超高頻RFID車聯(lián)網系統(tǒng)研究

　　RFID作為物聯(lián)網中的重要技術，近年來以其低廉、安全、高效的特點得到廣泛的關注和研究。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）。該系統(tǒng)由RFID硬件系統(tǒng)、CDMA系統(tǒng)、GIA系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)構成，可以實現車輛的智能化識別、定位、跟蹤、測速、監(jiān)控和管理，以解決當前嚴峻的道路擁堵、車輛超速超載、車輛盜竊及公務車管理等問題。

　　0 引言

　　隨著經濟和技術的發(fā)展，我國居民汽車保有量逐年增加，劇增的車輛給當今的車輛管理帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)：汽車擁堵、車輛盜竊、車輛身份識別難、由超速導致的交通事故頻發(fā)。如何能運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；透明公務車身份信息，限制公務車私用？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 部分敘述了智能車輛管理系統(tǒng)在封閉的大學校園內識別進出入車輛身份，以加強對進出、停放校園車輛的管理。第3 部分敘述了智能車輛管理系統(tǒng)在開放的道路網中對道路信息進行實時采集，以方便交通部門優(yōu)化交通流、合理配置道路資源；并對危特車輛進行定位、測速、跟蹤、身份信息讀取。第4 部分結合當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智能車牌及運用本智能車輛管理系統(tǒng)的設想，并闡述了本系統(tǒng)對當前車輛管理難題的解決方案。

　　1 應用于封閉區(qū)域的車輛身份識別及管理子系統(tǒng)

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

　　1.1 車輛身份識別系統(tǒng)現狀

　　目前，一部分大學的車輛管理采用人工判別：即校方給本單位的車輛發(fā)放紙質標識牌，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手段防偽，為偽造標識牌埋下了隱患。

　　另一部分大學采用一種感應式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、經久耐用等特點，但這種傳統(tǒng)的IC 卡本身是一種近距離感應卡，識讀距離只有幾厘米。在實際使用中，車主需要將車輛停下來，搖下車窗，手持IC 卡伸出車窗外，進行刷卡，再繼續(xù)進出。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)本質上是需要停車的，不能實現更為先進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、遠距離閱讀器、通道控制器、道閘）、圖像抓拍模塊、計算機及軟件管理系統(tǒng)構成。

　　1.3 工作原理

　　本系統(tǒng)采用UHF 遠距離射頻識別技術，每部車輛上均安裝有預先在車輛進出入系統(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，當安裝在出入口附近的遠距離閱讀器接收到信號后，遠距離讀卡器通過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，車輛進入有源識別區(qū)后智能道閘控制器沒有接收信息， 產生中斷信號， 此時智能道閘控制器發(fā)出警示命令， 語音設備提示駕駛員停車， 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，由計算機實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

　　本車輛管理系統(tǒng)的主要特點如下：

　　（1）遠距離：閱讀距離10 m 以內可輕松實現。由于車輛門禁的實際要求，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)域內通過才能識別，實現全自動識別，可以避免在惡劣天氣下司機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。

　?。?）運行穩(wěn)定：遠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的屏蔽作用，順利與閱讀器交換數據。

　?。?） 可靠性高：環(huán)境溫度-40 ~ 85℃內能完全正常運行，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。

　?。?） 高抗干擾：對現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： 先進的防碰撞技術，可每秒同時識別上百個標簽。
應用于開放道路網的車輛定位及測速子系統(tǒng)#e#

　　2 應用于開放道路網的車輛定位及測速子系統(tǒng)

　　2.1 需求分析

　　隨著經濟和汽車技術的發(fā)展， 現在擁有汽車的居民越來越多， 堵車現象也越來越嚴重，堵車不僅浪費了大家寶貴的時間，也使交通事故頻發(fā)。如何充分利用路網、縮短車輛運行時間、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)績的不斷擴大，配送及運營所需的車輛逐漸增多，跑私活、干私事、外出車輛的風險管控、超速控制、區(qū)域報警等相關功能越來越受到企業(yè)管理者的關注。

　　在此基礎上，智能車輛管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)--車輛定位及測速系統(tǒng)--應運而生。

　　2.2 車輛定位現狀及對比

　　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)運行成本高的缺點，并且在城市高樓區(qū)、高架橋下、林蔭道及隧道內，可能會出現暫時的定位盲點。

　　2.3 系統(tǒng)構成

　　該系統(tǒng)主要由裝有RFID 智能車牌的車輛、數據無線收發(fā)節(jié)點（RFID 遠距離閱讀器）、CDMA 模塊、GIA 系統(tǒng)、數據處理單元、數據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)運行原理

　　該系統(tǒng)基于讀取RFID 電子標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，通過對車輛移動產生的多普勒頻移進行處理的方法，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。根據不同地區(qū)的建筑特點和交通流量裝有 一定數量的數據無線收發(fā)節(jié)點，以期獲得資源的最大利用，減少節(jié)點布置的浪費。每個數據無線收發(fā)節(jié)點按一定頻率定向發(fā)送已經編碼和調制的命令信號，處于節(jié)點覆蓋范圍內的RFID智能車牌收到此命令，經過認證，如果正確的話，將按命令的要求把自己的UID發(fā)送過去，數據無線收發(fā)節(jié)點接到此信息，對其進行解調和解碼得出該車輛身份信息，通過CDMA 模塊將其發(fā)送至數據處理單元，再由數據處理單元發(fā)送至城市數據處理及控制中心?；诙嗷緹o線定位的方法是由無線數據收發(fā)節(jié)點主動獲取車輛位置信息，利用接受信號強度（RSSI）、到達時間（TOA）、到達時間差（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上，找到與RFID 智能車牌距離最近的3個數據無線收發(fā)節(jié)點，應用這3 個節(jié)點的TDOA 值進行第二次定位，從而得出車輛的位置信息，并傳輸到數據處理及控制中心，數據處理及控制中心根據得到的信息便可大致描繪出該車輛的運行軌跡。通過對由車輛移動所產生的多普勒頻移進行實時估計，數據處理可以對該車輛進行實時測速。

　　3 應用展望

　　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，重點落實“防造假、防濫發(fā)、防亂掛、防丟失、防盜用”。充分運用信息技術，嚴格牌證審批、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。

　　假如順應當前軍牌更換的潮流，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安放測速儀，對超速車輛抓拍并進行相應處罰來約束司機們的超速行為，但這為數不多的測速儀監(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據無線收發(fā)節(jié)點，那么任何車輛將處于全天候、全地域的無所不在的測速網絡中，先進的技術及無死角、無盲區(qū)的測速網從根本上規(guī)范和剔除了駕駛員的僥幸心理，從而引導駕駛員遵守交通規(guī)則。

　　3.2 盜車犯罪

　　近年來，隨著經濟的快速發(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利益，如何改進技術，不給小偷可乘之機呢？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)動機內部貼附電子標簽，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時監(jiān)控中，公安部門采用車輛精準定位，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。這時貼附在發(fā)動機上的電子標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簽相同，被盜車輛仍然處于實時監(jiān)控中，并且由于輔助電子標簽的結構及貼附位置的特殊，當其被損毀時，發(fā)動機將無法正常工作。此項技術采用后，小偷無論將車運到哪里，都無法逃脫公安部門的監(jiān)控，無法逃脫法網。

　　3.3 公務用車

　　當前的公車問題主要是公車私用現象嚴重［9］。長期以來，公車旅游、公車接送子女上下學的現象時有發(fā)生，不僅敗壞社會風氣，損害黨政機關和干部的自身形象，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識符（UID），其余部分可存儲512 B ~ 4 MB的信息。當為公務車更換新車牌時，車牌上除記錄基本身份信息外，還可記錄車輛類別（公務用車）、工作單位等信息。

　　紀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，其閱讀距離可調至3 km.當一些違紀公務人員駕公車來此消費時，其公車信息將會被記錄，并通過CDMA 無線傳輸至紀檢部門的數據處理中心，為紀檢部門執(zhí)法提供證據。此方法可以有力地約束公車私用。

　　4 結 語

　　本文提出了基于RFID 的智能車輛管理系統(tǒng)，并根據不同環(huán)境的需求分別闡述了應用于大學等封閉區(qū)域的身份識別及管理子系統(tǒng)和應用于開放道路網中的定位及測速子系統(tǒng)的構化的有力支撐。系統(tǒng)利用物聯(lián)網技術，解決了多站數據統(tǒng)一、多站一體化管理等問題，實現了多站實時監(jiān)控、智能報警、自動巡檢等功能，為調控一體化管理模式的推行提供了實際參考。系統(tǒng)已經通過中國電科院相關資質檢測，檢測結果表明本系統(tǒng)立足工程實際，在滿足變電站通信規(guī)約前提下，實現了預期的功能，架構先進、安全性好、可靠性高、兼容性強、管控變電站數量靈活。