)今的條形碼印刷上去之后就無法更改，RFID標(biāo)簽則可以重復(fù)地新增、修改、刪除RFID卷標(biāo)內(nèi)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(zhì)，并能夠進(jìn)行穿透性通信。而條形碼掃描機(jī)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(kuò)大的趨勢。未來物品所需攜帶的信息量會越來越大，對卷標(biāo)所能擴(kuò)充容量的需求也相應(yīng)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(fù)40位的惟一識別內(nèi)碼，不可復(fù)制和更改。數(shù)據(jù)可以加密，扇區(qū)可以獨(dú)立一次鎖定，并能根據(jù)用戶鎖定重要信息。該技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的選擇。目前世界范圍內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一的有關(guān)電子標(biāo)簽(RFID)的標(biāo)準(zhǔn)。在我國的標(biāo)準(zhǔn)制定方面，國家標(biāo)準(zhǔn)委已經(jīng)聯(lián)合科技部、信息產(chǎn)業(yè)部以及上海標(biāo)準(zhǔn)化研究院等14家單位共同進(jìn)行中國RFID標(biāo)準(zhǔn)的研究，目前已完成對動物應(yīng)用RFID標(biāo)準(zhǔn)的草案，并由上海市推出了《動物電子標(biāo)示通用技術(shù)規(guī)范》，但該規(guī)范還只是初步形成，尚在不斷改進(jìn)中，而且要想短時期內(nèi)在全國范圍內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)簽中保存了一些數(shù)據(jù)，因此隱私保護(hù)成了一個非常重大的問題，甚至是影響商業(yè)應(yīng)用前途的關(guān)鍵點。由于電子標(biāo)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(yīng)答器即標(biāo)簽就會做出相同的反應(yīng)，傳輸相同的數(shù)據(jù)，這就會給不法分子造成可乘之機(jī)。

　　為了解決以上問題，就必須對ID的讀取進(jìn)行限制。目前最成功的就是采用加密的方式，在電子標(biāo)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(jìn)行調(diào)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(zhuǎn)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。