超高頻RFID車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究

　　RFID作為物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)）。該系統(tǒng)由RFID硬件系統(tǒng)、CDMA系統(tǒng)、GIA系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，可以實現(xiàn)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(jīng)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(nèi)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(wǎng)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(jié)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)安全變得尤為重要。

　　1.1 車輛身份識別系統(tǒng)現(xiàn)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(zhì)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(jīng)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(zhì)上是需要停車的，不能實現(xiàn)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(gòu)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(qū)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(chǎn)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：

　?。?）遠距離：閱讀距離10 m 以內(nèi)可輕松實現(xiàn)。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(nèi)通過才能識別，實現(xiàn)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(wǎng)的屏蔽作用，順利與閱讀器交換數(shù)據(jù)。

　?。?） 可靠性高：環(huán)境溫度-40 ~ 85℃內(nèi)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(xiàn)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(wǎng)的車輛定位及測速子系統(tǒng)#e#

　　2 應用于開放道路網(wǎng)的車輛定位及測速子系統(tǒng)

　　2.1 需求分析

　　隨著經(jīng)濟和汽車技術的發(fā)展， 現(xiàn)在擁有汽車的居民越來越多， 堵車現(xiàn)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(wǎng)、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(xiàn)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(nèi)，可能會出現(xiàn)暫時的定位盲點。

　　2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

　　該系統(tǒng)主要由裝有RFID 智能車牌的車輛、數(shù)據(jù)無線收發(fā)節(jié)點（RFID 遠距離閱讀器）、CDMA 模塊、GIA 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)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(chǎn)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(jù)不同地區(qū)的建筑特點和交通流量裝有 一定數(shù)量的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)無線收發(fā)節(jié)點按一定頻率定向發(fā)送已經(jīng)編碼和調(diào)制的命令信號，處于節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)的RFID智能車牌收到此命令，經(jīng)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(shù)據(jù)無線收發(fā)節(jié)點接到此信息，對其進行解調(diào)和解碼得出該車輛身份信息，通過CDMA 模塊將其發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元，再由數(shù)據(jù)處理單元發(fā)送至城市數(shù)據(jù)處理及控制中心?；诙嗷緹o線定位的方法是由無線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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?shù)綌?shù)據(jù)處理及控制中心，數(shù)據(jù)處理及控制中心根據(jù)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(chǎn)生的多普勒頻移進行實時估計，數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡中，先進的技術及無死角、無盲區(qū)的測速網(wǎng)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(jīng)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(chǎn)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(nèi)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(wǎng)。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(jié)構(gòu)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(wǎng)。

　　3.3 公務用車

　　當前的公車問題主要是公車私用現(xiàn)象嚴重［9］。長期以來，公車旅游、公車接送子女上下學的現(xiàn)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(diào)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(shù)據(jù)處理中心，為紀檢部門執(zhí)法提供證據(jù)。此方法可以有力地約束公車私用。

　　4 結(jié) 語

　　本文提出了基于RFID 的智能車輛管理系統(tǒng)，并根據(jù)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(wǎng)中的定位及測速子系統(tǒng)的構(gòu)化的有力支撐。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術，解決了多站數(shù)據(jù)統(tǒng)一、多站一體化管理等問題，實現(xiàn)了多站實時監(jiān)控、智能報警、自動巡檢等功能，為調(diào)控一體化管理模式的推行提供了實際參考。系統(tǒng)已經(jīng)通過中國電科院相關資質(zhì)檢測，檢測結(jié)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(xiàn)了預期的功能，架構(gòu)先進、安全性好、可靠性高、兼容性強、管控變電站數(shù)量靈活。