超高頻RFID車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究

　　RFID作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要技術(shù)，近年來以其低廉、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的智能車輛管理系統(tǒng)（即車聯(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)車輛的智能化識別、定位、跟蹤、測速、監(jiān)控和管理，以解決當(dāng)前嚴(yán)峻的道路擁堵、車輛超速超載、車輛盜竊及公務(wù)車管理等問題。

　　0 引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，我國居民汽車保有量逐年增加，劇增的車輛給當(dāng)今的車輛管理帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：汽車擁堵、車輛盜竊、車輛身份識別難、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；明晰車輛身份，使單位可以有效管理車輛進(jìn)出入；遏制車輛超速超載，保障車輛行駛安全；提升車輛“自衛(wèi)”等級，防范車輛盜竊；透明公務(wù)車身份信息，限制公務(wù)車私用？本文提出一種基于超高頻RFID、GSM、GIA 的智能車輛管理系統(tǒng)對上述問題的解決方案。本文的第2 部分?jǐn)⑹隽酥悄苘囕v管理系統(tǒng)在封閉的大學(xué)校園內(nèi)識別進(jìn)出入車輛身份，以加強(qiáng)對進(jìn)出、停放校園車輛的管理。第3 部分?jǐn)⑹隽酥悄苘囕v管理系統(tǒng)在開放的道路網(wǎng)中對道路信息進(jìn)行實(shí)時采集，以方便交通部門優(yōu)化交通流、合理配置道路資源；并對危特車輛進(jìn)行定位、測速、跟蹤、身份信息讀取。第4 部分結(jié)合當(dāng)前全軍及武警部隊更換新軍牌的形勢，提出了全國更換新型RFID智能車牌及運(yùn)用本智能車輛管理系統(tǒng)的設(shè)想，并闡述了本系統(tǒng)對當(dāng)前車輛管理難題的解決方案。

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

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

　　1.1 車輛身份識別系統(tǒng)現(xiàn)狀

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

　　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，識讀距離只有幾厘米。在實(shí)際使用中，車主需要將車輛停下來，搖下車窗，手持IC 卡伸出車窗外，進(jìn)行刷卡，再繼續(xù)進(jìn)出。這種車輛出入管理系統(tǒng)與上一種管理系統(tǒng)相比，在檢查期間耗費(fèi)的時間更長，且并未給車主帶來方便，尤其在雨雪天氣、酷熱天氣等氣候下使得車主更為不便；IC 卡車輛出入管理系統(tǒng)本質(zhì)上是需要停車的，不能實(shí)現(xiàn)更為先進(jìn)和人性化的無障礙自動出入。

　　1.2 系統(tǒng)組成

　　車輛管理系統(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)距離射頻識別技術(shù)，每部車輛上均安裝有預(yù)先在車輛進(jìn)出入系統(tǒng)注冊的有源RFID 智能牌照。

　　RFID 車牌儲存的信息包括車輛部門、車牌號、司機(jī)姓名以及身份證號。有源RFID 牌照會不斷地發(fā)射超高頻信號，當(dāng)安裝在出入口附近的遠(yuǎn)距離閱讀器接收到信號后，遠(yuǎn)距離讀卡器通過485（或者韋根）接口將卡信號發(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)動道閘開啟，允許車輛出入，否則不予放行。外來車輛由于沒有專屬本單位的牌照，車輛進(jìn)入有源識別區(qū)后智能道閘控制器沒有接收信息， 產(chǎn)生中斷信號， 此時智能道閘控制器發(fā)出警示命令， 語音設(shè)備提示駕駛員停車， 并到門衛(wèi)處登記， 同時自動啟動攝像機(jī)抓拍車輛有效信息（車牌號碼）。此時，駕駛員需要配合門衛(wèi)到門衛(wèi)室登記，之后由門衛(wèi)通過無線遙控裝置操作智能道閘控制器開啟道閘。校園的每個大門的門衛(wèi)室作為系統(tǒng)分控點(diǎn)，由計算機(jī)實(shí)時記錄車輛出入記錄，包括出入時間、車輛部門、車主信息。

　　1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　本車輛管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

　?。?）遠(yuǎn)距離：閱讀距離10 m 以內(nèi)可輕松實(shí)現(xiàn)。由于車輛門禁的實(shí)際要求，讀卡距離不宜過長。本方案無須人工靠近刷卡或要在指定區(qū)域內(nèi)通過才能識別，實(shí)現(xiàn)全自動識別，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題，因而在高峰時間可有效緩解出入庫車輛過多、排隊刷卡帶來的堵塞問題。

　?。?）運(yùn)行穩(wěn)定：遠(yuǎn)距離閱讀器閱讀距離穩(wěn)定，不易受周邊環(huán)境影響。有源RFID 可以有效突破汽車防爆金屬網(wǎng)的屏蔽作用，順利與閱讀器交換數(shù)據(jù)。

　　（3） 可靠性高：環(huán)境溫度-40 ~ 85℃內(nèi)能完全正常運(yùn)行，尤其是在北方低溫和南方高溫狀態(tài)下更顯優(yōu)勢，可以有效抵抗空氣中的灰塵和污染物。

　　（4） 高抗干擾：對現(xiàn)場各種干擾源無特殊要求，安裝方便簡單。

　?。?） 超低功耗：使用壽命長，平均成本低，并且對人體安全、更健康，無輻射損害。

　?。?） 防沖突性： 先進(jìn)的防碰撞技術(shù)，可每秒同時識別上百個標(biāo)簽。
應(yīng)用于開放道路網(wǎng)的車輛定位及測速子系統(tǒng)#e#

　　2 應(yīng)用于開放道路網(wǎng)的車輛定位及測速子系統(tǒng)

　　2.1 需求分析

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

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

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

　　2.2 車輛定位現(xiàn)狀及對比

　　在目前的車輛定位系統(tǒng)中，典型的車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輛定位。

　　這是一種基于移動站的定位方法，即車載定位設(shè)備向車輛提供位置信息，然后車輛通過無線通信將得到的位置信息上報給車輛管理系統(tǒng)。這種由被定位物體主動發(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)，可能會出現(xiàn)暫時的定位盲點(diǎn)。

　　2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

　　該系統(tǒng)主要由裝有RFID 智能車牌的車輛、數(shù)據(jù)無線收發(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 所示是一種車輛定位及測速系統(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)簽的方法獲取車輛的身份信息，采用基于TODA 的多基站無線定位方法獲取車輛的位置信息，通過對車輛移動產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行處理的方法，獲取車輛的速度信息。每一個RFID 車牌都存儲了該車輛的車牌號、車輛用途、最大載貨量、最大載客量、車主姓名及身份證號等信息。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)。每個數(shù)據(jù)無線收發(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，處于節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的RFID智能車牌收到此命令，經(jīng)過認(rèn)證，如果正確的話，將按命令的要求把自己的UID發(fā)送過去，數(shù)據(jù)無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)接到此信息，對其進(jìn)行解調(diào)和解碼得出該車輛身份信息，通過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。基于多基站無線定位的方法是由無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)主動獲取車輛位置信息，利用接受信號強(qiáng)度（RSSI）、到達(dá)時間（TOA）、到達(dá)時間差（TDOA）定位。第一步估計過程中，采用魯棒性估計方法，可以減小其對估計值的影響。

　　在第一步估計的基礎(chǔ)上，找到與RFID 智能車牌距離最近的3個數(shù)據(jù)無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用這3 個節(jié)點(diǎn)的TDOA 值進(jìn)行第二次定位，從而得出車輛的位置信息，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輛的運(yùn)行軌跡。通過對由車輛移動所產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行實(shí)時估計，數(shù)據(jù)處理可以對該車輛進(jìn)行實(shí)時測速。

　　3 應(yīng)用展望

　　日前，全軍和武警部隊從2013 年5 月1 日起統(tǒng)一使用新式軍車號牌。這次更換新式軍車號牌，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，加大了對制造、販賣、使用假冒軍車號牌的打擊力度，從源頭上根治軍車管理中存在的突出問題。

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

　　3.1 超速

　　目前，交警部門治理超速主要通過在一些不確定地點(diǎn)安放測速儀，對超速車輛抓拍并進(jìn)行相應(yīng)處罰來約束司機(jī)們的超速行為，但這為數(shù)不多的測速儀監(jiān)控力度小、范圍小，無法從根兒上觸動司機(jī)們的僥幸心理。如果全國車牌都換成基于RFID 的智能車牌，并在各個路段裝有數(shù)據(jù)無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)，那么任何車輛將處于全天候、全地域的無所不在的測速網(wǎng)絡(luò)中，先進(jìn)的技術(shù)及無死角、無盲區(qū)的測速網(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 盜車犯罪

　　近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車的保有量也迅速增加，由此汽車引起犯罪分子的“重視”，且盜車犯罪日益猖獗，其犯罪手段也日益高明。盜車犯罪損害國家和人民的財產(chǎn)利益，如何改進(jìn)技術(shù)，不給小偷可乘之機(jī)呢？針對此類犯罪事件，除了裝配智能車牌外，還需要在汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)部貼附電子標(biāo)簽，作為車輛識別輔助工具。如果小偷盜竊汽車后沒有損毀智能車牌，那么該車輛將處于實(shí)時監(jiān)控中，公安部門采用車輛精準(zhǔn)定位，即可將其抓獲。假如小偷比較“高明”些，在偷竊車輛后，損毀了智能車牌，以為就此可以逃脫法網(wǎng)。這時貼附在發(fā)動機(jī)上的電子標(biāo)簽作為車輛識別輔助工具將發(fā)揮作用，其功能和智能車牌上的電子標(biāo)簽相同，被盜車輛仍然處于實(shí)時監(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，發(fā)動機(jī)將無法正常工作。此項(xiàng)技術(shù)采用后，小偷無論將車運(yùn)到哪里，都無法逃脫公安部門的監(jiān)控，無法逃脫法網(wǎng)。

　　3.3 公務(wù)用車

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

　　紀(jì)檢部門可以在旅游區(qū)、酒店等娛樂場所周圍安置RFID 閱讀器，其閱讀距離可調(diào)至3 km.當(dāng)一些違紀(jì)公務(wù)人員駕公車來此消費(fèi)時，其公車信息將會被記錄，并通過CDMA 無線傳輸至紀(jì)檢部門的數(shù)據(jù)處理中心，為紀(jì)檢部門執(zhí)法提供證據(jù)。此方法可以有力地約束公車私用。

　　4 結(jié) 語

　　本文提出了基于RFID 的智能車輛管理系統(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)域的身份識別及管理子系統(tǒng)和應(yīng)用于開放道路網(wǎng)中的定位及測速子系統(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題，實(shí)現(xiàn)了多站實(shí)時監(jiān)控、智能報警、自動巡檢等功能，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)通過中國電科院相關(guān)資質(zhì)檢測，檢測結(jié)果表明本系統(tǒng)立足工程實(shí)際，在滿足變電站通信規(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。