超高频RFID车联网系统研究

　　RFID作为物联网中的重要技术，近年来以其低廉、安全、高效的特点得到广泛的关注和研究。文中提出了一种基于超高频RFID的智能车辆管理系统（即车联网）。该系统由RFID硬件系统、CDMA系统、GIA系统、数据处理系统构成，可以实现车辆的智能化识别、定位、跟踪、测速、监控和管理，以解决当前严峻的道路拥堵、车辆超速超载、车辆盗窃及公务车管理等问题。

　　0 引言

　　随着经济和技术的发展，我国居民汽车保有量逐年增加，剧增的车辆给当今的车辆管理带来了严峻的挑战：汽车拥堵、车辆盗窃、车辆身份识别难、由超速导致的交通事故频发。如何能运用科技手段有效地利用道路资源，保持道路畅通；明晰车辆身份，使单位可以有效管理车辆进出入；遏制车辆超速超载，保障车辆行驶安全；提升车辆“自卫”等级，防范车辆盗窃；透明公务车身份信息，限制公务车私用？本文提出一种基于超高频RFID、GSM、GIA 的智能车辆管理系统对上述问题的解决方案。本文的第2 部分叙述了智能车辆管理系统在封闭的大学校园内识别进出入车辆身份，以加强对进出、停放校园车辆的管理。第3 部分叙述了智能车辆管理系统在开放的道路网中对道路信息进行实时采集，以方便交通部门优化交通流、合理配置道路资源；并对危特车辆进行定位、测速、跟踪、身份信息读取。第4 部分结合当前全军及武警部队更换新军牌的形势，提出了全国更换新型RFID智能车牌及运用本智能车辆管理系统的设想，并阐述了本系统对当前车辆管理难题的解决方案。

　　1 应用于封闭区域的车辆身份识别及管理子系统

　　大学是个相对开放的环境，大学区域内车辆的复杂性和车辆管理的分散性给大学师生的生命和财产安全带来了隐患，尤其是2010 年河北大学发生了震惊国人的“我爸是李刚事件”，使得整治校园秩序，加强对进出、停放校园车辆的管理，保障师生的生命和财产安全变得尤为重要。

　　1.1 车辆身份识别系统现状

　　目前，一部分大学的车辆管理采用人工判别：即校方给本单位的车辆发放纸质标识牌，由门卫鉴别出入车辆是否属于本单位，外来车辆到指定地点办理临时访问手续。此方式不仅效率低，检查延误时间长，更因其没有采用技术手段防伪，为伪造标识牌埋下了隐患。

　　另一部分大学采用一种感应式IC 卡出入管理系统。这种卡虽具有安全保密、不易被仿造、携带方便、经久耐用等特点，但这种传统的IC 卡本身是一种近距离感应卡，识读距离只有几厘米。在实际使用中，车主需要将车辆停下来，摇下车窗，手持IC 卡伸出车窗外，进行刷卡，再继续进出。这种车辆出入管理系统与上一种管理系统相比，在检查期间耗费的时间更长，且并未给车主带来方便，尤其在雨雪天气、酷热天气等气候下使得车主更为不便；IC 卡车辆出入管理系统本质上是需要停车的，不能实现更为先进和人性化的无障碍自动出入。

　　1.2 系统组成

　　车辆管理系统主要由RFID 硬件部分（有源RFID 智能牌照、远距离阅读器、通道控制器、道闸）、图像抓拍模块、计算机及软件管理系统构成。

　　1.3 工作原理

　　本系统采用UHF 远距离射频识别技术，每部车辆上均安装有预先在车辆进出入系统注册的有源RFID 智能牌照。

　　RFID 车牌储存的信息包括车辆部门、车牌号、司机姓名以及身份证号。有源RFID 牌照会不断地发射超高频信号，当安装在出入口附近的远距离阅读器接收到信号后，远距离读卡器通过485（或者韦根）接口将卡信号发给通道控制器。通道控制器判断牌照的合法性，如果合法，则控制器上的继电器驱动道闸开启，允许车辆出入，否则不予放行。外来车辆由于没有专属本单位的牌照，车辆进入有源识别区后智能道闸控制器没有接收信息， 产生中断信号， 此时智能道闸控制器发出警示命令， 语音设备提示驾驶员停车， 并到门卫处登记， 同时自动启动摄像机抓拍车辆有效信息（车牌号码）。此时，驾驶员需要配合门卫到门卫室登记，之后由门卫通过无线遥控装置操作智能道闸控制器开启道闸。校园的每个大门的门卫室作为系统分控点，由计算机实时记录车辆出入记录，包括出入时间、车辆部门、车主信息。

　　1.4 系统特点

　　本车辆管理系统的主要特点如下：

　　（1）远距离：阅读距离10 m 以内可轻松实现。由于车辆门禁的实际要求，读卡距离不宜过长。本方案无须人工靠近刷卡或要在指定区域内通过才能识别，实现全自动识别，可以避免在恶劣天气下司机必须摇窗靠近阅读器才能刷卡等问题，因而在高峰时间可有效缓解出入库车辆过多、排队刷卡带来的堵塞问题。

　　（2）运行稳定：远距离阅读器阅读距离稳定，不易受周边环境影响。有源RFID 可以有效突破汽车防爆金属网的屏蔽作用，顺利与阅读器交换数据。

　　（3） 可靠性高：环境温度-40 ~ 85℃内能完全正常运行，尤其是在北方低温和南方高温状态下更显优势，可以有效抵抗空气中的灰尘和污染物。

　　（4） 高抗干扰：对现场各种干扰源无特殊要求，安装方便简单。

　　（5） 超低功耗：使用寿命长，平均成本低，并且对人体安全、更健康，无辐射损害。

　　（6） 防冲突性： 先进的防碰撞技术，可每秒同时识别上百个标签。

　　2 应用于开放道路网的车辆定位及测速子系统

　　2.1 需求分析

　　随着经济和汽车技术的发展， 现在拥有汽车的居民越来越多， 堵车现象也越来越严重，堵车不仅浪费了大家宝贵的时间，也使交通事故频发。如何充分利用路网、缩短车辆运行时间、降低行车延误、保障行车安全、提高道路通行能力等道路资源优化问题成为当前每个城市需要解决的重要课题。

　　另外，随着企业规模及业绩的不断扩大，配送及运营所需的车辆逐渐增多，跑私活、干私事、外出车辆的风险管控、超速控制、区域报警等相关功能越来越受到企业管理者的关注。

　　在此基础上，智能车辆管理系统的子系统--车辆定位及测速系统--应运而生。

　　2.2 车辆定位现状及对比

　　在目前的车辆定位系统中，典型的车辆位置信息获取方法主要是基于GPS 全球定位系统与加速度传感器的车辆定位。

　　这是一种基于移动站的定位方法，即车载定位设备向车辆提供位置信息，然后车辆通过无线通信将得到的位置信息上报给车辆管理系统。这种由被定位物体主动发送位置信息的方法具有占用通信资源多、系统运行成本高的缺点，并且在城市高楼区、高架桥下、林荫道及隧道内，可能会出现暂时的定位盲点。

　　2.3 系统构成

　　该系统主要由装有RFID 智能车牌的车辆、数据无线收发节点（RFID 远距离阅读器）、CDMA 模块、GIA 系统、数据处理单元、数据处理及控制中心组成。图1 所示是一种车辆定位及测速系统的示意图。

　　2.4 系统运行原理

　　该系统基于读取RFID 电子标签的方法获取车辆的身份信息，采用基于TODA 的多基站无线定位方法获取车辆的位置信息，通过对车辆移动产生的多普勒频移进行处理的方法，获取车辆的速度信息。每一个RFID 车牌都存储了该车辆的车牌号、车辆用途、最大载货量、最大载客量、车主姓名及身份证号等信息。根据不同地区的建筑特点和交通流量装有  一定数量的数据无线收发节点，以期获得资源的最大利用，减少节点布置的浪费。每个数据无线收发节点按一定频率定向发送已经编码和调制的命令信号，处于节点覆盖范围内的RFID智能车牌收到此命令，经过认证，如果正确的话，将按命令的要求把自己的UID发送过去，数据无线收发节点接到此信息，对其进行解调和解码得出该车辆身份信息，通过CDMA 模块将其发送至数据处理单元，再由数据处理单元发送至城市数据处理及控制中心。基于多基站无线定位的方法是由无线数据收发节点主动获取车辆位置信息，利用接受信号强度（RSSI）、到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）定位。第一步估计过程中，采用鲁棒性估计方法，可以减小其对估计值的影响。

　　在第一步估计的基础上，找到与RFID 智能车牌距离最近的3个数据无线收发节点，应用这3 个节点的TDOA 值进行第二次定位，从而得出车辆的位置信息，并传输到数据处理及控制中心，数据处理及控制中心根据得到的信息便可大致描绘出该车辆的运行轨迹。通过对由车辆移动所产生的多普勒频移进行实时估计，数据处理可以对该车辆进行实时测速。

　　3 应用展望

　　日前，全军和武警部队从2013 年5 月1 日起统一使用新式军车号牌。这次更换新式军车号牌，重点落实“防造假、防滥发、防乱挂、防丢失、防盗用”.充分运用信息技术，严格牌证审批、核发、使用的全过程、全方位管控，健全完善了军地联合工作和协助机制，加大了对制造、贩卖、使用假冒军车号牌的打击力度，从源头上根治军车管理中存在的突出问题。

　　假如顺应当前军牌更换的潮流，交通部门把全国的车牌都升级换代，改换成基于RFID 的智能车牌，就可以有效遏制和解决车辆超速、盗车犯罪和公务车管理等问题的发生。

　　3.1 超速

　　目前，交警部门治理超速主要通过在一些不确定地点安放测速仪，对超速车辆抓拍并进行相应处罚来约束司机们的超速行为，但这为数不多的测速仪监控力度小、范围小，无法从根儿上触动司机们的侥幸心理。如果全国车牌都换成基于RFID 的智能车牌，并在各个路段装有数据无线收发节点，那么任何车辆将处于全天候、全地域的无所不在的测速网络中，先进的技术及无死角、无盲区的测速网从根本上规范和剔除了驾驶员的侥幸心理，从而引导驾驶员遵守交通规则。

　　3.2 盗车犯罪

　　近年来，随着经济的快速发展，汽车的保有量也迅速增加，由此汽车引起犯罪分子的“重视”，且盗车犯罪日益猖獗，其犯罪手段也日益高明。盗车犯罪损害国家和人民的财产利益，如何改进技术，不给小偷可乘之机呢？针对此类犯罪事件，除了装配智能车牌外，还需要在汽车发动机内部贴附电子标签，作为车辆识别辅助工具。如果小偷盗窃汽车后没有损毁智能车牌，那么该车辆将处于实时监控中，公安部门采用车辆精准定位，即可将其抓获。假如小偷比较“高明”些，在偷窃车辆后，损毁了智能车牌，以为就此可以逃脱法网。这时贴附在发动机上的电子标签作为车辆识别辅助工具将发挥作用，其功能和智能车牌上的电子标签相同，被盗车辆仍然处于实时监控中，并且由于辅助电子标签的结构及贴附位置的特殊，当其被损毁时，发动机将无法正常工作。此项技术采用后，小偷无论将车运到哪里，都无法逃脱公安部门的监控，无法逃脱法网。

　　3.3 公务用车

　　当前的公车问题主要是公车私用现象严重[9].长期以来，公车旅游、公车接送子女上下学的现象时有发生，不仅败坏社会风气，损害党政机关和干部的自身形象，还给国家造成了损失，在群众中造成了不良影响。更换新车牌可以为纪检监察人员查处公车提供方便。RFID 新车牌的信息存储区一部分用来存储全球唯一标识符（UID），其余部分可存储512 B ~ 4 MB的信息。当为公务车更换新车牌时，车牌上除记录基本身份信息外，还可记录车辆类别（公务用车）、工作单位等信息。

　　纪检部门可以在旅游区、酒店等娱乐场所周围安置RFID 阅读器，其阅读距离可调至3 km.当一些违纪公务人员驾公车来此消费时，其公车信息将会被记录，并通过CDMA 无线传输至纪检部门的数据处理中心，为纪检部门执法提供证据。此方法可以有力地约束公车私用。

　　4 结 语

　　本文提出了基于RFID 的智能车辆管理系统，并根据不同环境的需求分别阐述了应用于大学等封闭区域的身份识别及管理子系统和应用于开放道路网中的定位及测速子系统的构化的有力支撑。系统利用物联网技术，解决了多站数据统一、多站一体化管理等问题，实现了多站实时监控、智能报警、自动巡检等功能，为调控一体化管理模式的推行提供了实际参考。系统已经通过中国电科院相关资质检测，检测结果表明本系统立足工程实际，在满足变电站通信规约前提下，实现了预期的功能，架构先进、安全性好、可靠性高、兼容性强、管控变电站数量灵活。