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1、第1章 绪论1.1 引言随着社会经济的发展，汽车的普及率越来越高，交通拥挤加剧、交通事故频繁等交通问题变得日趋严重，同时由于交通堵塞所引起的总体资源浪费、汽车排放物对环境的污染等对社会造成的影响更是难以估量。一般说来，解决交通拥挤的最直接的办法就是建设更多的道路，提高路网的通行能力，但无论是那座城市，可供修建道路的空间必定有限。同时，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，仅仅从多修道路上入手，难以解决根本问题。此外，能源和环境问题的严重性也日益为人们所认识。在这种背景下，近年来世界各国纷纷提出了属于自己的智能运输系统开发研究计划，其目的是利用计算机、现代通信和自动控制等现代高新技术来改善交通状况
2、，合理利用现有道路交通设施，建立智能交通系统(Intelligent Transportation System，简称ITS )，以达到“保障安全、提高效率、改善环境、节约能源”的目的，从而提高道路交通的整体通行能力。从系统的观点出发，把车辆和道路综合起来考虑，着眼于充分利用现有的道路交通设施，在不用大量兴建新的道路设施的前提下着重提高通行效率，以节约大量的建设资金和时间。智能交通系统(ITS)是指在较完善的道路设施基础上，将先进的信息技术、无线通信技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面运输管理体系，从而建立起一种能够在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准
3、确、高效的综合公路运输和管理系统。它是对传统的交通系统进行改造后所形成了一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统，其作用是使交通基础设施得以发挥出最大的效能，提高交通的安全水平，减少堵塞，提高交通网络的通行能力以及整个交通系统的运输效率和经济效益。电子不停车收费系统(ETC)是ITS领域中的一个特殊的方面，由于它涉及交通基础设施投资的回收，又是缓解收费站交通堵塞的有效手段，所以具有巨大的潜在的客户群，因此各个国家都把ETC作为ITS领域最先投入应用的系统来开发。即使是以前很少有公路收费的国家(如美国、德国等)，考虑到扩大道路建设资金的来源以及鼓励私人投资公路建设或控制大城市的交通量，都纷纷将E
4、TC引入了智能交通道路系统。在电子不停车收费系统（ETC）中，通信技术是其核心技术，尤其是短程无线通信技术在电子不停车收费系统中占据着主导地位，它的应用是电子不停车收费系统得以实现的最可靠的保证。1.2.课题的意义探讨ITS智能交通系统在中国公路运输网中的应用，对提高运输效率，保障运输安全，保护生态环境，意义重大。从增大处理容量和为行驶者提供方便两方面可知采用ETC可达到如下目标：1.提高收费站车道通行能力，减少为停车交费带来的交通延误2.通行费支付的非现金化3.管理费用的节省4.收费站周边环境的改进效果1.3 ETC的应用情况ETC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
5、子收费技术。ETC系统用车辆自动识别技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯,进行车辆自动识别和有关收费数据的交换,从而实现不停车自动收费。1.3.1国外的应用情况国际上，美国、欧洲、日本很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程实施、标准规范进行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标准的草案，欧洲和日本提出的标准较为成熟，获得了较广泛的厂商支持。在美国，电子不停车收费方式已经成为美国回收公路投资和养护费用的高效率手段，最著名的联网运行电子不停车收费系统是E-Zpass系统。1997年7月，E-Zpass工程的最终运行方案开始付诸实施和运行。从E-Zpass系统开通起，ETC的交易
6、量持续增长，截止1998年12月，仅经过1年半的时间，共计23条专用ETC车道的电子不停车收费网络就承担了整个月平均交易量的43%，高峰时段甚至达到55%-60%。网络化运行的电子不停车收费系统效益和吸引力充分体现出来。E-Zpass系统采用了专用车道、混合车道两种模式，都有收费员值班。在日本，推进ITS被政府和企业提高到很高程度，其中就包括电子不停车收费。由于技术上的难度到目前为止仍在进行之中。日本采取的是接触式CPU卡加两片式电子标签和双ETC天线的方案，车道设双向打开的高速栏杆，无人值守，具有很高的安全性和车道通行能力，有完善的密钥扩散机制和电子标签发行流通体系。1.3.2 国内的应用情
7、况1996年10月，交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司就不停车收费系统进行了中日技术交流和现场演示会，与会各省交通厅及公路管理部门的领导和专家对此项技术表示了极大兴趣。年底，1997首都高速公路发展公司与美国Amtech公司在首都机场高速路进行了不停车收费试验。到1998年，广东省佛山市通达高技术实业公司引进美国TI公司的不停车收费设备，在佛山、顺德、南海等地建立了20余条不停车收费车道并投入使用，但由于该系统工作是在915MHz的频段，而该频段在中国已经分配给移动通信使用，并且与中国将采用的5.8GHz标准不符，所以没有得到大范围的推广。为规范和促进不停车收费在国内的应用，交通部于199
8、8年组织交通部公路科学研究所等有关单位开展网络环境下不停车收费系统的研究，对有关接口规范和技术指标给出了指导性意见，并在1999年组织北京、广东、江苏、四川的交通厅开展示范工程建设。同时，也计划在更多的省、市开展推广工作，以充分发挥网络不停车收费系统的优势。 1.4 ETC的发展趋势从目前的情况来看，我国人工收费技术发展成熟，相当长时间内仍将占据主导地位。但非现金支付方式将受到欢迎，尤其是在采用非接触IC卡做通行券的路网中，它能很好地避免现金交易的弊端。可以断定方便道路使用者的进步技术总是会受到社会普遍欢迎的，随着经济的逐渐发展，车辆的增多，拥挤的交通，都会使人们对ETC的需求越来越强烈。能够
9、兼容IC卡收费和ETC电子收费的两片式电子标签及其组合式电子收费技术方案将成为公路网自动化收费技术发展的探索和关注焦点。从更长期的角度看，ETC技术除了服务于电子收费外，很有潜力扩展到加油、停车、门禁、出人控制等领域。在国际社会未来的发展中，区域范围内的互换性、多车道自由流技术、带智能卡的双片式电子标签将是研究和发展的热点。研究高速公路合理、有效、低成本收费的有效手段和相关技术，对于降低高速公路运营成本、提高服务水平、解决高速公路融资者、运营管理者、道路使用者、社会公众等诸多方面矛盾将具有重要意义。但要使在智能交通系统领域中具有重要地位的ETC技术能充分发挥其作用和优势，还需要对技术难点进行攻
10、关、对社会环境进行培育。第2章 ETC系统构成和关键技术ETC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技术。ETC系统利用车辆自动识别技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，从而实现不停车自动收费。目前，ETC系统主要采用远距离有源RFID(radiofrequency identification)技术来实现车辆与收费站之间的无线数据通信。国际上ETC系统使用的通信频段主要有3种:915 MHz，2.4 GHz，5.8 GHz。其中915MHz和2.4 GHz频段在移动通信、医疗、科研等领域具有广泛应用，其频率争用严重，所以背景
11、噪声较大，并且没有有效的安全机制，通信能力也较低，特别是2.4 GHz频段是全球免许可频段，其问题更为严重。从已经建成的应用系统来看，915 MHz系统主要应用于北美地区。5.8 GHz专用通信系统主要应用于欧洲、亚洲及大洋洲地区。2.4 GHz系统应用相对较少，没有形成主流。而我国已有的ETC系统应用中，3种通信频段并存。鉴于专用短程通信(dedicated short-range communication ，DSRC)协议标准发展趋势和国内ETC系统应用现状，2007年5月实施的ETC & DSRC中国国家标准GB/T208512007以及2007年10月国家交通部颁布的收费公路联网收费
12、技术要求规定了我国ETC系统的短程通信频段为5.8GHz。2.1概述不停车收费系统是一种能实现不停车收费的全天候智能型分布式计算机控制、处理系统，是电子技术、通信和计算机、自动控制、传感技术、交通工程和系统工程的综合产物。不停车收费的关键是利用车载智能识别卡与收费站车辆自动识别系统的无线电收发器之间，通过无线电波进行数据交换、获取车辆的类型和所属用户等相关数据，并由计算机系统控制指挥车辆通行，其费用通过计算机网络，从用户所在数据库专用账号中自动缴纳。图2.1不停车收费系统工作示意图当车辆通过拥有不停车收费系统(ETC )的收费站时，ETC系统自动完成所过车辆的登记、建档、收费的整个过程。在不停
13、车的情况下收集、传递、处理该汽车的各种信息。这些信息包括车型、车牌号、车辆的颜色、银行的账号、车主姓名等。不停车收费系统的出现是为了解决现今生活中人工收费站手工操作收费效率低、时间长，从而导致收费站成为高速公路流量瓶颈的问题。因此，作为不停车收费系统，首先应具有收费时间短、收费效率高且出错率低的特点；其次，降低成本，提高系统的安全性，从而使整个系统有可推广性；再则，由于不停车收费，可以即时得到电脑票据，因此整个系统收费服务具有透明性，而且系统能处理交费复查要求，让使用者用得放心。2.2ETC系统构成及原理2.2.1 ETC系统构成ETC系统主要是利用车辆自动识别(AVI)技术，通过路侧单元(r
14、oad side unit，RSU)与车载单元(on board unit， OBU)进行相互通信和信息交换，以达到对车辆的自动识别，并自动从该用户的专用账户中扣除通行费，从而实现自动收费。系统构成如图2.2所示，主要由前端系统和后台系统组成，前端系统包括车道控制系统、RSU、OBU及其他附属电子设施。图2.2 ETC系统构成OBU(又称电子标签Tag)中存有车辆的识别信息，如车牌号、汽车ID号，一般安装于车辆前面的挡风玻璃上。OBU具备IC卡访问接口，可实现与IC卡的支付信息交互。OBU是具有微波通信功能和信息存储功能的移动设备识别装置。ETC系统中的OBU按其采用的技术可分为主动式和被动式
15、两类。主动式为有源发射方式，自身具备发射能力，需接车内电源或电池；被动式是无源反向散射方式，无须接电源。OBU按照读写方式还可分为只读型和可读写型。根据有无IC卡接口又分为单片式和双片式，即:带IC卡接口的为双片式，无IC卡接口的为单片式。国家交通部颁布的收费公路联网收费技术要求规定我国5.8 GHz ETC系统采用的OBU为主动式、可读写、双片式电子标签。RSU安装于收费站旁边。RSU一直发送广播信号，当车辆通过收费站口时对RSU广播信号做出响应，建立专用通信链路进行双向通信和数据交换。车道控制系统通过RSU实现AVI信息验证、支付信息验证等数据交互，并控制整个ETC车道的电子设施，包括自动
16、控制栏杆、车辆摄像系统、交通灯等。后台系统有大型的数据库，存储大量注册车辆和用户信息。后台系统工作任务主要为向客户发售OBU，并做OBU的初始化，接收前台收费数据文件，交易和结算，存储、管理抓拍图像等。它主要包括如下系统:计算机管理系统，道路运营管理系统，结算中心管理系统，客户服务中心管理系统，银行管理系统。2.2.2 ETC系统原理当车辆进入ETC车道有效通信范围后，地感线圈首先感知车辆，然后触发RSU发出询问信号；OBU监听到有效询问信号后被激活，由休眠状态进入工作状态，应答RSU并实现AVI信息交互；RSU通过AVI信息交互获取车辆标识信息、用户电子账户信息及其他车辆属性信息，并将数据传
17、送到车道控制系统；车道控制系统对AVI信息进行验证，若AVI验证通过则进行支付辅助信息验证，计算支付额并传输支付记录，典型ETC交易示例图2.3所示。对于未通过AVI验证的非法车辆，车道控制系统会控制自动栏杆拒绝其通过，抓拍车辆图像传送给后台系统报警。整个ETC通过前端系统和后台系统的配合，从而实现不停车收费管理。 IC卡OBURSU车到控制系统获取AVI信息 验证AVI信息 AVI验证通过获取支付辅助信息 验证支付辅助信息 计算支付额并传输 支付过程 传输支付记录图2.3ETC交易示例2.2.3 ETC的工作流程车主到客户服务中心或代理机构购置车载电子标签，交纳储值。由发行系统向电子标签输入
18、车辆识别码(ID)与密码，并在数据库中存人该车辆的全部有关信息(如识别码、车牌号、车型、颜色、储值、车主姓名、电话等)。发行系统通过通信网将上述车主、车辆信息输入收费计算机系统。车主将标识卡贴在车内前窗玻璃上即可。进入车道的流程如下：1.收费车辆进入到ETC车道工作区。2.车道控制系统的射频读写器和射频天线(统称电子标签读写设备)向车道的特定区域发车微波信号，唤醒电子标签。3.电子标签发射出本身数据信息，如:发卡商(发卡银行)编号、车辆的车牌号、车类参数、电子标签号等标识信息。4.车道控制系统读写器接受被唤醒的电子标签发射的数据，分析出车辆的标识信息(车牌号码、车辆类型参数和入口收费站号)。5
19、.对进入收费车道的车辆进行电子标签合法性的校验，并根据校验结果进行下一步操作。6.违章车辆的图像抓拍。当系统运行时，启动摄像机，如系统检测到违章车辆(无电子标签、非法电子标签和黑名单上的电子标签)，通过存储设备保留该车辆的图像。违章车辆数据库中的图像按时间顺序存储，并以电子标签的信息(车牌、电子标签号等)作为索引查询。7.根据车类参数决定收费车辆类型和收费金额，将电子标签号、车牌号、过车时间、车道号等信息组成过车记录，上传到收费站监控系统。8.接收收费站监控系统主机下传的数据，对车道控制机中的相应信息进行更新，这些信息包括黑名单、优惠名单、费率表等。9.系统复位，等待下一收费车辆的到来。银行收
20、到汇总好的各路公司的收费信息后，从各个用户的账号中，扣除通行费和算出余额，拨入相应公司账号。与此同时，银行核对各用户账户剩余金额是否低于预定的临界闽值，如低于，应及时通知用户补交，并将此名单(灰名单)下发给全体收费站。如灰名单用户不补交金额，继续通行，导致剩余金额低于危险门限值.则应将其划归无效电子标签，编入黑名单，并通知各收费站，拒绝无效电子标签在高速公路电子收费车道通行。收费结算中心设有用户服务机构，向用户出售标识卡、补收金额和接待客户查询。后台有一套金融运行规则和强大的计算机网络及数据库的支持，处理事后收费等事项。2.3ETC系统关键技术2.3.1车辆自动识别技术车辆自动识别技术(AVI
21、)是ETC系统的核心技术，AVI经历了声表面技术、条形码技术、红外通信技术、无线电射频和微波通信技术等过程，最后得到可的只有改进的红外通信识别技术和无线电通信技术。到20世纪末，已基本确立了采用微波通信技术作为电子收费系统的车辆自动识别技术的主流地位。但近年来，采用全球卫星定位系统(GPS)技术的车辆定位系统(VPS)和基于光学字符识别(optical character recognition，OCR)技术的牌照识别(LPR)也进人了AVI的应用。目前国际上的主流ETC系统都采用微波通信技术实现车辆自动识别。同时，国际上为了实现智能交通系统(intelligent transport sys
22、tem，ITS)对车辆的智能化、实时、动态管理，专门开发了短距离间的专用短程通信(DSRC)协议。目前，国际上已形成欧洲CEN/TC278、美国ASTM/IEEE、日本ISO/TC204为核心的DSRC标准化体系，其他各国的DSRC标准都是参照这3类标准来制定的。表1对国际DSRC标准做了简单的比较。表1国际DSRC标准比较地区频率/GHz主(被)动方式调制方式通信协议传输速率/(kb/s)欧洲CEN/2785.8被动式ASK,BPSKHDLC上行250/下行500美国ASTM/IEEE5.8主(被)动式,主-从通信QPSKTDMA500日本TC/2045.8主动式ASK,QPSKFCMS/M
23、DS/ACTS1024中国TC/2045.8主动式ASKHDLC上行512/下行256注:ASK幅移键控；BPSK二相相移键控；QPSK四相相移键控；HDLC高级数据链路控制；TDMA时分多址；FCMS帧控制信息时隙；MDS信息数据时隙；ACTS激活时隙。2.3.2车型自动分类技术公路收费是分车型收费的，不同的车型对应着不同的收费标准，AVC系统根据车辆的物理特性来进行车型分类。AVC依据的车辆物理特性包括:车长，车宽，车高，车轮直径，轮距，轮数，轴数，轴距，底盘高度及外形尺寸等。1、车辆特征检测方法目前，国内外用于车辆特征检测的传感器主要有压力传感器、环形地感应线圈、红外阵列、超声波、雷达、
24、声学传感器、震动传感器和视频传感器。 (1)电磁感应线圈法。其方法是首先要在地面埋设专用的感应线圈，此线圈作为检测器与主机相连。当车辆通过车道时，主机就可以根据检测线圈送来的信号对车辆进行分类。电磁感应线圈法的原理为，根据不同车辆通过埋设于车道下的环形感应线圈引起其电感量不同的变化来检测车辆的到达和离开，并进行车型分类。电磁感应线圈法的优点是技术比较成熟、成本低、方法简单易行，只需检测埋在地下的感应线圈，再与已知频差曲线对照即可得出分类结果。其缺点是系统的安装和维护极其不便，同时受车辆行驶速度和其他干扰因素等影响，获得的频差曲线干扰较多，曲线复杂，对车型的分类效果不理想。所以很少单独使用，通常
25、作为其他系统的辅助装置。(2)激光为代表的检测法(雷达、超声波及红外线)。采用脉冲激光的测量方式可以检测行驶中车辆的3维外形形状。激光检测法的优点是系统的测量精度比较高，而且可以测出行驶中车辆的外形3维全貌。缺点是安装及维护要求较高，外形检测后还需要与数据库中的数据进行匹配，系统比较繁琐，而且激光，包括超声波、雷达传感器在使用时造成环境污染。为了控制污染，这些传感器的功率受到严格限制而影响检测距离和检测效果。(3)动态称重法。其原理是，当车辆通过埋入路面下的压力检测器时，检测器受力产生形变，根据回传信息对车辆进行检测，可测量车辆的轴重、轴距、总重、车速等，并按预先制定的车型分类表，自动识别车型
26、。动态称重具有节省时间、效率高的优点，但由于其技术还不够成熟，加之设备安装复杂、寿命短，温度、车辆振动、道路质量等都会对系统精度产生很大影响，所以在车辆检测和车型识别中还没有得到广泛应用。(4)视频、图像法。视频法首先依靠安装在检测区域后上方的高速摄像机对检测区域内的车辆进行拍摄，然后研究摄像机摄取的车辆的视频图像，利用图像处理方法对其进行分析处理，从而确定车辆类型。视频法的优点是可以获得车辆外形全貌的参数，而且精度比较高。基于该方法的车型识别系统，具有维护方便，不影响交通的优点，视频图像输出可提供现场录像，为有争议的车型识别提供证据及人工判别依据。一台摄像机可以同时监控多个车道，节约系统成本
27、。缺点是受外界环境(如恶劣天气情况)的影响较大，图像处理技术比较复杂，成本较高。2、车型识别算法利用各种传感器得到车辆特征参数后，就要对数据进行分析、融合来确定车型。目前，关于车型识别的算法大致可以分为以下2类:基于模板的方法、基于代数特征的方法。近年来，各种基于支持向量机(support vector machines，SVM)的车型识别算法研究引起了广泛的关注。支持向量机是由Vapnik等人于1995年提出的一类新型机器学习方法。能够较好解决小样本、非线性及高维数等模式识别问题。在车型识别中，陈宏等应用SVM进行车型识别，分类正确率达到了90%。SVM的理论优势非常突出，但应用研究还相对滞
28、后。2.3.3视频稽查技术视频稽查是利用OCR技术自动获取非法车辆的车牌号码，车牌照识别主要分为车牌图像捕获、图像预处理、车牌定位、字符分割、字符识别等几个部分。1、车牌定位目前基本的车牌定位方法主要有:基于纹理的定位方法；基于边缘检测的定位方法；基于数学形态学的定位方法；基于颜色的定位方法；基于遗传算法提取汽车牌照的方法；基于BP神经网络的车牌定位方法。2、字符分割在经过号牌定位环节后，为了方便下面的识别环节，应首先对字符进行分割，并进行量纲一化，分割质量的好坏和正确与否将直接影响后面识别结论是否正确。字符分割的主要任务是:确定车牌字符的上下边界；将车牌中的字符逐个分割出来；将分割出来的字符
29、量纲一化到一个固定的大小。当然不同的识别算法，在这个阶段有不同的算法和目标，但大致目标是基本相同的。3、字符识别字符识别是模式识别的重要应用领域，涉及到图像处理、人工智能、模糊数学、机器视觉等多种学科，是一门综合性很强的应用型技术。当前专门针对车牌字符识别的方法主要有简单的模板匹配法、神经网络方法、特征点匹配法、基于Hausdorff距离法、光电混合联合变换相关法和小波法等简单的模板匹配法计算快速，但对字符的噪声、变形以及光照的影响容易敏感。常用的神经网络有BP神经网络、Hopfied网络和Kohonen网络等，其优点是对于字符的噪声及变形不敏感，缺点是不易区分特征值相近的字符，因此神经网络法
30、常用于初级分类。2.4小结ETC是提高高速公路车辆快速通行的关键技术，本章首先要概述不停车收费系统的原理，及ETC系统构成；其次，阐述不停车收费系统的工作过程；然后详细分析了实现该系统的关键技术。第3章ETC系统的无线通信技术3.1短程无线通信技术正是有了短程无线通信技术，不停车收费系统才得以应用和发展。随着通信技术的迅速发展，无处不在的网络终端、个性化、智能化的便携式设备以及方便快捷的无线接入、无线互联等新产品，已经逐渐融入人们的日常生活和工作领域中。所谓无线通信，就是在发送端将待传输的信息调制到无线电频率上，由天线将信号发射到空间(无线信道)，信号以电磁波的形式在空间传播。而在接收端，由天
31、线将空中的电磁波信号接收，再由接收设备将己调制的信号解调，还原成原始信息。由于无线通信的信道是空间，不像有线通信那样需要电缆、光纤等作为连接收发信号设备的信道，所以无线电通信方式允许终端移动。3.1.1常见的短程无线通信技术代表性的短程无线通信技术标准有:Bluetooth、IrDA， IEEE802.11系列。在智能交通领域，国际上也开发了适用于ITS领域的道路与车辆之间的通信协议，即专用短程通信(DSR C)协议。 (1)蓝牙是一种高速率、低功耗的微波无线连接技术，主要应用于电话、便携式电脑、FDA和其它袖珍型设备的自动连接组网。蓝牙技术具有全向传输能力，不须对连接设备进行定向。这种技术其
32、实是一种改进的无线局域网技术，但其设备尺寸更小、成本更低。在任意时间，只要蓝牙技术产品进入彼此的有效范围之内，它们就会立即传输地址信息并组建成网，这一切工作都是设备自动完成的，用户不参与。 (2) IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它在技术上的主要优点是:无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匾乏、频道使用费用增加的背景下是非常重要的。它也具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。 (3) IEEE 802.11系列无线以太网标准最初是以适用于大型办公室或业务园区为设计目标的，可支持10到100个接入点。这是一种高性能的数据网
33、络，具有安全性好、数据传输速率高等优点，但实现起来成本较高。 (4) DSRC协议是一组无线通信协议，它通过信息的双向传输将车辆和道路有机地连接起来，实现信息的双向交互。3.1.2本系统中的短程无线通信技术在本系统中所用的短程无线通信技术是RF技术。这是因为:1.在日益发展的无线通信业务中，频率资源己十分宝贵，应选用与其它应用无冲突的频段。2.4GHz是日常生活中的常用频段，如果选择在此频段工作会带来设备冲突及相互干扰。nRF905的发射频率是915MHz，目前在这一频段的应用较少。2.相比于IrDA， RF技术不受光波传输性质的限制。3.硬件设计、软件编程相比蓝牙技术而言要简单的多。所以，本
34、系统中的短程无线通信技术采用RF技术并根据此技术选择相应的硬件资源。同时，现有的短程无线通信技术也对本系统的硬件和软件设计具有一定的借鉴和指导作用。总之，采用RF技术的优点有:1.有利于后期开发。可根据系统的要求来开发相应的功能，不会造成功能的冗余。2.有利于系统抗干扰能力的控制。可根据实际测试结果，扩展硬件设备和增加软件算法来提高系统传输的可靠性。3.性价比较高。开发成本低，性能优越。3.2射频识别技术原理3.2.1射频识别技术的基本概念及其工作原理无线射频识别技术(RFID)是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间(电感或电磁耦合)传输特性，实现对被识别物体的自动识别。射
35、频识别系统一般有三个部分组成，即电子标签(Tag)、阅读器(Reader)和应用系统，其基本模型如图3.1所示。数据时序能量耦合元件(线圈、微波天线)射频识别系统电子标签应用系统图3.1RFID的基本模型图其中电子标签为数据载体，又称为应答器，电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的转换。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种: (1)电感耦合（低频系统) 电感耦合采取的变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律电感耦合方式一般适用于中、低频工作的近距离射频识别系统，典型的工作频率有:
36、125kHz，225kHz和13.56MHz。识别作用距离小于lm，典型作用距离为10-20cm 。 (2)电磁反向散射耦合(高频系统)电磁反向散射耦合采取的是雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标消息，依据的是电磁波的空间传播规律。电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有:433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。识别距离大于lm，典型作用距离为3-l0m。常见的RFID的工作频率如图3.2。无论是只读型，还是可读写型电子标签，阅读器和电子标签之间所传递的数据信息都是由用系统处理的，阅读器只是电子标签和应用系统
37、之间一个传输信息的通道。射频识别系统工作的时序方式有两种，一种为RTF (Reader Talk First，即阅读器先发言)方式，另一种为TTF (Tag Talk First，即标签先发言)方式，其过程分别如下:采取RTF方式的电子标签在一般状态下，处于“等待”或称为“休眠”的工作状态，当其进入阅读器的作用范围内时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态转到“接收”状态，接收阅读器发出的命令后，进行相应的处理，并将相应结果返回阅读器。与此相反，采取TTF方式的电子标签进入阅读器的能量场就主动发送自身ID号。在低频系统中，标签一般都是无源工作的，能量经过交变磁场的能源转换来完成，电子标签
38、通过感应阅读器的发射磁场，产生一个电压，将其整流后作为其工作电压；在高频系统中，射频识别系统按电子标签的供电方式可分为有源标签和无源标签两类。无源标签需从阅读器发出的射频波束中获取能量，经过整流、存储后提供电子标签所需的工作电压。与有源标签相比，它具有成本低，无需维护、使用寿命长等特点。缺点是阅读器要发射更大的射频功率，识别距离相对较近等。 常用: 125k 13.56M 433M 866960M 5.8G 30K 300K 3M 30M 300M 3G 30G LF HF UHF SHF 0 1K 1M 10G 图3.2 工作频率分布图 3.2.2射频识别技术的物理原理 电子标签和阅读器通过
39、各自的天线构建起二者之间非接触的信息传输通道，这种空间传输通道的性能完全有天线周围的场区特性所决定，是电磁波传播的基本规律。根据观测点距天线距离的不同，天线周围的场呈现出的性质也不同。通常可以根据观测点距天线的距离将天线周围的场划分为三个区域。 (1)无功近场区无功近场区又称为电抗近场区，它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中电抗性储能场占支配地位，通常，该区域的界限取为距天线口径表面1/2处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场的交换。如果在其附近还有其他金属物体，这些物体会以类似电容、电感耦合的方式影响储能场，因而也可以将
40、这些金属物看作组合天线(原天线与这些金属物组成的新的天线)的一部分。在该区域中束缚于天线的电磁场未曾做功(只是进行相互转换)，因而将该区域称为无功近场区。 (2)辐射近场区辐射场区的电磁场己经脱离了天线的束缚，并作为电磁场进入空间。在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距天线口径的距离有关，天线各单元对观察点辐射场的贡献，其相对相位和相对幅度是与天线距离的函数。对于通常的天线，此区域也称为菲涅尔区。 (3)辐射远场区辐射远场区即人们常说的远场区，又称为夫朗荷费区。在该区域中，辐射场的角度分布与距离无关。严格地讲，只有离天线无穷远处才达到天线的远场区，但在某个距离上，辐射场的角度分
41、布与无穷远时的角度分布误差在允许的范围以内时，即把该点至无穷远的区域称为天线远场区。公认的辐射近场区与远场区的分界距离R为:式中，D为天线直径，又为电磁波波长， 对于天线而言，满足天线的最大尺寸L小于波长时，天线周围只存在无功近场区和辐射远场区，没有辐射近场区。超过无功近场区的边界，辐射远场区就占主要优势了，一般满足的天线称为小天线。对于射频识别系统而言，一般情况下，由于对标签尺寸的限制，以及阅读器天线应用时的尺寸限制，绝大多数情况下，采用或的天线结构模式，因而，天线的无功近区和远场区可以根据波长估算。表3.1给出了常用射频识别系统工作频率对应的波长、无功近场区和辐射远场区的距离估算结果。表3
42、.1不同频率的波长、无功近场区、辐射远场区距离估算图频率f波长（m）2222333m353cm13.56MHz22.13.5m3.5cm433MHz0.69311cm11cm915 MHz0.3285.2cm6.1cm2.45 GHz0.1221.9cm16.4cm5.8GHz0.0528.28mm38.5m* R1为无功近场区边界，R2为辐射远场区内界。 表3.1的计算数据是基本的数值参考。对于给定的工作频率，无功近场区的外界基本上由波长决定，辐射远场区的内界应满足大于无功近场区外界的约束。当天线尺寸(D或L)与波长可比或大于波长时，其辐射近场的区域大致在R1和R2之间。 有关天线场区的划分
43、，一方面表示了天线周围场的分布特点，即辐射场中的能量以电磁波的形式向外传播，无功近场中的射频能量以磁场、电场的形式相互转换并不向外传播；另一方面表示了天线周围场强的分布情况，距离天线越近，场强越强。3.2.3能量耦合射频识别系统中的标签与阅读器之间的作用距离是射频识别系统应用中的一个重要指标。通常情况下，这种作用距离定义为标签与阅读器之间能够可靠交换数据的距离。根据射频识别系统作用距离，标签天线与阅读器天线之间的耦合可以分为三类:密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。 (1)密耦合系统密耦合系统的典型作用距离范围从0-lcm。在实际应用中，通常需要将标签插入到阅读器中或者将其放置到阅读器天线的表
44、面。密耦合系统利用的是射频标签与阅读器天线的无功近场区之间的电感耦合 (闭合磁路)构成的无接触的空间信息传输射频通道工作的。密耦合系统的工作频率一般局限在30MHz以下。由于密耦合系统方式的电磁泄漏很小，耦合获得的能量较大，因而适合要求安全性较高，但不要求作用距离的应用系统，例如电子门锁。 (2)遥耦合系统遥耦合系统的典型作用距离可以达到lm。遥耦合系统又可细分为近耦合系统(典型作用距离为15cm)与疏耦合系统(典型作用距离为lm)两类。和密耦合系统一样，遥耦合系统利用的也是射频标签与阅读器天线的无功近场区之间的电感耦合(闭合磁路)构成的无接触的空间信息传输射频通道，但相对于密耦合系统来说，遥
45、耦合系统由于识别距离的增大，导致电磁泄漏量增大，耦合获得的能量就比较小。其典型工作频率为13.56MHz，也有一些其他频率，如6.75MHz，27.175MHz等。 (3)远距离系统远距离系统的典型作用距离为1-l0m，个别系统具有更远的作用距离。所有的远距离系统均是利用标签与阅读器天线辐射远场区之间的电磁耦合(电磁波的发射与反射)所构成的无接触空间信息传输通道工作的。3.2.4数据传输原理1.数据编译码与调制解调图3.3的方框图说明了一个数字通信系统。类似地，对射频识别系统来说，阅读器与电子标签之间的数据传输需要三个主要的功能模块。按从阅读器到电子标签的数据传输方向，它们是阅读器(发送器)中
46、的信号编码(信号处理)和调制器(载波回路)，传输介质(通道)，以及电子标签(接收器)中的解调器(载波回路)和信号译码(信号处理)，反之，从电子标签到阅读器的数据传输中，也是同样的系统结构，不过数据流方向变换了而已。 u(t) 信息源 s(t) r(t) 信宿接收器发送器信号处理载波回路通道噪声载波回路载波处理图3.3数字通信系统中的信号和数据流信号编码系统的作用是使传输的信息和它的信号表示尽可能最佳地与传输通道的性能相匹配，其作用是对信息提供某种程序的保护，以防止干扰或相碰撞，以及对某些信号特性的蓄意改变。信号解码是编码的逆过程，其任务是从基带编码的接收信号中恢复原来的信息，并识别和标识出传输错误。射频识别系统中的编码形式多种多样，有反向不归零制(NRZ)编码、曼彻斯特(Manchester)编码、单极归零制编码、差动双相(DBP)编码和米勒(Miller)编码等等，在射频识别系统选择编码形式时，最重要的是调制后的信号频谱，以及对传输错误的敏感度。此外，对于一些需要完成特殊功能的系统来说，比如反碰撞算法，需要按照其算法的要求来选择合适的编码。对无源标签来讲，不允许由于信号编码与调制方式的不适当而导致能量供应的中断。基带信号是不宜直接在信道中