（光学工程专业论文）基于网络的不停车电子收费管理系统的研究与开发.pdf

摘 要 i 论文题目：论文题目：基于网络的不停车电子收费管理系统的研究与开发 专 业： 专 业： 车 辆 工 程 研 究 生： 研 究 生： 鲁 涛 指导教师： 指导教师： 谢 金 法 摘 要 摘 要 随着世界经济的高速增长和人们对高品质生活的不断追求，全球的汽车数 量急剧增加，导致现有的道路状况已经远不能满足与日俱增的庞大数量的道路车 辆的需求，交通状况日益恶化，由此引发的一系列诸如环境污染和噪声等问题也 逐渐加剧。人们在加快道路基础设施建设的同时，也已逐渐意识到仅仅依靠道路 改善永远满足不了日益增长的交通需要，必须依靠高科技来改造现有的道路运输 系统，进行有效的、科学的交通管理，才有可能从根本上解决交通阻塞问题。因 此，美国、日本和西欧等发达国家相继投入大量资金和人力，进行大规模的智能 交通系统（intelligent transportation system，简称 its）研究。本论文所 研究的公路不停车收费系统（electronic toll collection system，简称 etc 系统）就是一种集电子技术、计算机技术、信息通讯技术、控制技术于一体的智 能交通系统。它把车辆、道路、使用者紧密结合起来，形成一种适时、准确、高 效的综合运输管理系统。相信本系统在改善交通环境、加强交通管理等方面定能 发挥重要作用。 不停车收费和收费系统网络化是我国以后公路收费管理运营方式的发展方 向。本论文主要介绍了公路不停车收费管理系统的开发和网络系统的结构设计。 利用射频识别技术（rfid）实现不停车收费过程，利用 visual basic 6.0 和 microsoft sql server 2000 开发系统的主要功能模块，利用现在的网络通讯条 件构建系统的网络体系结构，实现系统数据的共享与传输。对系统主要模块的功 能、特点进行了分析阐述。 关 键 词：关 键 词：智能交通，不停车收费，射频识别，网络化 论文类型： 论文类型：应用研究 河南科技大学硕士学位论文 ii subject: development and research of electronic toll collection management system base on the net specialty: vehicle engineering name: tao lu supervisor: jin-fa xie abstract with the fast development of the world economy and peoples increasing demand of life of high quality, and the sharp increase of the amount of automobiles, the existing road condition has barely met the demand of automobiles, which lead to the increasingly acute issues, such as environment and noise pollution. at the time of speeding the road construction, people have been gradually aware that satisfying the traffic need can never merely rely on road construction. we have to depend on science and technology to reform the existing road transportation system, and with effective and scientific management to resolve the traffic jam problem at roots. therefore, the developed countries such as the united states , japan and western europe countries have spent a great deal of money and manpower on the intelligent transportation system research. the highway electronic toll collection system which is explored in this thesis is an integrated intelligence transportation system, e.g. including electronics technology, computer technology, information communication technology, control technology. it relates vehicle , road ,user closely, to form a kind of timely , accurate , effective integrative management system .we believe that this system will play an important role in improving traffic environment, strengthening the traffic management etc. electronic toll collection and the toll collection system network is the direction of the development of highway toll collection management method in china. this thesis mainly introduces the development of highway electronic toll collection management system and the structure design of the network system. with the rfid technology we can materialize toll collection process without stopping the car .with a help of the visual basic 6.0 and the microsoft sql server 2000 we develop the main function modules of the system .depending on the present network communications system, we set up the system network structure, so we can carry out the share and transmission of the system data. at last, the function, characteristics of the system 摘 要 iii main module are also explored in this paper. key words：intelligent transportation，electronic toll collection (etc)，radio frequency identification (rfid)，network dissertation type: application research 第 1 章 绪 论 1 第1章 绪 论 第1章 绪 论 1.1 智能交通系统的发展概况 智能交通系统的发展概况 随着世界经济的增长和人们生活水平的不断提高，人们对交通通行的需求 在快速的增长，但道路里程数的增长却跟不上需求。以 1976 年到 1997 年的美国 为例，每年的车辆公里数以 77%的速度上升，可是同期道路建设里程的增长数却 仅为 2%，在城市交通中的高峰时期，54%的车处于小时拥挤状态。由于交通拥 挤，人们每天消耗在上下班的时间比平时平均多 1.5 个小时。同时导致商业车辆 在运输中延迟，从而增加了运输的成本 1。如何对现有的道路设施进行充分有效 的利用，成了人们关注的问题。在这种条件下“智能交通”的概念诞生了。 所谓智能交通系统（intelligent transportation system，简称 its）， 就是将先进的信息技术、通信技术、控制技术、人工智能技术和运输组织等技术 有效地综合运用于整个交通运输的组织管理和经营服务体系，在系统工程综合理 论与方法运用中建立起来的一种适时、准确、高效、高技术的交通运输综合组织 管理和运营服务系统。its 总体来说包括四部分：交通信息采集部分、车辆调度 控制部分、电子收费系统和交通信息服务，具有以下几方面特征： 1. 智能交通系统的形成源于知识工程，通过知识工程进行科学、技术和 方法论的综合，解决知识的获取、形式化和计算机实现。 2. 智能交通系统的功能至少应具有判断能力、推理能力和学习能力，并 应具有辅助决策的作用。 3. 智能交通系统的结构上应有机器感知、机器学习、机器识别和知识 库、模型库等部分组成 2。 智能交通系统是为解决当今社会机动化导致的交通问题及经济、社会、生 态系统、外部效益直接下降而产生的，因而智能交通系统的目标应体现社会、经 济、生态系统三个层次的效益提高。its 的目标和功能包括如下几方面：提高交 通运输的安全水平；减少交通堵塞；保持交通畅通；提高运输网络通行能力；帮 助人们在使用交通时更安全、方便、快捷、舒适；降低交通运输对环境的污染程 度并节约能源；提高交通运输生产效率和经济效益。与传统提高交通运输水平手 段相比，its 不是单纯依靠建设更多的基础设施、消耗大量资源来实现以上目标 和功能，而是在现有或较完善的基础设施上，依靠先进的科学技术，综合运用多 学科知识来实现其目标和功能的 3。 河南科技大学硕士学位论文 2 通过智能交通系统的应用，可以缓解交通阻塞，挖掘道路潜力，节省车辆 能耗，减轻大气和噪声污染，给交通运输业带来了巨大的经济效益和社会效益。 例如，在洛杉矶市通过使用交通信号管理系统，可有效减少行车时间达 5 万小 时，减少红绿灯停车达 8000 万次。由于汽车滞于路面的次数减少，使废气排放 相应也减少了 26%，从而减少了空气污染。另外在收费公路上，采用不停车收费 的电子收费系统，杜绝了由于收费所造成的交通阻塞和作弊现象，提高了通行效 率 4。 自 80 年代末智能交通系统在发达国家兴起以来，发展迅速，现己成为当代 世界交通运输的发展趋势。特别是美国、欧洲和日本等发达国家和地区，至今已 经取得巨大的成绩，已成为现代文明的重要标志。 上世纪 60 年代末期，美国的 ergs(electronic road guidance system)项 目开始了世界上最早的 its 开发研究。此后，美国集中了国内各种力量，并在政 府和国会的参与下，成立了 its 的领导和协调机构，于 1991 年制订了综合陆上 运 输 效 率 化 法 ( 即 所 谓 的 冰 茶 法 案 ， is-tea) 。 2001 年 ， 在 tea-21 (transportation equity act of 21st century)的框架下，美国交通部和美国 its 协会(its america)开始了此后 10 年的 its 发展规划。它的目标是到 2011 年减少 15%的交通事故，每年拯救 5 千7 千人的生命；通过提高吞吐量和通行 能力，每年节省 200 亿美元；限制燃油耗费，改善大气质量，未来的地面交通运 输系统通过 its 将逐步转换成一个管理高效和经济适用的先进系统。目前美国在 智能交通领域独树一帜，已在国际 its 组织中占据了关键的地位。 日本的智能交通系统起步较晚，但由于政府重视，其开发和推进速度却相 当快。日本政府在 its 领域进行了大量的资金、政策等方面的投入，以期形成 its 产业推动日本经济发展。1994 年 1 月日本成立了由五个部门支持的“道 路交通车辆智能化推进协会”(vertis)，目的是促进日本在 its 领域中的技 术、产品的研究开发及推广应用工作的开展。1996 年 7 月制定了日本 its 框 架体系。1999 年 11 月，他们制定了作为 its 整体系统框架的its 整体概略 设计图。日本的 its 研究与应用开发工作主要围绕三个方面进行，它们分别 是：车辆信息与通信系统、不停车收费系统、先进道路支援系统。从世界范围来 看，日本的道路交通信息诱导服务系统最为完善。从 90 年代初开始建设以来， 经过 10 多年的发展，目前日本已建成覆盖全国所有地区的道路交通信息服务网 络，应该说是目前世界 its 发展进程中的一大亮点。 欧盟对 its 的研究开发也不甘落后，不过欧洲的 its 研究开发是由官方与 民间并行进行的。由于欧洲的国家大部分很小，因此 its 的开发与应用是与欧盟 第 1 章 绪 论 3 的交通运输一体化建设进程紧密联系在一起的。1985 年欧共体 19 个成员国为主 的政府与民间企业组织合并后，更名为“欧洲道路运输信息技术实施组织”(简 称 trico)。1986 年，欧洲民间联合操作了欧洲高效安全交通系统计划 (prometheus)，之后在政府介入下于 1995 年启动了该计划。至今已有相当一部 分的研究成果投入到实际的应用当中，并为使用者带来了可观的经济效益。2002 年底，欧盟委员会成立了 e-safety 工作组，由欧盟委员会、欧盟各国、汽车制 造业、服务业、保险业等共同组成，计划在欧洲建立智能化的道路交通安全综合 系统，并辅之以道路基础设施和交通执法的进一步改善，力争到 20l0 年使欧盟 的道路交通事故死亡人数下降 50%，控制在 2 万人以内。欧洲推行 its 的方式是 由下而上，任何一项 its 计划都是以产业界为主，市场是主导力量。 我国的 its 前身或基础工作早在上个世纪 70 年代末就已经开始。90 年代 中期以来，在交通部的组织下，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟 踪国际上 its 的发展。交通部将 its 的研究纳入了公路、水运科技发展“九五” 计划和 2010 年发展纲要。虽然智能交通系统的研究和推进在我国还处于起步阶 段，但 its 作为交通系统建设必然选择的重要性已得到国家相关部门的高度重 视。1995 年中国国家技术监督局认定 iso/ic204 在中国的归属部门为交通部 门，正式批准成立 iso/tc204 中国委员会，该委员会把推进中国 its 标准化作为 主要任务。1998 年 1 月正式成立国家智能交通系统工程技术研究中心(itsc)。 中国 its 在向发达国家的学习、跟踪和引进中发展，市场将在中国的实际应用中 逐步形成，因此中国 its 的市场和产品与发达国家系统既有类似的一面，又有自 己的特点，但必须承认，我们和发达国家 its 之间的差距还比较大，需要做的工 作还很多 5-6。 总之，目前世界上已形成了美国、日本、欧盟三大 its 研发基地，我国的 its 也取得了一些进展，its 的前景无限美好。 1.2 不停车收费概述 不停车收费概述 电子收费系统（electronic toll collection system，简称 etc 系统）也 叫不停车收费系统是智能交通系统的一个重要组成部分，是目前智能交通系统中 最为关注的部分之一，也是 its 服务领域中的一个特殊方面。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，同时在使用中收费 卡的用量又很大，因此各个国家都把 etc 系统作为 its 领域最先投入应用的系统 来开发。 不 停 车 收 费 系 统 利 用 车 辆 自 动 识 别 （ automatic vehicle 河南科技大学硕士学位论文 4 identification，简称 avi）技术，通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短 程通信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，通过计算机网络进行收费数据的处理，在不需要司机停车和其他收费 人员操作的情况下，实现不停车自动收费的全电子收费过程。不停车、无人操作 和无现金交易是电子收费系统的三个主要特点。和传统的人工收费系统不同， etc 技术是以 ic 卡作为数据载体，通过无线数据交换方式实现收费计算机与 ic 卡的远程数据存取功能。计算机可以读取 ic 卡中存放的有关车辆的固有信息 （如车辆类别、车主、车牌号等）、道路运行信息、征费状态信息。按照既定的 收费标准，通过计算，从 ic 卡中扣除本次道路使用通行费。当然，etc 也需要 对车辆进行自动检测和自动车辆分类。 etc 系统的关键技术主要集中在以下几个方面： 1 自动车辆识别（avi automatic vehicle identification）技术 2 自动车型分类（avi automatic vehicle classification）技术 3 短程通信（dsrc dedicated short communication）技术 4 逃费抓拍系统（ves video enforcement system） etc 系统主要由 etc 收费车道、收费站管理系统、etc 管理中心、专业银行 及传输网络组成。根据分工的不同，系统又可分为前台和后台两大部分。前台以 车道控制子系统为核心，用于控制和管理各种外围设备与安装在车辆上的电子标 签的通信，记录车辆的各种信息，并适时传送给收费站管理子系统，形成收费和 通行记录；后台由收费站管理子系统、etc 管理中心和专业银行组成。etc 管理 中心是 etc 系统的最高管理层，既要进行收费信息与数据的处理和交换，又要行 使必要的管理职能，它包括各公路的收费专营公司、结算中心和客户服务中心。 后台根据收到的数据文件在公路收费专营公司和用户之间进行交易、折账和财务 结算，配有多台功能强大的计算机，完成系统中各种数据、图像的采集和处理 7- 10。 1.3 国外不停车收费的发展与现状 国外不停车收费的发展与现状 etc 技术在国外已有较长的发展历史，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。但各发达国家在 etc 技术推进和联网收费方面都经历了 很长的过程。 欧洲在不停车收费方面起步最早。自 1986 年挪威的 bergen 首次不停车收 第 1 章 绪 论 5 费应用以来，意大利、西班牙、英国、法国等国先后在国内开始了 etc 的应用。 葡萄牙的 via varde 电子收费系统可以算作欧洲具有代表意义的联网电子收费系 统之一，由葡萄牙最大的公路运营商 brisa 公司管理。收费系统采用封闭式和开 放式相结合的模式。事实已证明，via varde 电子收费系统是既有利于道路使用 者又有利于道路运营商的有效收费手段。根据运营报表统计数据，人工收费车道 (mic)的平均通行能力为 200 辆/小时，电子收费车道的平均通行能力为 1500 辆/ 小时，l 条 etc 车道的通行能力是 mic 车道通行能力的 7 倍。该 etc 车道的显著 特点是没有自动栏杆，车辆能以不低于 8okm/h 的速度通行。如果没有 via varde 系统，运营公司将不得不多修建 2000 多条人工收费车道以解决收费拥堵 问题。由于欧盟的许多国家均开发了不停车收费设备，并在本国进行了一定范围 的实施，导致 1996 年欧洲标准化委员会(cen)的不停车收费草案遭到部分欧盟国 家的反对而未获通过。然而在全欧洲范围内统一的不停车收费所带来的利益诱惑 下，cen 仅仅经过约一年时间的协调工作就统一了欧洲的呼声，使得欧洲的不停 车收费标准草案顺利通过。欧洲计划在未来几年内开发多国间统一的不停车收费 系统，取代现有的各国自成体系的收费站卡，以期给欧洲的公路运输带来巨大的 经济效益和综合社会效益 11-12。 美国自 1988 年 lincon 隧道首开不停车收费系统以来，目前其国内己有十 多个运输管理机构在进行这方面的研究工作，大量的不停车收费车道己在美国的 收费公路上开通，仅 1997 年 4 月份在华盛顿地区就一次性开通了 50 多条电子收 费车道。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。l997 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。e- zpass 专用车道规定了时速不超过 5 英里的限制，并有相应的标志牌提示，以便 于给收费人员和道路使用者一个安全的收费环境。另外美国基本上是采用开放式 收费制式构成的网络。 日本在不停车收费方面起步较晚，但发展较快。三菱株式会社、丰田株式 会社是其国内不停车收费系统研究的领先者，并在世界各地广泛地开展了不停车 收费系统验证试验。1995 年 6 月，日本建设省和公路管理公司组织了国内 10 多 家单位在全国各地进行了不停车收费系统的现场试验，试验于 1996 年 3 月结 河南科技大学硕士学位论文 6 束，1996 年 8 月发表了总结报告，就有关技术参数和试验结果进行了详细叙 述。1997 年，在日本政府的协调下，编制了有关不停车收费标准草案并提交给 国际标准化组织第 204 委员会(iso/tc204)，并于 1998 年在全国范围内统一推广 不停车收费系统，以保证全国范围内的兼容性。日本首先建成的是东京附近的首 都圈 etc 工程。在总结了有关经验后，从 2000 年开始大阪、名古屋等多条高速 公路 etc 系统相继建成，共计约 100 多个收费站，400 多条 etc 车道。按计划应 该于 2001 年初投入运行，但由于联网调试上的难度，工程进展缓慢。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，无人职守，具有很高的安全性和车道通行能力，有完善的防密钥扩散机 制和电子标签发行流通体系，但车道系统投资和电子标签成本都高。目前日本全 国 etc 系统利用率已突破 40，etc 系统用户已超过 831 万。 1.4 国内不停车收费的发展与现状 国内不停车收费的发展与现状 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。同月，广东省路路通有限公司引进美国 ti 公 司的 etc 收费设备，开发了 etc 收费系统软件，在佛山、南海、顺德等地方的收 费公路上建立了 etc 车道并投入运营，发行了一万多张电子标签，是我国最早的 etc 系统应用工程。1998 年，北京首都机场高速公路采用美国 amtech 公司的产 品，也开通了两条 etc 车道，发行了 500 多张电子标签。广州市一卡通系统是在 跨越珠江的“八桥一隧”上建立的 etc 系统，采用的是 q-free 公司的产品。 1999 年底开通，前后发行了一万四千多张电子标签，但由于第二年广州市实行 了年票制，最终项目没有得到真正的推广。2001 年，广东省采用组合式 etc 技 术在广韶公路、虎门大桥完成 etc 示范工程并使组合式 etc 技术进入了真正的可 操作阶段。2003 年，长沙机场高速路开通了当时最先进的路桥不停车收费系 统。2004 年，成都机场高速公路启用不停车收费系统。2005 年，北京机场高速 公路收费站“升级版”的不停车收费系统投入运行，新系统增加了抓拍取证、违 章稽查等功能。以上仅是列举几个例子说明我国 etc 建设的情况 13-14。 为规范和促进不停车收费在国内的应用，交通部于 1998 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。 第 1 章 绪 论 7 我国的电子收费系统从引进到实施，经过了一段时间的实践，目前也取得 了一定的进展。尽管国外 etc 系统运行很成功，具有一定特色，但有些技术特点 和运营方法能否适合中国，需要结合我国道路使用者的行为特点深入评估分析。 以车道部分为例，有专用车道和混合车道两种模式；有收费员值班管理和无人值 班管理两种模式；有设高速栏杆和不设栏杆两种模式；有低速通行模式和高速通 行两种模式。从违章逃费行为的处理看，有现场处理和图像抓拍事后处理两种模 式。如果 etc 运营模式不能很好地提供免停车快速通行服务，不能减少收费值班 员，将无法体现出明显的吸引力，推广应用的前景将无疑受到影响。但是总的来 说，国内公路 etc 工作正处于试验和探索阶段，个别路段已经在进行试点，并在 局部范围内推广 etc，实现联网运行，而且已取得了明显的收益。实行不停车收 费将是我国以后公路收费方式的发展方向。 1.5 本论文主要研究内容 本论文主要研究内容 本课题来源于河南省教育厅攻关项目，主要研究在网络环境下公路不停车 收费管理系统的设计与开发。具体研究工作如下： 1描述了智能交通系统与不停车收费系统的关系，介绍了国内外不停车收 费系统的发展概况和运行模式，分析了不停车收费系统的基本原理，并提出了切 实可行的解决方案。 2对射频识别技术、串口通信技术、网络通讯技术和网络数据库技术进行 了研究，这几项技术是开发基于网络的不停车电子收费管理系统的关键技术。 3选择车载终端设备、监控接收设备、射频卡读写设备、图像抓拍设备和 设计自动车辆检测设备。 4参考国内外多种不停车收费管理系统的优缺点，结合我国具体国情，设 计出整个硬件系统和软件系统，并进行软硬件系统调试；通过系统分析，根据系 统数据关系，设计出系统数据库结构。 5软件部分利用强大的可视化开发工具 ms visual basic 6.0，设计出了 前台主应用程序，后台数据库采用 microsoft 公司的数据库管理软件 sql server 2000 设计开发。前台主应用程序通过 ado 数据库访问技术调用后台数据 库，实现本管理系统的各项功能。 第 2 章 硬件系统的基本原理和调试 8 第2章 硬件系统的基本原理和调试 第2章 硬件系统的基本原理和调试 2.1 射频识别技术基本原理 射频识别技术基本原理 2.1.1 射频识别技术概述 射频识别技术概述 射频识别技术（radio frequency identification 简称 rfid）是一种非 接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识 别工作无须人工干预。rfid 技术具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取 距离大、数据可以加密、标签存储容量大、存储信息更改自如等优点，已经被世 界公认为本世纪十大重要技术之一，在生产、零售、物流、交通等各个行业有着 广阔的应用前景。 本论文研究的不停车收费管理系统使用的识别技术就属于射频识别技术。 图 2-1 rfid 系统结构示意图 fig.2-1 sketch map of rfid system structure 一个最基本的 rfid 系统如图 2-1 所示，一般应包括以下几个部份：载有目 标物相关信息的 rfid 射频卡（tag）、接收从 rfid 单元上返回的 rf 信号并将解 码的数据传输到主机系统以供处理的读写器（reader）、在读写器及 rfid 标签 河南科技大学硕士学位论文 9 间传输 rf 信号的天线（antenna）和智能控制设备和相应的应用软件 15-17。 1射频卡 射频卡也称应答器或电子标签。每个射频卡都具有全球唯一的识别号 (id)，无法修改与仿造，提高了它的使用安全性。在实际应用中，电子标签附着 在待识别物体的表面，用以标识目标对象。 天线 芯片 基片 图 2-2 射频卡结构示意图 fig.2-2 sketch map of rfid card structure 射频卡主要由芯片、天线和基片组成（如图 2-2 所示）。芯片是由大规模 数字集成电路和射频电路组成，它和天线共同集成在基片上。射频卡安装在载体 上，其存储器中存有卡的识别地址（id）号及载体的相关信息。 按照不同的方式，射频卡有以下几种分类： （1）按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，其 作用距离较远，但寿命有限（主要由电池决定）、体积较大、成本高，且不适合 在恶劣环境下工作；无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量 转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对于有源卡较短，但其体积小、 重量轻，寿命长，可达 10 年以上，且对工作环境要求不高，使用稳定性较好。 （2）按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡 主要有 125khz 和 134.2khz 两种，中频射频卡频率主要为 13.56mhz，高频射频 卡主要为 433mhz、915mhz、2.45ghz、5.8ghz 等。低频系统主要用于短距离、低 成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统 用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。高频系统应用于需要较长的读写距 第 2 章 硬件系统的基本原理和调试 10 离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公 路收费等系统中应用。 （3）按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频卡用自身的射 频能量主动地发送数据给读写器；被动式射频卡使用调制散射方式发射数据，它 必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用 中，因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下， 用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频卡 发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作的射频卡主要用于有障碍物的 应用中，它的作用距离更远(可达 30 米)。 （4）按作用距离可分为密耦合卡（作用距离小于 1 厘米）、近耦合卡（作 用距离小于 15 厘米）、疏耦合卡（作用距离约 1 米）和远距离卡（作用距离从 1 米到 10 米，甚至更远）。 （5）按读卡是否冲突可分为防冲突卡和不防冲突卡。防冲突卡可以在读写 器的读卡范围内“同时”读到多个卡；不防冲突卡，在读写器的读卡范围内，只 能读到一个应答信号最强的卡。 （6）按芯片类型分为只读卡、读写卡和 cpu 卡。 （7）按物理结构还可分为单片式和双片式卡 18-19。 2读写器 读写器也称收发器或询问器，它由发射单元、接收单元、信号处理控制单 元和电源等组成。它通过天线向射频卡发送射频调制信号（询问信号），同时通 过天线接收从射频卡返回的载有射频卡中信息的射频调制信号（应答信号），经 控制单元处理后传给智能控制设备。通常阅读器与计算机相连，所读取的标签信 息被传送到计算机上进行下一步处理，从而实现无接触地读取并识别电子标签中 的电子数据，达到自动识别物体的目的。阅读器控制单元的功能包括：与应用系 统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程 (主-从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频 卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份 验证等附加功能。与射频卡对应，读写器也分为低频、中频和高频读写器。 3天线 天线完成射频信号的发射和接收。其功能就是将源信号（也就是要发送的 信号），由天线本身的特性而传送到远处，至于能传多远，一般除了考虑信号源 的输出强度之外，其另一重要因素就是天线本身的 db 值，即俗称的增益值。db 值愈高，相对所能传达的距离也越远。通常每增加 8db 则相对的距离可增加原距 河南科技大学硕士学位论文 11 离的一半。一般天线有所谓指向性(uni-direction)与全向性(omni-direction) 两种，前者也叫定向天线，较适合于长距离使用，而后者也称为全向天线，较适 合区域性的应用。 不同频段的读写器配不同的天线。低频或高频天线，一般采用线圈式。微 波天线分为对称偶极子线极化平板天线、八木天线、对数周期天线及原极化天线 等，它们的极化方向必须于射频卡微带天线的极化方向一致。rfid 产品的天线 与一般无线广播、电视等所用的天线不同，其原因是它们使用的频率不同，无线 局域网所用的频率较高。 4智能控制设备 智能控制设备完成射频信号的控制、处理和显示。它由计算机和自动控制 单元组成，它既有计算机的功能，也有自动控制功能。在不同的应用中，它可以 按指令控制不同的外部设备（如电动栏杆、红绿灯、报警器、摄像机、显示牌 等）的动作。 2.1.2 射频识别过程 射频识别过程 射频卡与阅读器之间通过两者的天线架起空间电磁波传输的通道。要了解 射频识别系统的工作过程，就必须先从了解电磁波的耦合开始。射频卡与阅读器 之间的电磁耦合包括两种情况：即近距离的电感耦合与远距离的电磁耦合。在电 感耦合方式中，阅读器一方的天线相当于变压器的初级线圈，射频卡一方的天线 相当于变压器的次级，因而也称电感耦合方式为变压器方式。电感耦合方式的耦 合中介是空间磁场，耦合磁场在阅读器线圈初级与射频卡线圈次级之间构成闭合 回路。电感耦合方式是低频近距离无接触射频识别系统的一般耦合原理。在电磁 耦合方式中，阅读器的天线将阅读器产生的读写射频能量以电磁波的方式发送到 定向的空间范围内，形成阅读器的有效阅读区域，位于阅读器有效阅读区域中的 射频卡从阅读器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频卡的内部电路及 天线将卡内存的数据信息传送到阅读器。电磁耦合与电感耦合的差别在于电磁耦 合方式中阅读器将射频能量以电磁波的形式发送出去；在电感耦合方式中，阅读 器将射频能量束缚在阅读器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，沟通阅 读器线圈与射频卡线圈之间的射频通道，没有向空间辐射电磁能量。 射频识别系统是个非常复杂的系统，在其空间传输通道中发生的过程可归 结为三种事件模型：数据交换是目的；时序是数据交换的实现方式；能量是时序 得以实现的基础。下面以此三种事件模型来介绍射频识别系统的典型工作方式与 工作流程。 第 2 章 硬件系统的基本原理和调试 12 1能量 阅读器向射频卡供给射频能量。对于无源射频卡来说，其工作所需的能量 是由该射频能量中取得（一般由整流方法将射频能量转变为直流电源存在标签中 电容器里）；对于（半）有源射频卡来说，该射频能量的到来起到了唤醒标签转 入工作状态的作用。完全有源射频卡一般不利用阅读器发出的射频能量，因而阅 读器可以较小的能量发射取得较远的通信距离。移动通信中的基站与移动台之间 的通信方式可归入该类模式。 2时序 对于双向系统（阅读器向射频卡发送命令与数据、射频卡向阅读器返回所 存贮的数据）来说，阅读器一般处于主动状态，即阅读器发出询问后，射频卡予 以应答，称这种方式为阅读器先讲方式。另外一种情况是射频卡先讲方式，即射 频卡满足工作条件后，首先自报家门，阅读器根据射频卡的自报家门，进行记录 或进一步发出一些询问信息，与射频卡构成一个完整对话，达成阅读器对射频卡 进行识别的目的。 射频识别系统应用中根据阅读器读写区域中允许出现单个射频卡或多个射 频卡的不同，将射频识别系统称为单标签识别系统（或简称为射频识别系统）与 多标签识别系统。在阅读器的阅读范围内有多个标签时，对于具有多标签识读功 能的射频识别系统来说，一般情况下阅读器处于主动状态，即阅读器先讲方式。 阅读器通过发出一系列的隔离指令，使读出范围内的多个射频卡逐一或逐批地被 隔离（令其睡眠）出去，最后保留一个处于活动状态的标签与阅读器建立无冲撞 的通信。通信结束后将当前活动标签置为第三态（可称其为休眠状态，只有通过 重新上电，或特殊命令才能解除休眠），然后由阅读器对被隔离（睡眠）的标签 发出唤醒命令唤醒下一批（或全部）被隔离的标签，使其进入活动状态，再进一 步隔离，选出一个标签通信。如此重复，阅读器可读出阅读区域内的多个射频卡 信息，也可以实现对多个标签分别写入指定的数据。 实现多标签的读取，现实应用中也有采用标签先讲方式的应用。多标签读 写问题是射频识别技术及应用中面临的一个较为复杂的问题，目前已有多种实用 方法解决这一问题。解决方案的评价依据一般考虑以下三个因素：（1）多标签 读取时待读标签的数目；（2）单位时间内识别标签数目的概率分布；（3）标签 数目与单位时间内识读标签数目概率分布的联合评估。理论分析表明，现有的方 法都有一定的适用范围，需根据具体应用情况，结合上述三点因素对多标签读取 方案给出合理评价，选出适合具体应用的方案。多标签读取方案涉及到射频卡与 阅读器之间的协议配合，一旦选定，不易更改。 河南科技大学硕士学位论文 13 对于无多标签识读功能的射频识别系统来说，当阅读器的读写区域内同时 出现多个标签时，由于多标签同时响应阅读器发出的询问指令，会造成阅读器接 收信息相互冲突而无从读取标签信息，典型情况是一个标签信息也读不出来。 3数据传输 射频识别系统所完成的功能可归结为数据获取的一个便利手段，因而国外 也有将其归为自动收集数据 adc（automatic data capture）技术范畴。射频识 别系统中的数据交换包含两个方面的含义： （1）从阅读器向射频卡方向的数据交换 从射频识别系统实现过程中的纯技术层面来说，如果按射频卡中存贮信息 的注入方式，阅读器向射频卡方向的数据交换可分为两种情况：即有线写入方式 和无线写入方式。具体采用何种方式，需结合应用系统需求、代价、技术实现的 难易程度等因素来定。另外，如果根据阅读器向射频卡是否发送命令，又可分为 两种情况：即射频卡只接受能量激励和既接受能量激励也接受阅读器代码命令。 射频卡只接受能量激励的系统属于较简单的射频识别系统。这种射频识别系统一 般不具备多标签识别能力。射频卡在其工作频带内的射频能量激励下，被唤醒或 上电，同时将标签存贮的信息反射出来。目前在用的铁路车号识别系统即采用这 种方式工作。同时接受能量激励和阅读器代码命令的系统属于复杂射频识别系 统。射频卡接受阅读器的指令无外乎是做两件事，即无线写入和多标签读取。 （2）从射频卡向阅读器方向的数据交换 射频卡的工作使命即是实现由标签向阅读器方向的数据交换。其工作方式 包括：射频卡收到阅读器发送的射频能量时，即被唤醒并向阅读器反射标签存贮 的数据信息；射频卡受到阅读器发送的射频能量被激励后，根据接收到的阅读器 的指令情况转入发送数据状态或睡眠/休眠状态。从工作原理上来说，第一种 工作方式属单向通信，第二种工作方式为半双工双向通信 20。 2.1.3 射频识别系统中的关键技术 射频识别系统中的关键技术 1无源射频卡的集成 低频和高频的射频卡设计和制作较为简单，但是微波射频卡的微带天线及 与芯片的集成却很复杂，其性能决定了系统的读卡距离。根据微波信号频率、不 同的载体和读卡距离的要求，选定芯片和基片，设计微带天线电路，并通过仪器 测试微带天线的方向图、增益和驻波。 2多卡识别技术 有些应用场合，在系统的读卡范围内，同时存在几个或几十个射频卡，需 第 2 章 硬件系统的基本原理和调试 14 要都能读到。美国 intermec 公司的读写器采用了防冲突技术，保证系统具有多 卡识别的能力。 3双卡识别技术 在海关和门禁车辆自动识别系统中要求系统具有人和车对应及防盗功能。 为此，在每辆车上配备两张射频卡，一张安装在挡风玻璃上，不能拆下（称为车 卡）；另一张由司机携带（称为人卡）。两张卡的 id 号不同，但车牌号应相 同。若采用双卡，射频系统读写器的设置和应用软件与单卡应用时是不相同的。 4双向识别 在门禁系统中，为了节省成本，对车辆或人员的识别可以采用一个带 2 个 射频端口的读写器，分别接两个天线，一个天线朝向进口，另一个朝向出口。读 写器 2 个射频端口受电子开关控制，电子开关受控制信号控制。采用双向识别 时，电子开关的射频泄露信号、开关误码信号的过滤是必须注意的。 5防邻道干扰 如果多条车道并行，车道间隔很小（小于 3m），有可能发生邻道干扰，既 一个车道的读写器读到邻道车辆射频卡的数据信息。邻道干扰的发生与天线的布 置、天线增益和方向图、读写器的发射功率和接收灵敏度及 rfid 卡所处的位置 有关。邻道干扰的抑制是一项值得研究的课题，特别是对读卡距离较远的 rfid 系统。 6射频识别系统的读写距离 射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离射频识别系 统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法是很重要的。影响射频卡读写 距离的因素包括天线工作频率、阅读器的 rf 输出功率、阅读器的接收灵敏度、 射频卡的功耗、天线及谐振电路的 q 值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度， 以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入 距离是不同的，写入距离大约是读取距离的 40%80%。 2.2 串口通信技术基本原理 串口通信技术基本原理 2.2.1 串口通信技术概述 串口通信技术概述 所谓串口就是串行通信接口，是计算机和仪器仪表设备上一种非常通用设 备通信的协议，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备