超高頻RFID車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統研究

　　RFID作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要技術(shù)，近年來(lái)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(chē)輛管理系統（即車(chē)聯(lián)網(wǎng)）。該系統由RFID硬件系統、CDMA系統、GIA系統、數據處理系統構成，可以實(shí)現車(chē)輛的智能化識別、定位、跟蹤、測速、監控和管理，以解決當前嚴峻的道路擁堵、車(chē)輛超速超載、車(chē)輛盜竊及公務(wù)車(chē)管理等問(wèn)題。

　　0 引言

　　隨著(zhù)經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，我國居民汽車(chē)保有量逐年增加，劇增的車(chē)輛給當今的車(chē)輛管理帶來(lái)了嚴峻的挑戰：汽車(chē)擁堵、車(chē)輛盜竊、車(chē)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(chē)輛身份，使單位可以有效管理車(chē)輛進(jìn)出入；遏制車(chē)輛超速超載，保障車(chē)輛行駛安全；提升車(chē)輛“自衛”等級，防范車(chē)輛盜竊；透明公務(wù)車(chē)身份信息，限制公務(wù)車(chē)私用？本文提出一種基于超高頻RFID、GSM、GIA 的智能車(chē)輛管理系統對上述問(wèn)題的解決方案。本文的第2 部分敘述了智能車(chē)輛管理系統在封閉的大學(xué)校園內識別進(jìn)出入車(chē)輛身份，以加強對進(jìn)出、停放校園車(chē)輛的管理。第3 部分敘述了智能車(chē)輛管理系統在開(kāi)放的道路網(wǎng)中對道路信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以方便交通部門(mén)優(yōu)化交通流、合理配置道路資源；并對危特車(chē)輛進(jìn)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(chē)牌及運用本智能車(chē)輛管理系統的設想，并闡述了本系統對當前車(chē)輛管理難題的解決方案。

　　1 應用于封閉區域的車(chē)輛身份識別及管理子系統

　　大學(xué)是個(gè)相對開(kāi)放的環(huán)境，大學(xué)區域內車(chē)輛的復雜性和車(chē)輛管理的分散性給大學(xué)師生的生命和財產(chǎn)安全帶來(lái)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，加強對進(jìn)出、停放校園車(chē)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(chē)輛身份識別系統現狀

　　目前，一部分大學(xué)的車(chē)輛管理采用人工判別：即校方給本單位的車(chē)輛發(fā)放紙質(zhì)標識牌，由門(mén)衛鑒別出入車(chē)輛是否屬于本單位，外來(lái)車(chē)輛到指定地點(diǎn)辦理臨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)手續。此方式不僅效率低，檢查延誤時(shí)間長(cháng)，更因其沒(méi)有采用技術(shù)手段防偽，為偽造標識牌埋下了隱患。

　　另一部分大學(xué)采用一種感應式IC 卡出入管理系統。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(shí)際使用中，車(chē)主需要將車(chē)輛停下來(lái)，搖下車(chē)窗，手持IC 卡伸出車(chē)窗外，進(jìn)行刷卡，再繼續進(jìn)出。這種車(chē)輛出入管理系統與上一種管理系統相比，在檢查期間耗費的時(shí)間更長(cháng)，且并未給車(chē)主帶來(lái)方便，尤其在雨雪天氣、酷熱天氣等氣候下使得車(chē)主更為不便；IC 卡車(chē)輛出入管理系統本質(zhì)上是需要停車(chē)的，不能實(shí)現更為先進(jìn)和人性化的無(wú)障礙自動(dòng)出入。

　　1.2 系統組成

　　車(chē)輛管理系統主要由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構成。

　　1.3 工作原理

　　本系統采用UHF 遠距離射頻識別技術(shù)，每部車(chē)輛上均安裝有預先在車(chē)輛進(jìn)出入系統注冊的有源RFID 智能牌照。

　　RFID 車(chē)牌儲存的信息包括車(chē)輛部門(mén)、車(chē)牌號、司機姓名以及身份證號。有源RFID 牌照會(huì )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(guò)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(dòng)道閘開(kāi)啟，允許車(chē)輛出入，否則不予放行。外來(lái)車(chē)輛由于沒(méi)有專(zhuān)屬本單位的牌照，車(chē)輛進(jìn)入有源識別區后智能道閘控制器沒(méi)有接收信息， 產(chǎn)生中斷信號， 此時(shí)智能道閘控制器發(fā)出警示命令， 語(yǔ)音設備提示駕駛員停車(chē)， 并到門(mén)衛處登記， 同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)攝像機抓拍車(chē)輛有效信息（車(chē)牌號碼）。此時(shí)，駕駛員需要配合門(mén)衛到門(mén)衛室登記，之后由門(mén)衛通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控裝置操作智能道閘控制器開(kāi)啟道閘。校園的每個(gè)大門(mén)的門(mén)衛室作為系統分控點(diǎn)，由計算機實(shí)時(shí)記錄車(chē)輛出入記錄，包括出入時(shí)間、車(chē)輛部門(mén)、車(chē)主信息。

　　1.4 系統特點(diǎn)

　　本車(chē)輛管理系統的主要特點(diǎn)如下：

　?。?）遠距離：閱讀距離10 m 以?xún)瓤奢p松實(shí)現。由于車(chē)輛門(mén)禁的實(shí)際要求，讀卡距離不宜過(guò)長(cháng)。本方案無(wú)須人工靠近刷卡或要在指定區域內通過(guò)才能識別，實(shí)現全自動(dòng)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(wèn)題，因而在高峰時(shí)間可有效緩解出入庫車(chē)輛過(guò)多、排隊刷卡帶來(lái)的堵塞問(wèn)題。

　?。?）運行穩定：遠距離閱讀器閱讀距離穩定，不易受周邊環(huán)境影響。有源RFID 可以有效突破汽車(chē)防爆金屬網(wǎng)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(chǎng)各種干擾源無(wú)特殊要求，安裝方便簡(jiǎn)單。

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

　?。?） 防沖突性： 先進(jìn)的防碰撞技術(shù)，可每秒同時(shí)識別上百個(gè)標簽。
應用于開(kāi)放道路網(wǎng)的車(chē)輛定位及測速子系統#e#

　　2 應用于開(kāi)放道路網(wǎng)的車(chē)輛定位及測速子系統

　　2.1 需求分析

　　隨著(zhù)經(jīng)濟和汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展， 現在擁有汽車(chē)的居民越來(lái)越多， 堵車(chē)現象也越來(lái)越嚴重，堵車(chē)不僅浪費了大家寶貴的時(shí)間，也使交通事故頻發(fā)。如何充分利用路網(wǎng)、縮短車(chē)輛運行時(shí)間、降低行車(chē)延誤、保障行車(chē)安全、提高道路通行能力等道路資源優(yōu)化問(wèn)題成為當前每個(gè)城市需要解決的重要課題。

　　另外，隨著(zhù)企業(yè)規模及業(yè)績(jì)的不斷擴大，配送及運營(yíng)所需的車(chē)輛逐漸增多，跑私活、干私事、外出車(chē)輛的風(fēng)險管控、超速控制、區域報警等相關(guān)功能越來(lái)越受到企業(yè)管理者的關(guān)注。

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

　　2.2 車(chē)輛定位現狀及對比

　　在目前的車(chē)輛定位系統中，典型的車(chē)輛位置信息獲取方法主要是基于GPS 全球定位系統與加速度傳感器的車(chē)輛定位。

　　這是一種基于移動(dòng)站的定位方法，即車(chē)載定位設備向車(chē)輛提供位置信息，然后車(chē)輛通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信將得到的位置信息上報給車(chē)輛管理系統。這種由被定位物體主動(dòng)發(fā)送位置信息的方法具有占用通信資源多、系統運行成本高的缺點(diǎn)，并且在城市高樓區、高架橋下、林蔭道及隧道內，可能會(huì )出現暫時(shí)的定位盲點(diǎn)。

　　2.3 系統構成

　　該系統主要由裝有RFID 智能車(chē)牌的車(chē)輛、數據無(wú)線(xiàn)收發(fā)節點(diǎn)（RFID 遠距離閱讀器）、CDMA 模塊、GIA 系統、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(chē)輛定位及測速系統的示意圖。

　　2.4 系統運行原理

　　該系統基于讀取RFID 電子標簽的方法獲取車(chē)輛的身份信息，采用基于TODA 的多基站無(wú)線(xiàn)定位方法獲取車(chē)輛的位置信息，通過(guò)對車(chē)輛移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行處理的方法，獲取車(chē)輛的速度信息。每一個(gè)RFID 車(chē)牌都存儲了該車(chē)輛的車(chē)牌號、車(chē)輛用途、最大載貨量、最大載客量、車(chē)主姓名及身份證號等信息。根據不同地區的建筑特點(diǎn)和交通流量裝有 一定數量的數據無(wú)線(xiàn)收發(fā)節點(diǎn)，以期獲得資源的最大利用，減少節點(diǎn)布置的浪費。每個(gè)數據無(wú)線(xiàn)收發(fā)節點(diǎn)按一定頻率定向發(fā)送已經(jīng)編碼和調制的命令信號，處于節點(diǎn)覆蓋范圍內的RFID智能車(chē)牌收到此命令，經(jīng)過(guò)認證，如果正確的話(huà)，將按命令的要求把自己的UID發(fā)送過(guò)去，數據無(wú)線(xiàn)收發(fā)節點(diǎn)接到此信息，對其進(jìn)行解調和解碼得出該車(chē)輛身份信息，通過(guò)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(wú)線(xiàn)定位的方法是由無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)節點(diǎn)主動(dòng)獲取車(chē)輛位置信息，利用接受信號強度（RSSI）、到達時(shí)間（TOA）、到達時(shí)間差（TDOA）定位。第一步估計過(guò)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(chē)牌距離最近的3個(gè)數據無(wú)線(xiàn)收發(fā)節點(diǎn)，應用這3 個(gè)節點(diǎn)的TDOA 值進(jìn)行第二次定位，從而得出車(chē)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(chē)輛的運行軌跡。通過(guò)對由車(chē)輛移動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行實(shí)時(shí)估計，數據處理可以對該車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)測速。

　　3 應用展望

　　日前，全軍和武警部隊從2013 年5 月1 日起統一使用新式軍車(chē)號牌。這次更換新式軍車(chē)號牌，重點(diǎn)落實(shí)“防造假、防濫發(fā)、防亂掛、防丟失、防盜用”。充分運用信息技術(shù)，嚴格牌證審批、核發(fā)、使用的全過(guò)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(mài)、使用假冒軍車(chē)號牌的打擊力度，從源頭上根治軍車(chē)管理中存在的突出問(wèn)題。

　　假如順應當前軍牌更換的潮流，交通部門(mén)把全國的車(chē)牌都升級換代，改換成基于RFID 的智能車(chē)牌，就可以有效遏制和解決車(chē)輛超速、盜車(chē)犯罪和公務(wù)車(chē)管理等問(wèn)題的發(fā)生。

　　3.1 超速

　　目前，交警部門(mén)治理超速主要通過(guò)在一些不確定地點(diǎn)安放測速儀，對超速車(chē)輛抓拍并進(jìn)行相應處罰來(lái)約束司機們的超速行為，但這為數不多的測速儀監控力度小、范圍小，無(wú)法從根兒上觸動(dòng)司機們的僥幸心理。如果全國車(chē)牌都換成基于RFID 的智能車(chē)牌，并在各個(gè)路段裝有數據無(wú)線(xiàn)收發(fā)節點(diǎn)，那么任何車(chē)輛將處于全天候、全地域的無(wú)所不在的測速網(wǎng)絡(luò )中，先進(jìn)的技術(shù)及無(wú)死角、無(wú)盲區的測速網(wǎng)從根本上規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則。

　　3.2 盜車(chē)犯罪

　　近年來(lái)，隨著(zhù)經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車(chē)的保有量也迅速增加，由此汽車(chē)引起犯罪分子的“重視”，且盜車(chē)犯罪日益猖獗，其犯罪手段也日益高明。盜車(chē)犯罪損害國家和人民的財產(chǎn)利益，如何改進(jìn)技術(shù)，不給小偷可乘之機呢？針對此類(lèi)犯罪事件，除了裝配智能車(chē)牌外，還需要在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機內部貼附電子標簽，作為車(chē)輛識別輔助工具。如果小偷盜竊汽車(chē)后沒(méi)有損毀智能車(chē)牌，那么該車(chē)輛將處于實(shí)時(shí)監控中，公安部門(mén)采用車(chē)輛精準定位，即可將其抓獲。假如小偷比較“高明”些，在偷竊車(chē)輛后，損毀了智能車(chē)牌，以為就此可以逃脫法網(wǎng)。這時(shí)貼附在發(fā)動(dòng)機上的電子標簽作為車(chē)輛識別輔助工具將發(fā)揮作用，其功能和智能車(chē)牌上的電子標簽相同，被盜車(chē)輛仍然處于實(shí)時(shí)監控中，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(shí)，發(fā)動(dòng)機將無(wú)法正常工作。此項技術(shù)采用后，小偷無(wú)論將車(chē)運到哪里，都無(wú)法逃脫公安部門(mén)的監控，無(wú)法逃脫法網(wǎng)。

　　3.3 公務(wù)用車(chē)

　　當前的公車(chē)問(wèn)題主要是公車(chē)私用現象嚴重［9］。長(cháng)期以來(lái)，公車(chē)旅游、公車(chē)接送子女上下學(xué)的現象時(shí)有發(fā)生，不僅敗壞社會(huì )風(fēng)氣，損害黨政機關(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(chē)牌可以為紀檢監察人員查處公車(chē)提供方便。RFID 新車(chē)牌的信息存儲區一部分用來(lái)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(wù)車(chē)更換新車(chē)牌時(shí)，車(chē)牌上除記錄基本身份信息外，還可記錄車(chē)輛類(lèi)別（公務(wù)用車(chē)）、工作單位等信息。

　　紀檢部門(mén)可以在旅游區、酒店等娛樂(lè )場(chǎng)所周?chē)仓肦FID 閱讀器，其閱讀距離可調至3 km.當一些違紀公務(wù)人員駕公車(chē)來(lái)此消費時(shí)，其公車(chē)信息將會(huì )被記錄，并通過(guò)CDMA 無(wú)線(xiàn)傳輸至紀檢部門(mén)的數據處理中心，為紀檢部門(mén)執法提供證據。此方法可以有力地約束公車(chē)私用。

　　4 結 語(yǔ)

　　本文提出了基于RFID 的智能車(chē)輛管理系統，并根據不同環(huán)境的需求分別闡述了應用于大學(xué)等封閉區域的身份識別及管理子系統和應用于開(kāi)放道路網(wǎng)中的定位及測速子系統的構化的有力支撐。系統利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決了多站數據統一、多站一體化管理等問(wèn)題，實(shí)現了多站實(shí)時(shí)監控、智能報警、自動(dòng)巡檢等功能，為調控一體化管理模式的推行提供了實(shí)際參考。系統已經(jīng)通過(guò)中國電科院相關(guān)資質(zhì)檢測，檢測結果表明本系統立足工程實(shí)際，在滿(mǎn)足變電站通信規約前提下，實(shí)現了預期的功能，架構先進(jìn)、安全性好、可靠性高、兼容性強、管控變電站數量靈活。