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。它可將主機的讀寫命令傳送到電子標(biāo)簽，再把從主機發(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。

（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、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，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。

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。

2 RFID 技術(shù)在 ETC 系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 ETC 系統(tǒng)概述

在車輛自動識別技術(shù)的發(fā)展過程中，實驗和實施了多種不同的自動識別技術(shù)，如感應(yīng)線圈識別技術(shù)、聲表面波識別技術(shù)、條形碼識別技術(shù)、紅外通信識別技術(shù)和射頻識別技術(shù)等，但最終主流歸結(jié)到采用射頻識別技術(shù)作為 ETC 系統(tǒng)的車輛自動識別技術(shù)。

ETC 系統(tǒng)，即通常所說的不停車收費系統(tǒng)，它是以現(xiàn)代通信技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)為主導(dǎo)，實現(xiàn)車輛不停車自動收費的智能交通電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過路側(cè)天線與車載電子標(biāo)簽之間的專用短程通信，進(jìn)行車輛自動識別和有關(guān)收費數(shù)據(jù)的交換，通過計算機網(wǎng)絡(luò)對收費數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)不停車自動收費的全電子收費管理系統(tǒng)。

射頻識別系統(tǒng)是利用安裝在車內(nèi)的射頻卡（無線電收發(fā)裝置）存儲車輛編號及相關(guān)信息，安裝在車道的射頻天線可與該無線電收發(fā)裝置以專用短程通信（DSRC）方式交換信息，并對其存儲內(nèi)容進(jìn)行讀寫操作，從而識別出當(dāng)前通行車輛。

不停車收費系統(tǒng)有三個主要特點，不停車、無人操作和無現(xiàn)金交易。ETC 技術(shù)在國外已有較長的發(fā)展歷史，美國、歐洲等許多國家和地區(qū)的電子收費系統(tǒng)已經(jīng)局部聯(lián)網(wǎng)并形成規(guī)模效益。目前，關(guān)東高速已全面實現(xiàn)了 ETC 收費，只保留部分車道進(jìn)行 ETC 和半自動混合收費。絕大部分的商業(yè)運營車輛已經(jīng)裝備了 ETC 車載單元，我國很多地區(qū)已經(jīng)開始使用 ETC 系統(tǒng)對高速公路收費管理系統(tǒng)進(jìn)行升級。

不停車收費技術(shù)特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環(huán)境。傳統(tǒng)的車道隔離收費系統(tǒng)稱為單車道不停車收費系統(tǒng)，在無車道隔離情況下的自由交流下的不停車收費系統(tǒng)通稱為自由流不停車收費系統(tǒng)。不停車收費技術(shù)的實施，不僅可以大大提高公路的通行能力，使公路收費走向自動化，同時也可以大大降低收費口的噪聲水平和廢氣排放。從而，節(jié)約了基建費用和管理費用，也為城市環(huán)境的改善做出了突出貢獻(xiàn)。電子收費系統(tǒng)代表當(dāng)今最先進(jìn)的收費技術(shù)，也是未來發(fā)展的方向，有著廣闊的發(fā)展前景。

2.2 不停車收費系統(tǒng)的工作原理

2.2.1 ETC 系統(tǒng)的技術(shù)原理

ETC 系統(tǒng)是通過遠(yuǎn)距離、非接觸采集射頻卡的信息，實現(xiàn)車輛在快速移動狀態(tài)下的自動識別從而實現(xiàn)目標(biāo)的自動化管理。目前，該系統(tǒng)的要求是，遠(yuǎn)距離讀卡器能識讀至少十米的距離。由于技術(shù)要求和實際情況的不同，所采用的讀卡器的型號也不同。而就工作頻率范圍而言，目前電子收費系統(tǒng)是確定在 5.8 GHz 附近，歐洲、日本、美國、中國等大多數(shù)國家的標(biāo)準(zhǔn)定在 5.8～5.9 GHz 頻段。

在我國選用 5.8 GHz 頻段具有如下優(yōu)點：首先，我國通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系靠近歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系，無線電頻率資源的分配大致相同。其次，5.8 GHz 頻段背景噪聲小，而且解決該頻段的干擾和抗干擾問題要比解抉 915 MHz，2.45 GHz 容易。再次，5.8 GHz 頻段的設(shè)備供應(yīng)商較多，有利于我國 ETC 系統(tǒng)的設(shè)備引進(jìn)，有利于降低系統(tǒng)成本，也有利于將來開展智能運輸系統(tǒng)領(lǐng)域的其他服務(wù)。

2.2.2 ETC 系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

ETC 系統(tǒng)主要由 ETC 收費車道、收費站管理系統(tǒng)、ETC 管理中心、專業(yè)銀行及傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。車道控制子系統(tǒng)用于控制和管理各種外場設(shè)備與安裝在車輛上的電子標(biāo)簽的通信，記錄車輛的各種信息，并實時傳送給收費站管理子系統(tǒng)。收費站管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集管理傳送過來的數(shù)據(jù)。ETC 管理中心是 ETC 系統(tǒng)的最高管理層，既要進(jìn)行收費信息與數(shù)據(jù)的處理和交換又要行使必要的管理職能，它包括各公路的收費專營公司、結(jié)算中心和客戶服務(wù)中心，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)文件在公路收費專營公司和用戶之間進(jìn)行交易、拆賬和財務(wù)結(jié)算，配有多臺功能強大的計算機，完成系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)、圖像的采集和處理。圖 2 為其結(jié)構(gòu)框圖。

2.2.3 ETC 系統(tǒng)的工作流程

車主到客戶服務(wù)中心或代理機構(gòu)購置車載電子標(biāo)簽，交納儲值。由發(fā)行系統(tǒng)向電子標(biāo)簽輸入車輛識別碼（ID）與密碼，并在數(shù)據(jù)庫中存入該車輛的全部有關(guān)信息（如識別碼、車牌號、車型、顏色、儲值、車主姓名、電話等）。發(fā)行系統(tǒng)通過通信網(wǎng)將上述車主、車輛信息輸入收費計算機系統(tǒng)。車主將標(biāo)識卡貼在車內(nèi)前窗玻璃上即可。當(dāng)車輛進(jìn)入 ETC 收費車道處于 LI 天線的發(fā)射區(qū)時，處在休眠狀態(tài)的電子標(biāo)簽受到微波激勵而蘇醒，開始工作;電子標(biāo)簽以微波方式發(fā)出電子標(biāo)簽和車型代碼;天線接收確認(rèn)電子標(biāo)簽有效后，以微波發(fā)出人 LI 車道代碼和時間信號，寫入電子標(biāo)簽的存儲器內(nèi)。當(dāng)車輛駛?cè)胧召M車道出口天線發(fā)射范圍，經(jīng)過喚醒、相互認(rèn)證有效性等過程，天線讀出車型代碼以及入 LI 代碼和時間，傳送給車道控制器，車道控制器存儲原始數(shù)據(jù)并編輯成數(shù)據(jù)文件，上傳給收費站管理子系統(tǒng)并轉(zhuǎn)送收費結(jié)算中心。

如果持無效標(biāo)識或無卡車輛。在收費車道上高速沖卡而過，天線在確認(rèn)無效性的同時，將啟動快速自動欄桿，關(guān)閉收費車道，當(dāng)場將沖卡車輛攔截;在無專用收費車道的自由流收費時，可啟動逃費抓拍攝像機，將逃費沖卡車輛的車頭和牌照號碼攝錄下來，隨同出 LI 代碼和沖卡時間一并傳送給車道控制機記錄在案，事后依法處理。

收費結(jié)算中心與管理銀行收到匯總好的各路公司的收費信息后，從各個用戶賬號中，扣除通行費和算出金額，撥入相應(yīng)公司賬號。與此同時，銀行核對各用戶賬號剩余金額是否低于預(yù)定的臨界閾值，如低于，應(yīng)及時通知用戶補交金額，繼續(xù)通行，導(dǎo)致剩余金額低于危險門限值，則應(yīng)將其劃歸無效電子標(biāo)簽，編人黑名單，并通知各收費站，拒絕無效電子標(biāo)簽在高速公路電子收費車道通行。

收費結(jié)算中心設(shè)有用戶服務(wù)機構(gòu)，向用戶出售識別卡、補收金額和接待客戶查詢。后臺有一套金融運行規(guī)則和強大的計算機網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫的支持，處理事后收費等事項。

3 RFID 的發(fā)展前景

目前，RFID 技術(shù)已在我國很多行業(yè)得到應(yīng)用，并取得良好成果。例如，我國已在有條件的部門和地方啟動了 RFID 應(yīng)用試點工作，主要涉及領(lǐng)域包括：工業(yè)自動化;商業(yè)自動化;汽車行業(yè);生產(chǎn)管理;供應(yīng)鏈管理與現(xiàn)代物流等。RFID 技術(shù)已成為 21 世紀(jì)全球自動識別技術(shù)發(fā)展的主要方向。特別是 RFID 技術(shù)在 ETC 系統(tǒng)中的應(yīng)用，為交通收費行業(yè)的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。從未來的交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展來看，ETC 系統(tǒng)將成為交通業(yè)的主流，因而該系統(tǒng)在交通收費行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。

4 結(jié) 語

通過 RFID 技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用，并逐漸占據(jù)主流地位，可以看出該技術(shù)已從眾多的識別技術(shù)中脫穎而出，并且不斷發(fā)展完善。而基于 RFID 技術(shù)的 ETC 系統(tǒng)與傳統(tǒng)的收費系統(tǒng)相比，有著絕對的發(fā)展優(yōu)勢，而且該系統(tǒng)的實現(xiàn)相對簡單。隨著 RFID 技術(shù)的發(fā)展，ETC 系統(tǒng)也會逐漸得到完善。