基于RFID技术的港口车辆管理系统设计与实现

摘要：随着我国经济持续发展，港口业务增长迅猛，提高吞吐量的需要也越来越强烈。而目前依靠人工管理的方式显得捉襟见肘，所以采用高新技术改善港口管理模式势在必然。RFID港口车辆管理系统通过给港口车辆绑定电子身份芯片，把车辆的相关信息记录到系统中，由系统统一管理港口车辆的进出行为，从实际上解决人工管理车辆所带来的效率与效益的问题。系统利用高性能的超高频读写器，采用基于C／S模式分层结构，利用缓存，双数据库技术，使系统的可操作性强，稳定性高，数据交互便捷。从而很好地提高了港口码头的管理效率与服务水平。
关键词：港口车辆管理系统；RFID技术；车牌识别；电子标签

0 引言
    随着世界经济的发展，快速增长的港口业务量对港口码头管理系统的要求越来越高。将RFID无线射频识别技术、计算机技术、车牌自动识别技术、地感技术、自动控制技术、视频监控技术、数据库技术、网络技术紧密结合，建设基于RFID技术的港口车辆管理系统能大大提高港口的效率与效益。
    传统的人工管理手段存在很多缺陷，港口使用RFID技术等管理能有效地解决以下问题：
    (1)人工管理存在着人为的过失与耗时长的问题，而使用计算机技术自动读取RFID存储信息，在系统正常运行中不存在失误的问题，计算机的高性能也使单位流程的作业时间减少到最优。
    (2)在遇到不实时的问题时可通过系统调出历史记录，防止无法追溯问题的出现，减少不必要的分争端。
    (3)在遇到网络故障等问题时，车辆身份的信息可直接通过读取写入RFID标签的数据区获取，实现系统的不间断运行。
    (4)减少司机的工作量，RFID技术的远距离、可移动的读取方式可使司机不下车，不等待便可以通行。
    (5)可防伪性，系统根据一定的规则向每张车辆身份卡写入数据，他人不可效仿。

1 RFID技术
    RFID(Radio Frequency Identification)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)实现无接触式信息传递，并通过所传递的信息达到自动识别的技术。20世纪90年代以来，RFID技术迅速发展，因其具有数据存储量大，穿透力强，读写距离远，读取速率快，使用寿命长，环境适应性好等特点，已被广泛应用于身份识别、物流管理、物品追踪、防伪、交通、动物管理等诸多领域。
    一个完整的RFID系统主要由限量的后台计算机、若干读写器、阅读器及电子标签组成。其中，电子标签是物品识别的载体，每个标签具有惟一的电子编码，其内部存放着物品的相关信息；读写器和阅读器是系统的中间设备，它们通过射频信息同电子标签进行近距离通信，从而识别标签指代的物品信息，通过接口把信息汇总给后台计算机。读写器和阅读器的区别在于，读写器可以对标签进行读写操作，而阅读器只能读取标签内部存放的信息；后台计算机分析从中问设备传来的信息，负责管理整个标签系统的正常工作。
    RFID系统的硬件组成包括电子标签和电子标签读写器两部分。读写器通过射频信息同电子标签进行通信，系统通过读写器给电子标签发送指令，并通过读写器分析电子标签返回的有关信息；电子标签是应答器，用来响应读写器的指令，并报告处理结果。
    电子标签由标签天线和标签芯片组成，标签天线是读写器和标签芯片之间进行信号和能量传递的终结。标签芯片则根据读写器的指令，做出相应的操作和响应。

2 系统概述
    系统分为软件与硬件部分，硬件部分包括RFID读写器、RFID电子标签、工控机、摄像机、硬盘录像机、自动道闸、LED显示屏、地感等。软件部分采用C／S模式设计，具有响应速度快，操作界面漂亮等优点。软件实现对系统合法用户的管理，并允许对应的用户管理车辆的身份卡(RFID标签)，包含新增与注销。另外，对应的系统用户可以监控整个车辆的出入行为，必要时可进行人工干预，超级用户具有对这个系统所有功能的权限，具有对系统所有数据字典、过往历史记录的查阅统计等操作权限。另外，系统具有双数据库，即中心数据库与本地数据库。中心数据是网络正常情况下系统记录信息与获取信息的媒体，系统通过WebService服务与中心服务器进行交互；本地数据库应具有与中心服务器相同的数据字典，以便于网络异常情况下，实现系统脱机运行，系统在这一时期产生的数据会暂时保存在本地数据库，待网络正常后自动上传到中心服务器，保证记录的完整，其物理结构模型如图1所示。

    由图1可以看出，系统主要运行在局域网内，一个网内可分步多个闸口子系统，一般情况下一个子系统可包含一个出子系统与一个入子系统，图中只画出一个子系统的出与入子系统，每个子系统通过连接基础硬件设备已达到系统全方位控制，读写器与网络相连，可通过读写器的ID地址区分不同的子系统，同时安装视频监控，实时记录现场的画面并保存，通过串口服务器主要是要达到控制自动道闸与LED显示屏的目的。其系统软件体系结构如图2所示。
    数据存储层  包括与数据存储系统的接口，如数据库系统、文件系统或者其他类型的数据源，主要是存储系统所产生与所需要的数据记录。
    数据接口层  此层是为业务服务提供相应的数据服务，通过WebService接口实现与数据存储层的连接。该层由一系列的数据访问组件组成，它可以完成对数据对象的CRUD(增加、删除、查询、修改)操作，可抽象出数据访问方式，分离数据访问的实现与其他业务逻辑，上层的业务逻辑组件无需理会底层的数据库访问细节，专注于业务逻辑的实现。
    应用服务层  此层是应用系统的核心，由系列的业务逻辑组件组成。它完成了系统所需的所有业务逻辑方法。业务逻辑层建立在数据接口层之上。为了分离业务逻辑层与数据接口层之间的耦合，即业务逻辑组件只调用数据接口层提供的接口，而不与具体的实现类耦合。使应用层仅仅与业务逻辑组件的接口耦合，而无需理会业务逻辑组件的实现。
    用户表示层  表示层即UI，UI(User Interface)用户界面，也称人机界面。是指用户和某些系统进行交互方法的集合，这些系统不单单指电脑程序，还包括某种特定的机器、设备、复杂的工具等。控制层接受用户的输入，并调用模型和视图去完成用户的需求，当用户单击系统界面中的按钮等时，触发相应的事件提交对应的模块进行处理。
    系统工作流程图结构如图3所示。

    上图主要是从大的角度描述整个系统工作的流程，首先系统定义了身份卡的类型有2种：临时卡、固定卡。临时卡只有一个单位的生命周期，即只能完成1次车辆的出入操作，车辆进港口时发卡区提供如车牌等的必要信息后，发卡用户确认无误后发出该车辆对应的临时卡。固定卡是代表长时间有效的，车辆持卡进入识别区，进行核对身份并进行相应的操作。临时卡的车辆出闸口时，用户应该在系统的提醒下回收身份卡后才能放行。

3 系统功能模块结构
    系统模块结构图如图4所示。

3．1 用户管理
    界面如图5所示。

    (1)查询：在用户名称文本框中输入需要查询用户的用户名称，即对应详细信息列表中的账户名，即可查询对应的账号信息，该查询属于精确查询，默认文本框为空，则查询系统所有的合法用户。
    (2)添加：在添加信息中输入用户的必要信息，通过验证，包含账户名不允许相同，2次输入的密码要一致等，即可完成用户的添加。
    (3)删除：在详细信息列表中选中需要删除的用户，点击删除用户按钮完成用户的删除。
3．2 卡片管理
    界面如图6所示。

    (1)添加新卡。首先保证软件跟读写器设备正常连接，软件左下角会提示当前的连接情况；然后拿一张新的标签在读写器上读取它的编号后，再根据界面的需求完成必要的信息填写，点击确认新增按钮，即可完成发卡的功能，同时标签内会写入一些相关的信息，由于车牌部分设计汉字编码，按照国际编码规范转换一个汉字得占用16 b，因为车牌汉字固定，故采用自定义编码规则，有效节省标签存储空间，其他的写入信息也按照定义的简单类型进行写入，所以读取标签时也要在此编码规则下进行翻译才能读取有用的数据。
    (2)销毁卡片。当卡片不再在系统中有效时，可先读取标签的编号，界面显示这标签的相关信息，待用户确认并填写相关的销毁原因后点击确认销毁即可完成操作。

3．3 车辆管理
    界面如图7所示。

    此模块主要自动完成车辆持有效身份标签后通过闸口的操作，可以对车辆进行有效的身份确认与记录功能。闸口历史记录列表记录允许通过闸口的车辆记录，显示最新的N条记录。左下角是车牌识别模块实时识别显示，显示当前车道的摄像枪的摄像内容，点击切换按钮可在出口通道与入口通道的视频画面中转化。
    右面显示的区域是最新通过闸口车辆的截图与状态。右上区域显示出口车辆的画面，并在标签车牌文本框中显示当前车辆的身份卡中记录的车牌号，系统会自动与车牌识别模块中的识别结果进行匹配，如果识别成功则自动完窀开闸、LED显示、记录行迹等相关操作；如果识别失败则提示人工识别，如果识别成功则填写开闸原因，并点击手动开闸按钮进行放行；如果识别的结果与身份卡的信息不匹配，则提示操作人员匹配失败，操作人员人工确认后可进行相应的处理。
3．4 统计查询
    车辆基本信息查询界面、行迹信息查询界面如图8所示。

    车辆基本信息查询是查询所有已发车辆身份卡的信息。行迹信息查询是查询所有允许通行的车辆的记录信息。此模块按照界面所能提供的属性进行相应模块的查询操作，支持组合条件查询，查询部分为提供更快的查询效率，添加缓存机制。根据搜索内容的关键字，可优先从本地缓存中取数据，不用向服务器请求。
    除此之外，系统还有一些其他的功能模块，菜单栏中的下载数据是指在网络正常的情况下。从服务器下载最新的数据字典，达到本地数据与远程服务器数据的一致性。上传数据是指脱机运行时产生的数据，如行迹记录等都暂时保存在本地，客户端跟服务器恢复正常通信后通过“上传数据”菜单把记录保存到后台服务器。切换用户是指在模块的管理员账户之间可以在不退出系统的情况下进行切换。修改密码是指修改当前处于登录状态的用户密码，需要输入原始密码与新密码。

4 结语
    RFID港口车辆管理系统是基于RFID的车辆管理应用解决方案，采用先进的RFID技术结合数据库技术、电子技术、通信和信息技术等诸多高科技技术，能有效地解决港口车辆信息管理中的传统问题，有效地提高闸口的管理水平和信息化水平，实现对车辆的自动识别和实时跟踪，避免了人为的过失，提高了车辆在港口的通关速度。所以RFID技术应用于港口车辆的综合服务与管理，具有多方面的战略性积极影响与巨大的市场前景。