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RFID技术在不停车收费中的应用
目录
摘要…………………………………………………………………………………1
关键词………………………………………………………………………………1
1、RFID技术…………………………………………………………………………2
1.1概述………………………………………………………………2
1.2射频识别技术的发展…………………………………………………2
1.3RFID工作频率指南和典型应用……………………………………………3
1.3.1低频(从125KHz到134KHz)………………………………………………3
1.3.2高频(工作频率为13.56MHz)………………………………………………4
1.3.3超高频(工作频率为860MHz到960MHz之间)……………………………5
1.4RFID…………………………………………………………………6
1.4.1RFID技术………………………………………………………………………6
1.4.2、RFID的基本组成部分………………………………………………………6
1.4.3RFID技术的基本工作原理是…………………………………………7
1.4.4零售商如此推崇——RFID……………………………………………………7
1.4.5RFID技术的典型应用………………………………………………7
1.4.6RFID读写设备…………………………………………………………8
2.ETC不停车收费………………………………………………………………….8
2.1技术简介……………………………………………………………………….8
2.2关键技术………………………………………………………………………9
2.3技术手段………………………………………………………………………10
2.4挣值技术涉及的参数…………………………………………………………10
3、RFID技术在不停车收费中的应用…………………………………………10
3.1中国高速公路的发展情况……………………………………………………10
3.2只读形式的不停车ETC……………………………………………………11
3.2.1、信息采集………………………………………………………………11
3.2.2、ETC信息采集设备更具有优势………………………………………12
3.2.3、ETC系统的工作…………………………………………………………13
4、发展瓶颈与展望………………………………………………………………14
4.1价格……………………………………………………………………………15
4.2天线设计………………………………………………………………………16
4.3接口软件………………………………………………………………………16
4.4通讯协议不同…………………………………………………………………16
4.5各个国家的安规规范和认证单位的不同……………………………………17
4.6最佳化…………………………………………………………………………17
5、结束语…………………………………………………………………………17
参考文献……………………………………………………………………18
致谢……………………………………………………………………………18
RFID技术在不停车收费中的应用
学生:
丁俊
指导老师:
曾炼成
(湖南农业大学信息科学技术学院,长沙410128)
摘要:
电子不停车收费系统(ETC)是目前世界上最先进的收费系统,是智能交通系统的服务功能之一,过往车辆通过道口时无须停车,即能够实现自动收费。
RFID是一种非接触的射频通信方式,通过读写器与标签的无线通信可以进行信息的采集功能,从而识别标签载体的身份等特征。
关键词:
RFID技术;ETC不停车收费;射频识别;展望。
1前言
RFID技术在当今的应用十分广阔!
电子不停车收费系统(ETC)是目前世界上最先进的收费系统,是智能交通系统的服务功能之一,过往车辆通过道口时无须停车,即能够实现自动收费。
目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品,而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。
ETC的信息采集部分主要采用RFID技术。
RFID是一种非接触的射频通信方式,通过读写器与标签的无线通信可以进行信息的采集功能,从而识别标签载体的身份等特征。
ETC系统采用预付费业务,使用该业务的用户首先在自己的账号中存贮一定数量的金额,除非可以提供适当的信用证明或抵押品(如合适的银行帐号或手机的SIM卡号等)。
尤其在告诉公路收费站中的不停车收费,在当今这个高速发展的时代以及一个国家的交通及一个国家的经济发展水平都是至关重要的。
在目前的中国一年在高速收费站中能为中国几乎数亿的车辆节约上亿分钟,也就是将近2百万个小时的时间!
这些时间的价值是不可估量的!
2RFID技术
2.1概述
射频识别技术(RadioFrequencyIdentification,缩写RFID),射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术,射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。
从信息传递的基本原理来说,射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递),在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。
1948年哈里斯托克曼发表的"利用反射功率的通信"奠定了射频识别射频识别技术的理论基础。
2.2射频识别技术的发展
1940-1950年:
雷达的改进和应用催生了射频识别技术,1948年奠定了射频识别技术的理论基础。
1950-1960年:
早期射频识别技术的探索阶段,主要处于实验室实验研究。
1960-1970年:
射频识别技术的理论得到了发展,开始了一些应用尝试。
1970-1980年:
射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期,各种射频识别技术测试得到加速。
出现了一些最早的射频识别应用。
1980-1990年:
射频识别技术及产品进入商业应用阶段,各种规模应用开始出现。
1990-2000年:
射频识别技术标准化问题日趋得到重视,射频识别产品得到广泛采用,射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。
2000年后:
标准化问题日趋为人们所重视,射频识别产品种类更加丰富,有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展,电子标签成本不断降低,规模应用行业扩大。
至今,射频识别技术的理论得到丰富和完善。
单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。
2.3RFID工作频率指南和典型应用
不同频段的RFID产品会有不同的特性,下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。
目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品,而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。
其中感应器有无源和有源两种方式,下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。
2.3.1低频(从125KHz到134KHz)
其实RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。
该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作,也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用.通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流,可作供电电压使用.磁场区域能够很好的被定义,但是场强下降的太快。
特性:
a.工作在低频的感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz,TI的工作频率为134.2KHz。
该频段的波长大约为2500m.
b.除了金属材料影响外,一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。
c.工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。
d.低频产品有不同的封装形式。
好的封装形式就是价格太贵,但是有10年以上的使用寿命。
e.虽然该频率的磁场区域下降很快,但是能够产生相对均匀的读写区域。
f.相对于其它频段的RFID产品,该频段数据传输速率比较慢。
g.感应器的价格相对与其它频段来说要贵。
主要应用:
a.畜牧业的管理系统
b.汽车防盗和无钥匙开门系统的应用
c.马拉松赛跑系统的应用
d.自动停车场收费和车辆管理系统
e.自动加油系统的应用
f.酒店门锁系统的应用
g.门禁和安全管理系统
符合的国际标准:
a)ISO11784RFID畜牧业的应用-编码结构
b)ISO11785RFID畜牧业的应用-技术理论
c)ISO14223-1RFID畜牧业的应用-空气接口
d)ISO14223-2RFID畜牧业的应用-协议定义
e)ISO18000-2定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议
f)DIN30745主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准
2.3.2高频(工作频率为13.56MHz)
在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制,可以通过腐蚀活着印刷的方式制作天线。
感应器一般通过负载调制的方式进行工作。
也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化,实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。
如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开,那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。
特性:
a、工作频率为13.56MHz,该频率的波长大概为22m。
b.除了金属材料外,该频率的波长可以穿过大多数的材料,但是往往会降低读取距离。
感应器需要离开金属一段距离。
c.该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。
d.感应器一般以电子标签的形式。
e.虽然该频率的磁场区域下降很快,但是能够产生相对均匀的读写区域。
f.该系统具有防冲撞特性,可以同时读取多个电子标签。
g.可以把某些数据信息写入标签中。
h.数据传输速率比低频要快,价格不是很贵。
主要应用:
a.图书管理系统的应用
b.瓦斯钢瓶的管理应用
c.服装生产线和物流系统的管理和应用
d.三表预收费系统
e.酒店门锁的管理和应用
f.大型会议人员通道系统
g.固定资产的管理系统
h.医药物流系统的管理和应用
i.智能货架的管理
符合的国际标准:
(a)ISO/IEC14443近耦合IC卡,最大的读取距离为10cm.
(b)ISO/IEC15693疏耦合IC卡,最大的读取距离为1m.
(c)ISO/IEC18000-3该标准定义了13.56MHz系统的物理层,防冲撞算法和通讯协议。
(d)13.56MHzISMBandClass1定义13.56MHz符合EPC的接口定义。
2.3.3超高频(工作频率为860MHz到960MHz之间)
超高频系统通过电场来传输能量。
电场的能量下降的不是很快,但是读取的区域不是很好进行定义。
该频段读取距离比较远,无源可达10m左右。
主要是通过电容耦合的方式进行实现。
特性:
a.在该频段,全球的定义不是很相同-欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz,北美定义的频段为902到905MHz之间,在日本建议的频段为950到956之间。
该频段的波长大概为30cm左右。
b.目前,该频段功率输出目前统一的定义(美国定义为4W,欧洲定义为500mW)。
可能欧洲限制会上升到2WEIRP。
c.超高频频段的电波不能通过许多材料,特别是水,灰尘,雾等悬浮颗粒物资。
相对于高频的电子标签来说,该频段的电子标签不需要和金属分开来。
d.电子标签的天线一般是长条和标签状。
天线有线性和圆极化两种设计,满足不同应用的需求。
e.该频段有好的读取距离,但是对读取区域很难进行定义。
f.有很高的数据传输速率,在很短的时间可以读取大量的电子标签。
主要应用:
a.供应链上的管理和应用
b.生产线自动化的管理和应用
c.航空包裹的管理和应用
d.集装箱的管理和应用
e.铁路包裹的管理和应用
f.后勤管理系统的应用
符合的国际标准:
(a)ISO/IEC18000-6定义了超高频的物理层和通讯协议;空气接口定义了TypeA和TypeB两部分;支持可读和可写操作。
(b)EPCglobal定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通讯的协议。
例如:
Class0,Class1,UHFGen2。
(c)UbiquitousID日本的组织,定义了UID编码结构和通信管理协议。
在将来,超高频的产品会得到大量的应用。
例如WalMart,Tesco,美国国防部和麦德龙超市都会在它们的供应链上应用RFID技术。
有源RFID技术(2.45GHz、5.8G)有源RFID具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大,可靠性高和兼容性好等特点,与无源RFID相比,在技术上的优势非常明显。
被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。
射频识别作为一种新兴的自动识别技术,在中国拥有巨大的发展潜力。
射频识别技术(RFID,RadioFrequencyIdentification)实际上是自动识别技术(AEI,AutomaticEquipmentIdentification)在无线电技术方面的具体应用与发展。
该项技术的基本思想是,通过采用一些先进的技术手段,实现人们对各类物体或设备(人员、物品)在不同状态(移动、静止或恶劣环境)下的自动识别和管理。
2.4RFID
注释:
RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写,即射频识别,俗称电子标签。
2.4.1RFID技术
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。
RFID是一种简单的无线系统,只有两个基本器件,该系统用于控制、检测和跟踪物体。
系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器(或标签)组成。
2.4.2RFID的基本组成部分
标签(Tag):
由耦合组件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象;阅读器(Reader):
读取(有时还可以写入)标签信息的设备,可设计为手持式或固定式;天线(Antenna):
在标签和读取器间传递射频信号。
2.4.3RFID技术的基本工作原理是
标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag,无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag,有源标签或主动标签);解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。
一套完整的RFID系统,是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成,其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量Transponder,用以驱动Transponder电路将内部的数据送出给,此时Reader便依序接收解读数据,送给应用程序做相应的处理。
以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成,感应偶合(InductiveCoupling)及后向散射偶合(BackscatterCoupling)两种,一般低频的RFID大都采用第一种式,而较高频大多采用第二种方式。
阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置,是RFID系统信息控制和处理中心。
阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。
阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换,同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。
在实际应用中,可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。
应答器是RFID系统的信息载体,目前应答器大多是由耦合原件(线圈、微带天线等)和微芯片组成无源单元。
2.4.4零售商如此推崇——RFID
据SanfordC.Bernstein公司的零售业分析师估计,通过采用RFID,沃尔玛每年可以节省83.5亿美元,其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。
尽管另外一些分析师认为80亿美元这个数字过于乐观,但毫无疑问,RFID有助于解决零售业两个最大的难题:
商品断货和损耗(因盗窃和供应链被搅乱而损失的产品),而现在单是盗窃一项,沃尔玛一年的损失就差不多有20亿美元,如果一家合法企业的营业额能达到这个数字,就可以在美国1000家最大企业的排行榜中名列第694位。
研究机构估计,这种RFID技术能够帮助把失窃和存货水平降低25%。
2.4.5RFID技术的典型应用
物流和供应管理
生产制造和装配
航空行李处理
邮件/快运包裹处理
文档追踪/图书馆管理
动物身份标识
运动计时
门禁控制/电子门票
道路自动收费
2.4.6RFID读写设备
在这种搭载有“防冲撞”功能的RFID系统中,为了只读一个标签,几经调整次数批量反复读取进行检索。
所以,一次性读取具有一定数量的标签的情况下,所有的标签都被读到为止其速度是不同的,一次性读取的标签数目越多,完成读取所需时间要比单纯计算所需的时间越长。
实现“防冲撞”功能是RFID在物流领域中取代条形码所必不可少的条件。
例如,在超市中,商品是装在购物车里面进行计价的。
为了实现这种计价方式,“防冲撞”功能必须完备。
具有“防冲撞”功能的RFID系统的价格比不具有这种功能的系统的要昂贵。
当个人用户在制作RFID系统的时候,如果没有必要进行复数个ID同时认识时就没有必要选择抗碰撞机能的读写器。
RFID技术的一个难点是同时读取复数个标签。
为了实现这个功能在通信上所采取的技术是“防冲撞”.同时读取复数个标签是常被人们谈及的RFID比条形码远为优越的地方,但是如果没有“防冲撞”的功能时,RFID系统只能读写一个标签。
在这种情况下如果有两个以上的标签同时处于可读取的范围内就会导致读取的错误。
即使是具有“防冲撞”功能的RFID系统,实际上并非同时读取所有标签的内容。
在同时查出有复数个标签存在的情况下,检索信号并防止冲突的功能开始动作。
为了进行检索,首先要确定检索条件。
例如,13.56MHz频带的RFID系统里应用的ALOHA方式的防碰撞功能的工作步骤如下。
(1)首先,阅读器指定电子卷标内存的特定位数(1~4位左右)为次数批量。
(2)电子卷标根据次数批量,将响应的时机离散化。
例如在两位数的次数批量“00、01、10、11”时,读写器将以不同的时机对这四种可能性逐一进行响应。
(3)若在各个时机里同时响应的电子卷标只有一个的场合下才能得到这个电子卷标的正常数据。
信息读取之后阅读器对于这个电子卷标发送在一定的时间内不再响应的睡眠的指令(Sleep/Mute)使之在休眠,避免再次向应。
(4)若在各个时机内同时由几个电子卷标响应,判别为“冲突”。
在这种情况下,内存内的另外两位数所记录的次数批量,重复以上从2)开始的处理。
(5)所有的电子卷标都完成响应之后,阅读器向他们发送唤醒的指令(WakeUp),从而完成对所有电子卷标的信息读取。
3ETC:
电子不停车收费系统
3.1技术简介
不停车收费系统,是指车辆在通过收费站时,通过车载设备实现车辆识别。
信息写入(入口)并自动从预先绑定的IC卡或银行帐户上扣除相应资金(出口),是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于道路、大桥和隧道的电子收费统。
使用该系统,车主只要在车窗上安装感应卡并预存费用,通过收费站时便不用人工缴费,也无须停车,高速费将从卡中自动扣除。
虽然能实现不停车收费,但一般来说,车辆还是需要以较低速度通过。
这种收费系统每车收费耗时不到两秒,其收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍。
图1不停车收费系统简图
电子不停车收费系统(ETC)是目前世界上最先进的收费系统,是智能交通系统的服务功能之一,过往车辆通过道口时无须停车,即能够实现自动收费。
它特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下使用。
近几年我国的电子不停车收费系统的研究和实施取得了一定进展。
和传统的人工收费系统不同,ETC技术是以IC作为据载体,通过无线数据交换方式实现收费计算机与IC卡的远程数据存取功能。
计算机可以读取IC卡中存放的有关车辆的固有信息(如车辆类别、车主、车牌号等)、道路运行信息、征费状态信息。
按照既定的收费标准,通过计算,从IC卡中扣除本次道路使用通行费。
当然,ETC也需要对车辆进行自动检测和自动车辆分内。
ETC系统由后台系统、车道控制器、RSU和OBU等组成如图二所示。
ETC车道与传统的MTC车道建设相似,主要由ETC天线、车道控制器、费额显示器、自动栏杆机、车辆检测器等组成如图三所示。
图2ETC系统示意图
图3ETC道路系统示意图
3.2ETC关键技术难点
3.2.1关键技术
ETC系统的关键技术主要集中在以下几个方面:
自动车辆识别(AVIAutomaicVehicleIdenification)技术;
自动车型分类(AVIAutomaticVehicleClassification)技术;
短程通信(DSRCDedicatedShortCommunication)技术;
逃费抓拍系统(VESVideoEnforcementSystem)。
3.2.2技术手段
不停车收费系统采用RFID技术。
要实现不停车收费,目前主要采取如下技术手段 :
RFID自动识别技术,射频识别,地磁感应识别技术,视频识别技术,红外技术。
优势:
a、提高通行能力;b减少环境污染;c、不使用现金交易,避免找零麻烦。
3.2.3挣值技术涉及的参数
项目管理中挣值技术涉及的一个参数,是指完成一个计划活动、工作包或控制账目中的剩余工作所需的估算。
ETC等于由项目实施组织确定的修改后的剩余工作估算该估算是一个独立的、没有经过计算的,对于所有剩余工作的完成尚需估算;该估算考虑了截止到目前的资源绩效和生产率,它是比较精确的综合估算。
4RFID技术在不停车收费中的应用
4.1中国高速公路的发展情况
中国高速公路从上世纪90年代开始进入快速发展时期。
2004年底,中国高速公路已达3.4万公里,国务院通过的《国家高速公路网规划》中,高速公路将达8.5万公里。
高速公路的快速发展,仍不能解决一些问题,反而使这些问题更加突出,如高速公路的通行能力、环境污染、以及现金交易带来的一些弊病等一系列问题。
据资料统计,仅广州地区1996年停车等待交费损失的车是数就达数百万小时,由此导致的汽油浪费达
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