基于RFID技术的高速公路不停车收费系统

摘要：无线射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，近年来在国内外已经得到了迅速发展。以RFID为研究对象，分析其工作原理及主要特点，通过对不停车收费系统的组成及工作流程介绍，重点说明RFID中间件技术在该系统中的应用。基于RFID技术的高速公路不停车收费系统作为智能交通系统领域中的一个重要方面，是缓解收费站交通堵塞“瓶颈”的有效手段，对环境污染的降低起到重要作用。
关键词：RFID；自动识别；ETC；智能交通

0 引言
    随着公路建设的飞速发展，我省高速公路通车里程不断增加，2010年通车里程达到3 400 km，居西部第一。在通车公路里程增加的同时，交通流量也在不断增加，人工和半自动收费方式已不能满足高速路上通行车辆对收费管理系统的需求。原始的收费方式严重制约高速公路向现代化方向发展，存在很多弊端，主要表现在：
    (1)收费设施及收费技术落后，停车收费造成收费站交通拥堵。
    (2)在收费站停车次数增多，汽车耗油增加，汽车尾气对环境的污染增加。
    为了解决以上问题，2009年我省高速公路开始建设电子公路不停车收费系统(Eleefronie Toll Collection，ETC)，通过对车载电子标签的自动识别完成不停车情况下通行费的自动收取处理全过程。自动车辆识别技术主要通过射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)来采集车载电子标签的数据信息而实现的。RFID是一种非接触的射频通信方式，通过RFID读写器与RFID电子标签的无线通信可以进行信息的采集功能，从而识别车载RFID电子标签载体的身份等特征，达到提高收费站通行效率的目的。

1 RFID射频识别技术
    RFID是一种无线的、非接触方式的自动识别技术，作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，被公认为20世纪十大重要技术之一。这项技术最大的优点就在于非接触，在完成识别工作时无须人工干预，适于实现自动化和远程实时监控及管理，可识别高速运动物体并可同时识别多个RFID电子标签，操作快捷方便。典型的射频识别系统的工作原理如图1所示。

    系统通电工作后，RFID读写器通过其内部的线圈周期性地发出一个固有频率的电磁波(激发信号)。当RFID电子标签处于RFID读写器的感应范围内时，RFID电子标签内的线圈在“激发信号”的感应下产生微弱电流作为集成芯片的电源。RFID电子标签上电复位后，原本处于“休眠状态”的RFID电子标签被激活并将含有自身种类识别码标志、制造商标志等信息代码调制到载波上，经RFID电子标签内天线发射出去。

2 ETC实施方案
    ETC是一个集中了射频识别、计算机网络、信息处理以及自动控制等多项高新技术，在公路自动收费综合系统中的应用。它利用车载RFID电子标签自动与安装在路侧或门架上的RFID阅读器进行信息交换，中心控制计算机根据RFID电子标签中存储的信息识别出车主信息，然后自动从车主的银行账号中扣除通行费。ETC收费系统可以做到通行车辆不停车、车辆通行时无人操作与无现金交易。ETC收费系统效果图如图2所示。

    高速路收费站ETC通道采用智能型远距离非接触RFID阅读器，当车辆驶抵收费站ETC通道入口时，RFID阅读器将收费站入口信息数据写入车载RFID电子标签内。该车辆在驶至下个收费站ETC通道出口时，RFID读写器读取出车载RFID电子标签的信息并将读取到的信息传送到ETC后台管理系统。经ETC后台收费管理系统核对无误后完成一次网上银行的自动收费，并开启绿灯或其他放行信号，控制道闸抬杆，指示车辆正常通过。如果核对该车辆通行合法性有误，则维持红灯或其他停车信号，指示该车辆属于非正常通行车辆，同时安装的高速摄像系统能将车辆的有关信息数据快速记录下来并通过管理人员进行处理。该系统的工作流程如下：
    (1)车主办理ETC通行以及网上银行业务。车主到高速公路管理部门购置RFID电子标签。由发行系统向RFID电子标签输入车辆识别码，并在数据库中存入该车辆的全部有关信息，并在银行系统开通网上银行业务，使银行账户与车主信息绑定。
    (2)车辆信息入库。发行系统将上述车主、车辆信息输入收费计算机系统。RFID电子标签贴在车上相应的部位，可以立即使用。
    (3)收费站ETC通道入口写信息。当车辆通过高速公路ETC通道入口时，该站的收费系统的RFID阅读器发出射频信号，由RFID电子标签的天线接收射频信号，激活RFID电子标签后，该RFID读写器同时还向RFID电子标签写入入口信息。写入信息也由电子标签的天线接收，写入RFID电子标签芯片中。
    (4)收费站ETC通道出口读信息。当车辆通过高速公路ETC通道出口时，该站的收费系统的RFID阅读器发出射频信号，由RFID电子标签的天线接收射频信号，激活RFID电子标签后，RFID读写器读写出RFID电子标签中存储的入口信息。
    (5)车辆处理。收费计算机系统向执行机构输出执行信号。当网上银行的储值，即结余金额足够支付过站的费用时，出站口绿灯亮，给予放行；若结余金额已不多，处于警告值以下，则黄灯亮，提示车主应再购买储值，但仍予以放行；若结余金额不足或已无余款，则红灯亮，不予放行。对于闯红灯的车辆，将由站内摄像机自动摄下站牌号，并由计算机系统记录冲红灯的时间，以便追究其责任。
    (6)收费完成。上述过程，均于瞬间完成，ETC系统可保证车辆高速通过收费站，收费计算机系统将通过该站的车辆识别码及其新储值等信息，经通信网络，送至有关中心与其他收费系统中。

3 关键技术研究
    项目采用的主要技术包括：RFID技术、网络数据传输安全技术和处理数据的RFID中间件技术等。本文着重介绍处理数据的RFID中间件技术。
3．1 RFID中间件模型的建立
    RFID中间件在上位机应用程序和读写器的数据采集之间扮演着枢纽的角色，其为上层应用程序提供的一组通用应用程序接口(API)，应用程序能实现到RFID读写器的透明连接。RFID中间件是在物联网三层架构中的应用层实现具体的功能，主要分为三个层次：数据采集层、事件处理层、信息发布层。中间件数据采集层负责感知车载RFID电子标签的信息，整个系统的可用性、可靠性都以此为基础；中间件事件处理层是RFID中间件至关重要的一层，在该层中对采集到的RFID电子标签信息进行归纳整理，从无意义的数据中，提取出含有一定实际意义的事件信息。并且进一步封装RFID电子标签返回信息包，为上层应用提供更全面的信息与服务；中间件信息发布层负责为上位机软件提供安全可靠的数据。就如何实时地对巨量RFID数据进行处理，如何充分挖掘RFID数据所包含的有用信息方面建立了模型。RFID中间件模型架构图如图3所示。

3．2 中间件算法实现
    在项目的具体应用中，由于读写器读取RFID电子标签信息的间隔是几十毫秒，所以读写器获取的信息数量巨大、杂乱无章、冗余的。这些原始的巨量RFID数据对上位机应用管理系统是无效的，把原始巨量的RFID数据变成对上位机应用管理系统有意义、有价值的数据是设计并实现算法的最终目的。RFID事件处理过程示意图如图4所示。
    感知层感知的数据上传给传输层，传输层得到数据后并没对数据做任何处理，而是把数据传输给应用层的中间件。中间件首先对上传的数据消除冗余，再进一步判断数据对本系统来说是不是有效的数据。对于RFID中间件判断感知数据是不是对本系统有效的，本文提出两种方案：
    (1)在本系统的注册环节，把所有有效数据绑定RFID电子标签的EPC(Electronic Product Code，电子产品代码)编码后存入后台数据库。对于这种方案，RFID中间件并不对消除冗余后的数据进行处理，而是把数据上传给上层应用软件，应用软件可根据中间件上传的RFID电子标签EPC信息查询数据库，依次判断感知层感知的数据对本系统是不是有效的。在此方案中RFID中间件对感知层感知的数据只是做了消除冗余、上传数据的功能。上层应用软件则完成了对数据是否为有效数据的判断。
    (2)根据一定的编码规则对本系统使用的所有RFID电子标签，在信息注册环节重新写入RFID电子标签内存储EPC信息，例如：可以向RFID电子标签内写入以下EPC信息：ETC000000000000000000001，ETC000000000000000000002，ETC00000000000000000003，ETC000000000000000 000004等。对于这种方案，RFID中间件首先对感知层感知的数据进行消除冗余处理。然后RFID中间件会获取感知到每个RFID电子标签EPC编码的前三位，判断是不是ETC，进而判断感知到的RFID电子标签是不是本系统的电子标签，感知的数据是不是有效的，最后再把有效的数据传输给上层应用软件。
    对于以上RFID中间件对判断感知数据是否有效提出的两种方案各有各的特点，对于具体应用应该采用哪种处理机制，应根据上次应用软件的应用特点来判断。
    基于RFID技术的电子不停车收费系统由于采用了满足该项目具体要求的RFID中间技术，使得上位机应用软件得到了所需要的数据。本文已经实现用简洁的算法实现RFID中间件处理巨量的RFID数据，挖掘应用系统有用信息的功能，进而缓解了网络和处理器处理信息的压力。

4 结论
    RFID由单一识别向多功能识别发展的同时，将结合射频识别、计算机网络、信息处理以及自动控制等技术，实现跨地区、跨行业的应用。而基于RFID无线射频识别技术的ETC系统与传统的收费系统相比，有着绝对的发展优势，随着RFID无线射频识别技术的发展，ETC系统也会逐渐得到完善，在高速公路收费系统中得到广泛应用。