基于RFID的ETC系統設計應用

1.1 RFID簡(jiǎn)介

　　無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是20世紀90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識別技術(shù)。該技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)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(shí)現對被識別物體的自動(dòng)識別。其核心技術(shù)包括無(wú)線(xiàn)電射頻、計算機軟件硬件、編碼學(xué)和芯片加工技術(shù)等多種現代高新科學(xué)技術(shù)，是多種跨門(mén)類(lèi)科學(xué)技術(shù)的綜合體。被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、現代服務(wù)業(yè)、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。

　　1.2 RFID的系統組成及工作原理和工作頻率

　　RFID系統因應用不同其組成會(huì )有所不同，但基本的RFID系統都由電子標簽、閱讀器和天線(xiàn)三部分組成。各部分功能如下：

　　(1)標簽(Tag，即射頻卡)：也稱(chēng)為非接觸IC卡、ID卡、RF卡等，由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線(xiàn)，用于和射頻天線(xiàn)間進(jìn)行通信，每個(gè)標簽具有惟一的電子編碼(EPC)，附著(zhù)在要標識的目標物體上。它具有智能讀寫(xiě)和加密通信的功能，它通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波與讀寫(xiě)設備進(jìn)行數據交換，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(chēng)讀寫(xiě)器、讀出裝置等，是用來(lái)讀取(在讀寫(xiě)卡中還可以寫(xiě)入)標簽信息的設備。它可將主機的讀寫(xiě)命令傳送到電子標簽，再把從主機發(fā)往電子標簽的數據加密，將電子標簽返回的數據解密后送到主機。

　　(3)天線(xiàn)：在標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(xiàn)、八木天線(xiàn)和陣列天線(xiàn)等。

　　此外，一個(gè)完整的RFID應用系統還包括：中間件(Application Interface)，又稱(chēng)RFID管理軟件，它屏蔽了RFID設備的多樣性和復雜性，能夠為后臺業(yè)務(wù)系統提供強大的支撐；應用系統硬件(Application Hardware)；應用系統軟件(Application Software)，記錄數據、實(shí)現企業(yè)管理功能等。

　　典型的射頻識別系統的工作原理如下：系統通電工作后，讀出器通過(guò)其內部的線(xiàn)圈周期性地發(fā)出一個(gè)固有頻率的電磁波(激發(fā)信號)。當射頻識別卡放在讀出器的感應范圍內時(shí)，卡內的線(xiàn)圈在“激發(fā)信號”的感應下產(chǎn)生微弱電流作為卡內集成芯片的電源?？ㄆ想姀臀缓?，原本處于“休眠狀態(tài)”的卡片被激活并將含有自身種類(lèi)識別碼標志、制造商標志等信息代碼調制到載波上，經(jīng)卡內天線(xiàn)發(fā)射出去。讀卡模塊將接收到的無(wú)線(xiàn)信號傳給現場(chǎng)控制器，由現場(chǎng)控制器進(jìn)行信號處理并對執行裝置發(fā)出指令。讀出器采用微處理器控制，通過(guò)韋根一485轉換模塊實(shí)現與主控機之間的信息交流，其原理框圖如圖1所示。

　　NFID系統的工作頻率主要有：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系統主要應用在動(dòng)物識別和商品流通等領(lǐng)域，高頻13.56 MHz系統一般應用在公共交通和門(mén)禁系統等領(lǐng)域。在UHF頻段(869 MHz，902～928 MHz)，系統的識別距離較遠，可應用在高速公路收費、集裝箱識別和鐵路車(chē)輛的識別、跟蹤等業(yè)務(wù)中。微波2.45 GHz，無(wú)源標簽一般可提供1 m左右的識別距離，有源標簽也可以達到十幾米的識別距離。5.8 GHz系統主要應用在交通領(lǐng)域，目前我國公路聯(lián)網(wǎng)收費系統暫行標準也把此頻段作為車(chē)輛識別的系統標準。一般工作頻率較高則識別距離也較遠，方向性也越強，但其穿透能力就越差。

　　1.3 RFID作為換代性標識技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及有待解決的問(wèn)題

　　1.3.1 RFID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

　　與傳統條形碼識別技術(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(gè)條形碼；而RFID采用的是非接觸方式，無(wú)方向性要求，標簽一進(jìn)入磁場(chǎng)，解讀器就可以即時(shí)讀取其中的信息，通常在幾毫秒就完成一次讀寫(xiě)，采用防沖撞機制，使之可同時(shí)處理多個(gè)標簽，實(shí)現批量識別，最多同時(shí)識別可達50個(gè)／s，并能在運動(dòng)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標簽更可往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展，以應用于不同產(chǎn)品。

　　抗污染能力和耐久性 傳統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卷標是將數據存在芯片中，因此可以免受污損。

　　可重復使用 現今的條形碼印刷上去之后就無(wú)法更改，RFID標簽則可以重復地新增、修改、刪除RFID卷標內儲存的數據，方便信息的更新。

　　穿透性和無(wú)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。而條形碼掃描機必須在近距離而且沒(méi)有物體阻擋的情況下，才可以辨讀條形碼。

　　數據的記憶容量大 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(zhù)記憶載體的發(fā)展，數據容量也有不斷擴大的趨勢。未來(lái)物品所需攜帶的信息量會(huì )越來(lái)越大，對卷標所能擴充容量的需求也相應增加。

　　安全性 RFID是按照國際統一的電子產(chǎn)品代碼的編碼制在出廠(chǎng)前就固化在芯片中的，不重復40位的惟一識別內碼，不可復制和更改。數據可以加密，扇區可以獨立一次鎖定，并能根據用戶(hù)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系統中待解決的問(wèn)題

　　(1)RFID編碼標準的選擇。目前世界范圍內還沒(méi)有形成統一的有關(guān)電子標簽(RFID)的標準。在我國的標準制定方面，國家標準委已經(jīng)聯(lián)合科技部、信息產(chǎn)業(yè)部以及上海標準化研究院等14家單位共同進(jìn)行中國RFID標準的研究，目前已完成對動(dòng)物應用RFID標準的草案，并由上海市推出了《動(dòng)物電子標示通用技術(shù)規范》，但該規范還只是初步形成，尚在不斷改進(jìn)中，而且要想短時(shí)期內在全國范圍內推廣還有一定難度。而除畜牧業(yè)以外的其他種類(lèi)農產(chǎn)品的RFID標準仍有待研究。

　　(2)RFID的信息安全問(wèn)題。RFID的數據安全性問(wèn)題也是一個(gè)引人注目的話(huà)題。由于電子標簽中保存了一些數據，因此隱私保護成了一個(gè)非常重大的問(wèn)題，甚至是影響商業(yè)應用前途的關(guān)鍵點(diǎn)。由于電子標簽數據的讀取是由閱讀器發(fā)射無(wú)線(xiàn)射頻觸發(fā)的，也就是說(shuō)，只要閱讀器的發(fā)射頻率相同，應答器即標簽就會(huì )做出相同的反應，傳輸相同的數據，這就會(huì )給不法分子造成可乘之機。

　　為了解決以上問(wèn)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，在電子標簽中嵌入加密就可以將實(shí)時(shí)監控數據寫(xiě)入數據庫中。如果有的系統參數工作處于非正常狀態(tài)，則必須在界面中給出警告信息，并對監控系統進(jìn)行調控。為了使用戶(hù)便于觀(guān)察和直觀(guān)的理解，需要將采集到的數據轉換成一種直觀(guān)的、易于為用戶(hù)接受的形式顯示出來(lái)，即將數據以圖表的形式表示出來(lái)。VC中的GUI可以很方便地支持實(shí)現以圖表形式表示。