（系统分析与集成专业论文）基于车辆识别的城市交通拥堵控制方法研究.pdf

目录 摘要i i i a b s t r a c t i v 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外研究现状。2 1 3 本课题研究内容和意义3 1 4 本章小结4 第二章r f i d 技术5 2 1r f i d 技术概述5 2 1 1r f i d 技术发展5 2 1 2r f d 技术应用6 2 1 3r f i d 技术趋势6 2 2r f i d 系统工作原理7 2 2 1r f i d 系统基本部件7 2 2 2r f i d 系统工作过程9 2 2 3 系统数据传输原理。9 2 2 4r f i d 系统多标签同时识别一l o 2 3r f i d 系统标准1 2 2 4 本章小结1 3 第三章系统方案设计1 4 3 1 课题的提出1 4 3 1 1 车辆识别1 4 3 1 2 数据发送1 5 3 1 3 拥堵费收取1 5 3 2 设计目标和设计原则1 5 3 2 1 设计目标1 5 3 2 2 设计原则1 6 3 3 系统功能和特点17 3 3 1 系统功能1 7 3 3 2 系统特点1 9 3 4 系统工作方式和架构的确定2 0 3 - 4 1 射频芯片的选取2 0 3 4 2 远程通信方式的选取。2 l 3 4 3 数据管理应用2 3 3 4 4 系统总体设计方案2 3 3 5 本章小结：2 4 第四章改进时隙a l o h a 防碰撞算法2 5 4 1 算法改进2 5 4 2 仿真比较3l 4 3 本章小结3 4 第五章路侧单元内部设计及测试3 5 5 1 路侧单元内部组成3 5 5 2 电子标签& 阅读器3 5 5 3 射频数据收发处理程序3 7 5 3 1s p p 协议栈目录介绍3 8 5 3 2 几个主要函数3 9 5 3 3 主要程序3 9 5 3 4 数据收发4 2 5 4 以太网数据传输控制4 4 5 4 1 以太网控制器4 4 5 4 2 程序部分说明4 6 5 4 3 串口测试及连接测试4 8 5 5 本章小结5 2 第六章车辆出行数据处理及拥堵费计算5 3 6 1 数据库管理5 4 6 2 车辆出行天数计算5 6 6 3 拥堵费计算。6 3 6 4 本章小结6 5 第七章结束语6 6 7 1 结论6 6 7 2 论文创新点6 6 7 3 不足与展望6 7 参考文献6 8 硕士在读期间发表论文清单7 l 致j 射7 2 附录7 3 摘要 随着经济快速发展，各个城市都面临着不同程度的交通拥堵问题。如何缓 解交通拥堵，成为困扰各城市，尤其是各大中城市的难题。通过收取拥堵费缓 解交通拥堵逐渐被各城市提上议题，并已在多个城市实施。 本文主要思想是利用射频识别技术实现车辆识别，从而获得车辆的出行天 数。以车辆出行天数为依据，对车辆征收拥堵费。通过拥堵费收取这一经济杠 杆作用，实现车辆限行，从而达到缓解城市交通拥堵的目的。 文中内容包括：1 国内外r f i d 技术及其发展现状和标准现状，对射频识别 系统的组成及原理等方面进行分析和研究。2 分析了系统的功能需求，详细介 绍了系统的各个组成部分以及各组成部分功能。通过对整个方案的需求分析， 结合无线射频识别的技术特点，阐述系统的可行性和实现目标。设计了系统处 理流程和总体设计方案。3 提出了一种改进的时隙a l o h a 算法，用于解决射频 识别时发生的多标签碰撞问题。描述了算法原理，并仿真证明改进算法在识别 效率和功耗方面的优点。4 路侧单元内部设计及测试。路侧单元内部主要包括 车辆识别模块和远程通信模块两部分。车辆识别模块主要利用无线射频识别技 术，实现路边阅读器和车载电子标签之间的无线通信，设计了射频模块基本电 路，并利用c c 2 4 3 0 射频模块进行实验，完成两者之间的数据收发。利用现有的 以太网络与远端服务器进行数据的远程通信，设计了以太网控制器电路，并利 用r t l 8 0 1 9 a s 开发模块进行串口调试和数据收发测试。5 车辆出行数据处理及 拥堵费计算。包括数据库建立，利用数据库管理技术统计车辆的出行天数，并 提出了一种可行的拥堵费计算算法。其主要通过在微机上开发实现。 论文提出的改进时隙a l o h a 算法能够提高识别效率、降低功耗，可以较好 地应用于批量标签的快速识别。论文实现了对车辆的识别、识别信息的远程传 送和出行信息的处理，能够用于对车辆识别和拥堵费的收取，实现缓解交通拥 堵的目标。 关键词：交通拥堵，拥堵费，r f i d ，车辆识别 m a b s t r a c t a tt h ep r e s e n t , m o r ea n dm o r ec i t i e sa r ef a c e dw i t ht h ep r o b l e mo ft r a 伍cj a m a l o n gw i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t h o wt o e a s et r a 伍cj a m ? t m sq u e s t i o n t r o u b l e sv a r i o u sc i t i e s ，e s p e c i a l l yt h el a r g ec i t i e s mw a yt oi m p o s e 仃娟cj 锄f e e t oe a s et r a 伍cj 锄i sg r a d u a l l yp u to n , a n dt h i sp o l i c yh a si m p l e m e n t e di nm a n y c i t i e s r f i dt e c h n o l o g yc a nb eu s e dt oa c h i e v ev e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n , i no r d e rt og e t t h et r a v e ld a y so fv e h i c l e s a c c o r d i n gt ot h ev e h i c l e st r a v e ld a y s ，t r a j 五cm a n a g e m e n t d e p a r t m e n tc a ni m p o s et r a f f i cj 锄f e e n ei m p a c to ft h i se c o n o m i cl e v e r a g ec a n l i m i tt h ev e h i c l e st r a v e l i nt h ee n d , t h ea i mt oe 嬲et r a f f i cj a mc a n b ea c h i e v e d 田1 ec o n t e n to fp a p e ri n c l u d e s ：1 ，n l ed e v e l o p m e n ta n ds t a n d a r do fr f i d t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d c o m p o s i t i o na n dp r i n c i p l eo fr f i ds y s t e ma r ea l s o a n a l y s i sa n dr e s e a r c h e d ；2 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr f i dt e c h n o l o g y , t h e f e a s i b i l i t yo ft h i ss y s t e mi sp r o v e da n di t sg o a li sp u tf o r w a r dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h ed e m a n do ft h ew h o l es c h e m e n 圮s y s t e mp r o c e s sa n do v e r a l ls c h e m ea r e d e s i g n e d 功ec o m p o s i t i o na n di t sf u n c t i o na l ei n t r o d u c e d ；3 功es t u d yo fa n i m p r o v e ds l o t t e da l o h aa l g o r i t h mi di n t r o d u c e d ，w h i c hc a l lu s e dt od e f e n dt h e c o l l i s i o no fr f i dt a g s t h ep r i n c i p a lo ft h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sd e s c r i b e d ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so fm a t l a ba r eu s e dt op r o v et h ei m p r o v e da l g o r i t h m sa d v a n t a g e s i nr e c o g n i t i o ne f f i c i e n c ya n dp o w e r 4 t h ei n s i d eo fr s um a i n l yi n c l u d e sv e h i c l e i d e n t i f i c a t i o nm o d u l ea n dt h er e m o t ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e v e l l i e l ei d e n t i f i c a t i o n m o d u l em a i n l yu s e sr f i dt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n r e a d e ra n dt a g 1 1 1 eb a s i cc i r c u i to fr fm o d u l ei sd e s i g n e d f u r t h e r m o r ed a t a t r a n s c e i v e rb e t w e e nr e a d e ra n dt a gi sf m i s h e di nt h ee x p e r i m e n t r e m o t e c o m m u n i c a t i o ni se x e c u t e di nt h ee x i s t i n ge t h e m e tt ot h er e m o t es e r v e r ，n l ec i r c u i t o fe t h e m e tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d s e r i a lp o r td e b u ga n dd a t at r a n s c e i v e rt e s th a v e d o n et h r o u g ht h er t l 9 0 1 9 a sd e v e l o p m e n tm o d u l e 5 n 圮p r o c e s so fv e h i c l et r a v e l d a t aa n dt r a f f i cj 眦f e ec a l c u l a t i o n t h er e l a t e dd a t a b a s ei se s t a b l i s h e d v e h i c l e s t r a v e ld a y sc a nb eg e tt h r o u g ht h ed a t a b a s e a tt h es a m et i m e ，af e a s i b l ec o n g e s t i o n c o m p u t i n ga l g o r i t h mi sp u t f o r w a r d t h e s ea p p l i c a t i o n sa r ea l l d e v e l o p e do n c o m p u t e r 砀ci m p r o v e da l g o r i t h mc a ni m p r o v er e c o g n i t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o n , w h i c hc o u l db ea p p l i e dt oi d e n t i f yap a t c ho ff a s tt a g s i nt h i sw a y , v e h i c l ec a nb ei d e n t i f i e de f f e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h ei n f o r m a t i o no fv e h i c l ec a nb e s e n dt ot h er e m o t es e r v e ri nt i m e t h e ni tc a nb ep r o c e s s e dt og e tt h et r a v e ld a y so f i v v e h i c l e t h i sm e t h o dc a l lb es u c c e s s f u l l yu s e dt ov e h i c l ei d e n t i f i c a t i o na n dc h a r g ef o r t r a f f i cj a m i naw o r d , t h eg o a lc a nb ea c h i e v e dt oe a s et r a f f i cc o n g e s t i o n k e y w o r d s ：t m f t i cj a m ，t r a f f i cj a mf e e ，r f i d ，v e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n v 还会引发城市环境的持续恶化，如汽车尾气污染、噪声污染和资源浪费等。因此，缓解城 市交通拥堵成为各城市迫在眉睫的问题，具有十分重要的意义。 目前缓解交通拥堵的主要方法是加大交通基础设施建设和大力发展公共交通。通过道 路新建和道路拓宽可以提高城市交通容量，如隧道、立交、匝道快速路等方式。此方法最 直接效果也最明显，但是造价高昂、耗时较长及拓建工程本身就影响了正常的交通运行， 所造成的危害和消耗甚至要大于交通拥堵本身。另外，发展公共交通相对而言见效快，易 于实现，许多城市制定相关政策和措施优先发展公共交通。地铁、公交快速路等也确实对 交通拥堵起极大的缓解作用，但公共交通并不能满足所有人的出行需求，且发展也存在一 定的瓶颈，许多市民仍会选择自驾车作为自己优先的出行选择1 2 】( 据报道，北京2 0 1 0 年销 售机动车1 4 3 2 万辆) 。 国外运用较广且效果较好的方法还有实施交通需求管理，也即征收拥堵费和车辆限行。 “交通拥堵费”指在交通拥挤时段，对进入城市最繁忙、最拥挤地区的车辆实行收费，控 制交通出行的需求和调节车流的时空分布，减少拥挤区域道路交通流量。 从传统经济学的角度讲，交通拥堵主要是由于城市道路交通需求超过供给、道路资源 稀缺所致。因此，要缓解交通拥堵，可以从“增加道路供给”和“优化管理以减少需求” 两方面入手。但是，2 0 世纪5 0 年代以来世界各国缓解交通拥堵的实践表明：政府不能限 制人们购买汽车的行为，光靠修更多的道路也不能从根本上解决交通拥堵问题，而且可供 修路的城市土地资源有限，道路建设无法充分满足日益增长的交通需求。而凭借优化管理， 降低轿车出行率，提高公共交通的利用率，科学使用道路空间在解决城市交通拥堵问题上 显得更为重要。交通拥堵定价理论因此而具有了重要的现实意义。早在1 9 2 0 年英国经济 学家、剑桥大学的教授皮构( p i g o u ) 就提出了交通拥堵定价理论( c o n g e s t i o np r i c i n g ) ，这 一理论在交通研究中至今仍然有重要的影响。他同样用经济学的最基本的概念一需求与 供给来解释交通拥堵，从城市道路交通的微观角度做考察，阐明了优化道路空间管理的重 要性及其出路”1 。 新加坡、伦敦和斯德哥尔摩等城市实行拥堵收费后，城市交通拥堵状况大为改善。伦 敦拥堵收费实行以后，它的车流量，特别是小汽车的车流量减少了4 0 ，新加坡也减少了 3 0 h 】。另外，根据车牌和车型进行限行，直接抑制交通产生，也具有不错的效果。如奥运 期间北京、根据车牌尾号进行车辆限行，见图1 1 。 森未：焱：碍： 停麓对鲫：早7 时量赡g 耐，；。t 。，一；w 罗 停鞋托嘲：荭巧珞以内 夺禽五珲精掳)霸瘁奠一y 、 ， 嘞孽粤簿产瑚轮换础一“* - - 环l l l 。0 龄，l j 气”：厶f 一“蜘j ，= i 。= 环奠_ ，。f 弋+ i 鞠粼型纛罱熹f 一葡。 m i 年月l i 董l 拍，聱7 月1 l 董| 糟l 钟，l t o i l 董 棚钉h 1 拍，独珂，h撇1 年1j | l h ；l q ：砑e l l 董 2 0 1 i 乍超i i i r 一一 鼹麓一 一二_ r 一 翻墨墨a | 疆麓+ b 墨互嗣 鳢1 1 1 ： 照囊= ： 照囊。 三 鹾崩鼍 艋嬲一丝莪 照囊一艇囊一缝期庄 麓一 壁崩疰 图1 1 车牌尾号限行 通过此方法可减少2 0 的车辆出行，为奥运期间北京交通通畅运行提供有力保证。但 如何收取拥堵费以及如何进行车辆限行成为各城市必须要考虑的问题。收取拥堵费和进行 车辆限行要本着缓解交通拥堵为目的，制定政策讲就灵活性，考虑城市实际情况，根据经 济水平及承受能力，制定合适的收费和限行方案。否贝0 可能与初衷南辕北辙，起到适得其 反的结果。 随着现代电子技术的发展，智能交通技术( i t s ) 应运而生。智能交通技术是将先进 的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、计算机处理技术等应用于交通运输业， 从而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统，它使交通基础设施能发挥最大 效能。利用智能交通技术缓解城市交通拥堵成本低、见效快，得到了各国的重视，投入了 大量的人力、财力到这一领域的研究，也形成了许多比较成功的案例。 1 2 国内外研究现状 拥堵费是指在交通拥堵时段对部分区域道路使用者收取的一定费用。其本质上是一种 交通需求管理的经济手段，目的是利用价格机制来限制城市道路高峰期的车流密度，达到 缓解城市交通拥挤的目的，提高整个城市交通的运营效率。 利用智能交通技术收取拥堵费进行车辆限行，主要是利用现代通信技术( g p s 技术、 控制技术、识别技术等) 进行车辆的定位和识别，统计出车辆需要缴纳的拥堵费额。如荷 兰按照汽车行驶里程征收拥堵费和新加坡的e r p 系统。荷兰通过法案以行驶公里数为基础 指标向车主征收拥堵费，结合汽车吨位、排量和行驶时间段计算出每辆汽车的实际缴费额。 新加坡将最拥挤的约7 2 0 公顷区域定位限制区，通过该区域的车辆必须按次数缴纳一定的 费用方可通行悔1 。这些拥堵费收取方案存在一定的不足之处，虽能实现缓解拥堵问题的目 的，又伴随着产生一些新的问题： 1 收费标准过于片面，按行驶里程收费，只要出行就会产生收费。拥堵路段和非拥堵 2 第一章绪论 路段同时计算里程，而且来回重复收费。只为抑制出行，可能使车主难以接受，与普通的 税费无明显差异。 2 划分拥堵区域，只要进入拥堵区域立即收费，对该限定区拥堵情况能起到明显缓解， 但可能使车辆被迫分流到别的区域道路，产生新的拥堵路段。同时绕行增加更多的资源浪 费和更高的出行成本。 3 按行驶里程主要用到g p s 技术，工作稳定性不高，且容易受到干扰和人为遮挡。 e r p 系统需要一定的人力参与，且收费标准生硬，不够合理。 另外，由于车辆在道路中具有一定的速度，且拥堵道路上车辆数量众多。对于车辆识 别率和识别速度都提出了较高的要求。 1 3 本课题研究内容和意义 利用收取拥堵费这一经济杠杆调节，进行车辆限行，可以约束一些不必要的车辆使用， 鼓励使用公共交通，提高交通资源的利用效率，对于解决交通拥堵具有较好效果。在国内， 广州、北京、上海等大城市也进行过相关的可行性研究。多个城市不断爆出将收取“拥堵 费”的消息。可以说，利用拥堵费进行车辆限行已渐渐成为解决交通拥堵问题的一种趋势。 通过收取拥堵费进行车辆限行，使得车辆限行更加合理，也更人性化，可能成为解决城市 拥堵问题的根本方法哺1 。 本文提出根据车辆出行天数收取拥堵费，进行车辆限行。出行天数统计需要对出行车 辆进行识别。文中选用r f i d 技术实现对车辆的识别，通过远程通信完成车辆信息的数据传 输，最终根据出行天数统计出车辆需要交纳的拥堵费。此方法具有如下一系列优点： 利用经济杠杆约束车辆出行 利用经济杠杆进行车辆限行只是一种缓解交通拥堵的手段。引入价格机制来作为车辆 是否出行的参考，说到底是一种公众成本和个人出行成本的对垒，减少了出行降低了个人 出行成本，实际上是减少了公共成本，最终达到缓解交通拥堵的目的。另外，交管部门所 收取的拥堵费可直接投入于公共交通，使之取之于民用之于民，达到一种良性循环。 减少不必要的出行，放行必要出行。 传统的车牌尾号限行的方法过于一刀切，仅为达到车辆限行目的，过于死板。没有考 虑到车辆出行的实际需要。利用收取拥堵费进行车辆限行可以减少一些不必要的车辆出行 ( 如短距离出行等) ，对这些车辆的出行进行调控，鼓励以步行、自行车、公共交通等方式 出行，进行限制和分流。同时，不遏制车辆的合理需要的出行( 如一些物流车辆) 。 交通管理更加灵活，提高整个交通系统运行效率。 对城市交通拥堵情况较严重路段收取拥堵费来控制车辆出行，减少了拥堵路段的车流 量，提高使用效率。车辆根据时间及费用成本进行权衡，引导部分车辆绕行至拥堵情况较 轻路段。通过此方法，提高整个城市道路的有效使用，使交通资源的分配更加合理。交管 部门可通过拥堵费的费率和收取时间来灵活控制交通流量，预防交通拥堵情况发生。本文 工作内容如图1 2 所示： 3 南京信息工程大学硕士学位论文 图1 2 研究内容结构图 第二章介绍r f i d 系统发展、应用趋势及r f i d 系统工作原理，对r f i d 系统的基本部 件、工作过程、数据传输原理及多标签识别做了详细介绍。另外，还介绍了r f i d 标准，为 后面的相关应用作基础知识准备。 第三章进行了系统需求分析和总体方案设计。明确系统设计目标和设计原则，确定系 统的各部分功能和特点。最终，明确系统总体方案设计，如系统的硬件选型和相关数据处 理。 第四章提出一种改进时隙a l o h a 算法，其思路是根据车辆空间位置差异进行分组，降 低发生碰撞概率。 第五章主要是路侧单元内部设计，包括电子标签和阅读器的设计，以及以太网通信部 分的设计，包括硬件电路设计和相关程序的描述以及进行的相关实验。 第六章主要系统软件设计，包络车辆信息数据库建立和管理，以及基于此数据库进行 的车辆出行天数和拥堵费计算算法分析。 第七章对课题作了总结，说明本论文的创新点，并指出课题的不足与后续的研究方向。 1 4 本章小结 本章阐述了交通拥堵所具有的危害性和所带来的问题的严重性，以此说明论文研究的 意义；介绍了当前国内外解决交通拥堵的各种措施，进一步论证通过收取拥堵费缓解交通 拥堵这一方法的科学性和合理性。如何收取拥堵费，成为本论文要解决的重点。对于在实 现过程中所提出的问题，如车辆识别问题和防碰撞问题，都是当前研究的热点问题，从而 确定了本课题研究思路和研究内容。 4 第二章r f i d 技术 第二章r f id 技术 射频识别( r f i d ) 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，已被世界公认为2 1 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。射频识别技术已经逐渐成为企业提高物流供应链管理水平，降 低成本，实现企业管理信息化，增强企业竞争能力，参与国际经济大循环不可缺少的技术 工具和手段 。 r e i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术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的空间耦合( 电感或电磁耦合) 或发射的传输特性，实现对被识别 物体的自动识别哺1 。r e i d 技术的基础主要是大规模集成电路技术、计算机软硬件技术、数 据库技术和无线电技术。 2 1r f i d 技术概述 2 1 1r f i d 技术发展 r e i d 技术最早应用于第二次世界大战期间，至今已经有6 0 多年的历史。最早使用r f i d 技术的并不是沃尔玛或麦德龙，而是美国国防部军需供应局。早在二战时，r e i d 被美军用 于战争中识别敌我双方的飞机，但是昂贵的价格限制了其广泛使用。在海湾战争中，r e i d 技术再一次得到了大规模的应用。由于采用了r e i d 技术、e r p 及供应链管理系统，美军实 现了对战略物资的准确调配，保证了前线弹药和物资的准确供应。r e i d 技术的发展阶段表 1 所示引。 表1r e i d 技术的发展阶段 时间阶段 雷达的改进和应用催生了r e i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r e i d 技术的 1 9 4 1 - 1 9 5 0 年 理论基础 1 9 5 1 1 9 6 0 年r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究 1 9 6 1 1 9 7 0 年r e i d 的理论得到了发展，开始了一些应用尝试 r e i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r e i d 技术得到了 1 9 7 1 - 1 9 8 0 年 加速发展，出现了一些最早的r e i d 应用 1 9 8 1 - - 一1 9 9 0 年r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始出现 1 9 9 1 2 0 0 0 年 r e i d 技术标准化问题日趋得到重视，r e i d 产品得到了广泛的应用。 标准化问题日趋为人们所重视，r e i d 产品种类更加丰富，有源、 2 0 0 1 年至今无源电子标签及半无源电子标签得到发展，电子标签成本不断降 低。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 r f i d 技术在国外发展很快，产品种类很多，像德州仪器、摩托罗拉、飞利浦等世界著 名厂家都生产r f i d 产品，并且各有特点，自成系列。我国在这方面起步较晚，但经过几年 的努力已经开发出了具有自主知识产权的产品。 2 0 0 4 年全球r f i d 市场规模达到了1 8 2 亿美元，市场增长率达到3 2 8 。r f i d 在国外 的应用正在迅速发展。国内低频r f i d 技术应用比较成熟，2 0 0 4 年国内低频r f i d 市场规模 达到了1 6 5 亿元；但是在高频r f i d 应用上，国内还处于试验阶段，高频r f i d 在政府行业 部门，如铁道、航空以及海关等得到了试点。另外，少数物流和制造企业也正在进行r f i d 的试点删。 我国r f i d 产业链基本形成，但还不完善，特别是r f i d 中间件设备商数量较少。此外， r f i d 标准迟迟没有出台，电子标签价格较高以及国内用户对r f i d 认知不够这些因素的影 响，对我国r f i d 产业及市场的发展造成一定的阻碍。 按照目前r f i d 技术发展的进度，相关技术问题可望在短期内得到解决，而随着芯片制 作工艺的不断发展，成本问题也将得到解决。电子标签价格随着技术的发展及生产规模的 扩大而得以解决，隐私问题则需要各个国家通过立法对用户的隐私权加以保护来逐步解决。 r f i d 技术所独有的优势，最终将在全球形成一个巨大的产业，值得各个领域加以关注。 2 1 2r f i d 技术应用 射频识别技术以其独特的优势，逐渐被广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、 防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。随着大规模集成电路技 术的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断降低，其应用将越来越广 泛。 在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区以及非洲南部，射频识别技术被广泛应用于工业自 动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车、火车等交通监控，高速公路 自动收费系统，停车场管理系统，物品管理，流水线生产自动化，安全出入检查，仓储管 理，动物管理，车辆防盗等。而在中国，由于射频识别技术起步较晚，应用的领域不是很 广。目前，射频标签主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面。上海、深圳、 北京等地陆续采用了射频公交卡。其中，我国射频标签应用的最大项目是第二代公民身份 证。 在交通领域应用方面，许多欧美国家高速公路有电子收费站，只要凭着黏在车上的 r f i d 标签，就可直接通过收费通道，自动扣款，不须停车。1 9 9 6 年，佛山市政府安装了 r f i d 系统用于自动收取路桥费，明显地提高了车辆通过率，缓解了公路瓶颈。车辆可以在 2 5 胁的速度下用少于0 5 m s 的时间得到准确识别收费。 射频识别技术正结合其他高新技术，如g p s 、生物识别等技术，由单一识别向多功能 识别方向发展的同时，将结合现代通信及计算机技术，实现跨地区、跨行业应用。 2 1 3r f i d 技术趋势 6 第二章r f i d 技术 射频识别技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面射频识别技术的成功应 用反过来又将极大地促进应用需求的扩展。从技术角度说，射频识别技术的发展体现在若 干关键技术的突破：从应用角度来说，射频识别技术的发展的目的在于不断满足日益增长 的应用需求。 从总体上而言，r f i d 技术已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，它将大量 来自不同专业领域的技术综合到一起，如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护 和密码学、电信、制造技术和许多专业领域。r f i d 技术所能应用和发挥效应的主要方面包 括节省人工成本，提高作业精确性，加快处理速度，有效跟踪物流动态等，目前r f i d 技 术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。 随着技术的不断进步，r f i d 产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。可以预计， 在未来的几年中，r f i d 将持续保持高速发展的势头。r f i d 技术的发展将会在射频标签、 读写器、系统种类和标准化方面取得新的进展。 r f i d 技术已经拥有较长的应用历史，数字信息技术在各行业的广泛应用为r f i d 技术 提供了更广阔的发展前景。将来，r f i d 一旦在零售、医疗等行业甚至在政府部门等应用领 域普及开来，各厂商产品之间的标准化问题也会得到相应解决。另外，随着r f i d 技术在 安全性和成本方面的全面进展，其潜在的商用价值将被逐渐发挥出来。 2 2r f i d 系统工作原理 r f i d 技术是一种非接触式的自动识别技术，可以通过射频信号自动识别目标对象，获 取相关的数据，不需人工接触、不需光学可视即可完成信息的输入和处理，并且操作简单 快捷。 2 2 1r f i d 系统基本部件 射频识别系统通常由电子标签、阅读器、后台数据管理系统三部分组成，如图2 1 所 示： ( 1 )电子标签 图2 1 射频识别系统结构框图 7 南京信息工程大学硕士学位论文 电子标签存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品上，它 存储的信息通常可被射频阅读器通过非接触方式读写获取。标签基本组成结构如下图2 所示。 图2 2 标签基本组成结构图 ( 2 )阅读器 阅读器是可以利用射频技术读写电子标签信息的设备。读写器读出的标签信息可以通 过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。阅读器一般由天线、射频模块、读写模块构 成，见图2 3 。其中，射频模块由射频振荡器、射频处理器、射频接收器以及前置放大器 组成n 引。射频模块可接收和发射射频载波。射频载波信号由射频振荡器产生并被射频处理 器放大，该载波通过天线发射。射频模块接收标签发射反射回来的载波解调后传给读写模 块。阅读器基本组成结构如图2 3 所示。 意线 l 时蛹林椰罢l i 解 4 j 拟处j 王俯 射 微处理器 码 放 j 纠 振f 存储器 、 错 卜 大 标准接口 射频接收器 器 荡 时钟电路 电 上 器 路 前置放大器 射频模块读写模块 图2 3 阅读器基本组成结构图 ( 3 )后台数据管理系统 在射频识别系统中，后台数据管理系统用于对所获得的数据进行相关处理，完成通信 传输功能，实现相关的应用。阅读器可以通过标准接口与计算机通信网络连接。实现通信 和数据传输功能。 8 第二章r f i d 技术 2 2 2r f i d 系统工作过程 射频识别系统的基本模型如图2 1 所示。其中，电子标签又称为射频标签、应答器、 数据载体；阅读器又称为读卡器、扫描器、读头、读写器。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，根据时序的关系，实现能量 的传递和数据的交换。 在射频识别系统的工作过程中，电子标签与阅读器之间的数据通信是通过空气介质以 无线电波的形式进行的。一般地，数据传输的速度和数据传输的距离是衡量数据传输性能 的两个重要参数。由于电子标签的体积、电能有限，从标签发出的无线信号很弱，因而信 号传输的速度与传输的距离就很有限。为了实现数据远距离、高速度传输，必须把要传输 的数据信号叠加在一个规则变化、信号比较强的电波上，这个过程就是调制，规则变化的 电波即载波n 驯。在r f i d 系统中，载波一般由阅读器通过天线发出并进行调制，而实现数据 的调制也有许多方法，如用数据信息改变载波的波幅即调幅、改变载波的频率即调频、改 变载波的相位即调相。射频识别系统一般采用调幅或调频方式。 射频识别系统的基本工作流程如下： ( 1 ) 阅读器将无线电载波信号经过发射天线向外发射； ( 2 ) 当电子标签进入发射天线的工作区时，电子标签被激活，将自身信息的代码经天 线发射出去； ( 3 ) 系统的接收天线接收电子标签发出的载波信号，经天线的调节器传输给读写器。 读写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的电脑控制器； ( 4 ) 电脑控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理 和控制，发出指令信号控制执行机构的动作； ( 5 ) 执行机构按照电脑的指令动作； ( 6 ) 通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，可以根据不同 的项目设计不同的软件来完成要实现的功能。 2 2 3 系统数据传输原理 射频识别系统中，读写器和电子标签之间的通信通过电磁波来实现，按照通信距离， 可以划分为近场和远场。相应地，读写器和电子标签之间的数据交换方式也被划分为负载 调制和反向散射调制。 ( 1 ) 负载调制 近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合来实现的。在这种情况下，读写器和 电子标签之间的天线能量交换方式类似于变压器模型，称之为负载调制。负载调制实际是 通过改变电子标签天线上的负载电阻的接通和断开，来使读写器天线上的电压发生变化， 实现用近距离电子标签对天线电压进行振幅调制。如果通过数据来控制负载电压的接通和 断开，那么这些数据就能够从电子标签传输到读写器了。这种调制方式在1 2 5 k h z 和 1 3 5 6 l a h z 射频识别系统中得到了广泛应用。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 反向散射调制 在典型的远场，如9 1 5 m l l z 和2 4 5 g h z 的射频识别系统中，读写器和电子标签之间的距 离有几米，而载波波长仅有几厘米到几十厘米。读写器和电子标签之间的能量传递方式为 反向散射调制。 反向散射调制是指无源射频识别系统中电子标签将数据发送回读写器时所采用的通信 方式。电子标签返回数据的方式是控制天线的阻抗，控制电子标签天线阻抗的方法有很多 种，都是一种基于“阻抗开关”的方法。实际采用的几种阻抗开关有变容二极管、逻辑门、 高速开关等，其原理如图2 4 所示： 1 匹配网络阻抗升天 。 中频振荡器 落擎 al i 要发送的数据信号是具有两种电平的信号，通过一个简单的混频器( 逻辑门) 与中频 信号完成调制，调制结果连接到一个“阻抗开关”，由阻抗开关改变天线的发射系数，从而 对载波信号完成调制引 这种调制方式和普通的数据通信方式有很大的区别，在整个数据通信链路中，仅仅存 在一个发射机，却完成了双向的数据通信。电子标签根据要发送的数据通过控制天线开关， 从而改变匹配程度。这样，从标签返回的数据就被调制到了返回的电磁波幅度上。 2 2 4r f i d 系统多标签同时识别 当在阅读器的作用范围内有多个射频标签的数据同时发送给阅读器，如图2 5 所示， 就会发生数据碰撞问题。射频识别系统中多路存取技术的实现对射频标签和读写器提出了 一些要求，即整个通信过程必须使用户感觉不到浪费时间，必须可靠地防止由于标签在读 写器 1 0 图2 5 阅读器的多路存取 的接收模块中互相碰撞从而不能读出。在多路存取通信方式中，每个通信链路都有规定的 容量。这种链路容量是由该通信链路的最大数据率和供它使用的时间片确定的。分配给每 个标签的链路容量必须满足：当多个射频标签同时把数据传输给同一个阅读器时，