摘要：文章基于射頻技術(shù)的原理、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，介紹了在取消高速公路省界收費(fèi)站背景下，無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)在不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出以射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的射頻識(shí)別系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛快速識(shí)別、收費(fèi)，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：省界收費(fèi)站;射頻技術(shù);電子標(biāo)簽

0 引言

在取消高速公路省界收費(fèi)站的背景下，不停車(chē)電子收費(fèi)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)ETC，實(shí)質(zhì)為智能交通服務(wù)，可以解決當(dāng)前高速公路收費(fèi)方式的缺陷[1]。應(yīng)用ETC系統(tǒng)收費(fèi)是憑借無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)完成的。車(chē)輛經(jīng)過(guò)收費(fèi)車(chē)道，無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)首先感受車(chē)輛的到來(lái)，然后在車(chē)輛行駛狀態(tài)下和車(chē)輛中的設(shè)備進(jìn)行信息傳遞和交互，完成登記、收費(fèi)過(guò)程。整個(gè)過(guò)程在車(chē)輛行駛的狀態(tài)下完成，有效緩解了收費(fèi)站附近區(qū)域的擁堵問(wèn)題，提高了高速公路通車(chē)效率，給人們的出行帶來(lái)了極大的便利。

1 射頻技術(shù)的原理和特點(diǎn)

射頻技術(shù)的工作原理：閱讀器借助發(fā)射天線(xiàn)的作用發(fā)射特定頻率的射頻信號(hào)，發(fā)射天線(xiàn)的工作區(qū)域一定，當(dāng)射頻卡隨著車(chē)輛進(jìn)入到發(fā)射天線(xiàn)的工作區(qū)域后，在射頻信號(hào)的作用下射頻卡被激活，射頻卡利用卡內(nèi)的發(fā)送天線(xiàn)將自身編碼信息發(fā)送出去，系統(tǒng)接收天線(xiàn)負(fù)責(zé)接收信息，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)天線(xiàn)調(diào)節(jié)器傳遞至閱讀器。信號(hào)經(jīng)過(guò)閱讀器的解碼傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)提前設(shè)定的邏輯預(yù)算對(duì)該射頻卡的合法性進(jìn)行分析和判斷，在做出相應(yīng)處理的同時(shí)發(fā)出執(zhí)行動(dòng)作[2]。

無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）對(duì)視距沒(méi)有特殊要求：射頻技術(shù)傳輸載波信息依靠無(wú)線(xiàn)電波完成，對(duì)視距無(wú)特殊要求，這一特點(diǎn)和條碼收費(fèi)完全不同。條碼因?yàn)閷?duì)距離和角度都具有一定的要求，需要駕駛員或收費(fèi)員不斷調(diào)整，無(wú)形中延長(zhǎng)了整個(gè)收費(fèi)過(guò)程。

（2）非接觸性：射頻技術(shù)具有非接觸性，所以對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，即使在流動(dòng)的化學(xué)環(huán)境中也可以應(yīng)用。

（3）識(shí)讀速度極快：射頻技術(shù)讀取車(chē)輛電子標(biāo)簽中信息的時(shí)間僅為250 ms，無(wú)論標(biāo)簽位置是什么方向都能快速精準(zhǔn)地讀取出來(lái)。[=XJT（]取消高速公路省界收費(fèi)站項(xiàng)目中射頻技術(shù)的應(yīng)用/覃耀明[=JP2] （4）可同時(shí)完成多個(gè)標(biāo)簽的識(shí)讀：只要在射頻范圍內(nèi)，閱讀器即可同時(shí)完成多個(gè)標(biāo)簽的識(shí)讀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其讀取速度是傳統(tǒng)掃描讀取速度的1 000倍左右。

（5）可編程性：可編程性是射頻技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽隨時(shí)寫(xiě)入交互信息的目的。

2 射頻技術(shù)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

2.1 電子標(biāo)簽

射頻技術(shù)功能的發(fā)揮必須借助各類(lèi)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。電子標(biāo)簽的主要作用是存儲(chǔ)車(chē)輛基本信息，由芯片和射頻天線(xiàn)兩部分構(gòu)成，大多被固定在車(chē)輛擋風(fēng)玻璃的內(nèi)側(cè)。當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)收費(fèi)通道時(shí)，ETC系統(tǒng)的閱讀器對(duì)電子標(biāo)簽可以執(zhí)行兩種操作：讀取其內(nèi)部信息和根據(jù)讀取結(jié)果寫(xiě)入必要的收費(fèi)信息。電子標(biāo)簽達(dá)到射頻技術(shù)范圍內(nèi)后，其會(huì)通過(guò)兩種方式向閱讀區(qū)傳遞信息：改變調(diào)制信號(hào)和調(diào)整電子標(biāo)簽內(nèi)部天線(xiàn)阻抗[3]。

在過(guò)去幾年，國(guó)內(nèi)很多地區(qū)開(kāi)通了IC卡功能，和普通電子標(biāo)簽相比，IC卡的識(shí)別速度更快、更準(zhǔn)確，隨著射頻技術(shù)的飛速發(fā)展，IC卡也開(kāi)始了技術(shù)升級(jí)，升級(jí)后形成復(fù)合通行卡。CPC卡兼具5.8 G Hz和13.56 M Hz通信功能，可以隨時(shí)完成車(chē)輛入口信息、計(jì)費(fèi)信息和路徑等信息的讀寫(xiě)。車(chē)輛駛?cè)敫咚俟肥召M(fèi)路段時(shí)，將CPC卡發(fā)放給車(chē)主，當(dāng)車(chē)輛駛離收費(fèi)路段后回收CPC卡，將其繼續(xù)發(fā)放給下一個(gè)車(chē)主使用，在取消高速公路省界收費(fèi)站的背景下CPC可全國(guó)通用。

2.2 閱讀器

作為射頻系統(tǒng)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，閱讀器也叫作讀寫(xiě)器，其實(shí)質(zhì)是一種讀寫(xiě)裝置。車(chē)輛駛?cè)肷漕l技術(shù)敷設(shè)范圍內(nèi)后，閱讀器首先閱讀車(chē)輛中電子標(biāo)簽或CPC卡的數(shù)據(jù)和信息，并且根據(jù)這些數(shù)據(jù)和信息識(shí)別車(chē)輛，可以讀、寫(xiě)電子標(biāo)簽或CPC卡中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)信息識(shí)別車(chē)輛，然后根據(jù)車(chē)型和費(fèi)率計(jì)算費(fèi)用。

閱讀器的工作原理是：設(shè)置在閱讀器內(nèi)部的芯片所發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率合成器進(jìn)行處理，得到具有固定頻率的信號(hào)，在功率分配器的分配作用下該信號(hào)會(huì)分成兩個(gè)部分：其中一部分和車(chē)輛電子標(biāo)簽所發(fā)射的信號(hào)混合在一起，降低其原有的頻率，經(jīng)過(guò)功率放大器放大、濾波處理后得到電子標(biāo)簽內(nèi)部的所有信息;另外一部分信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大、濾波處理后直接通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去。

2.3 天線(xiàn)

天線(xiàn)的主要作用是發(fā)射或者接收無(wú)線(xiàn)電波，發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波的天線(xiàn)叫作發(fā)射天線(xiàn)，接收無(wú)線(xiàn)電波的天線(xiàn)叫作接收天線(xiàn)。在天線(xiàn)的作用下，射頻信號(hào)的發(fā)射或者接收都以電磁波的形式完成。信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制、放大、濾波處理后，在發(fā)射天線(xiàn)的作用下傳遞到接收設(shè)備。不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)主要有ETC車(chē)道和龍門(mén)架兩種，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，車(chē)輛上的電子標(biāo)簽迅速接收到射頻天線(xiàn)信號(hào)，獲得能量后被激活，然后將接收到的射頻信號(hào)反射給系統(tǒng)閱讀器，閱讀器對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，傳遞到處理單元，處理單元對(duì)車(chē)輛信息進(jìn)行計(jì)算得出扣費(fèi)信息。

2.4 應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)主要由應(yīng)用軟件和中間件部分組成，其主要功能是對(duì)閱讀器傳遞過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用軟件作為獨(dú)立系統(tǒng)軟件而存在，中間件部分對(duì)計(jì)算機(jī)資源和網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行管理，真正實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)中不同技術(shù)的共享。另外，中間件部分是程序和電子標(biāo)簽之間的橋梁，在程序接口的作用下中間件接入到閱讀器，閱讀器閱讀電子標(biāo)簽后將電子標(biāo)簽中的信息傳輸?shù)街虚g件，中間件再將信息傳遞到應(yīng)用程序，讓?xiě)?yīng)用程序根據(jù)電子標(biāo)簽信息做出反應(yīng)。

3 無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)在不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用3.1 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

生活中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主要包括無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)兩種，前者主要借助藍(lán)牙、Hiper LAN、Home RF等技術(shù)構(gòu)建起來(lái)，后者則以2G、3G、4G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)構(gòu)建起來(lái)。近幾年，藍(lán)牙和3G、4G的走勢(shì)最為引人注目，和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有隨時(shí)、隨地、可移動(dòng)三個(gè)主要特征。在不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)的主要作用是構(gòu)建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、傳輸無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)。以無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是一種靈活的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，射頻技術(shù)利用無(wú)線(xiàn)電波收發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程就是傳統(tǒng)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路傳遞數(shù)據(jù)和信息的過(guò)程。

3.2 無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別

無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)也是一種非接觸式的微波射頻識(shí)別技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)RFID，從1980年后逐漸發(fā)展成熟。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟，無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大，體積卻大大減小，標(biāo)志著該技術(shù)正式進(jìn)入到實(shí)用化階段。無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)利用無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)進(jìn)行非接觸雙向通信，以識(shí)別為前提進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的交互。和條碼技術(shù)不同，無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)不需要人工操作即可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集工作。另外，因?yàn)椴恍枰蕾?lài)文書(shū)操作，可以為收費(fèi)方和駕駛者提供更加客觀(guān)的時(shí)間戳和電子數(shù)據(jù)驗(yàn)證，讓整個(gè)收費(fèi)過(guò)程變得“無(wú)懈可擊”，這也正是無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)應(yīng)用更加廣泛的原因之一。

以無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)由讀寫(xiě)器和標(biāo)簽兩部分構(gòu)成，前者由收發(fā)天線(xiàn)、控制電路、收發(fā)模組構(gòu)成，讀寫(xiě)器發(fā)射能量，在特定區(qū)域范圍內(nèi)形成電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)的大小和無(wú)線(xiàn)尺寸以及工作頻率有關(guān)。當(dāng)車(chē)載標(biāo)簽進(jìn)入到這個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，在讀寫(xiě)器電磁波能量的激發(fā)下標(biāo)簽獲得電能被激活，然后將卡內(nèi)所存儲(chǔ)的信息以無(wú)線(xiàn)電波的方式傳遞給讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器接收到信息后對(duì)信息進(jìn)行解碼，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性，再將其傳遞到專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分析、處理和計(jì)算。標(biāo)簽實(shí)質(zhì)是安裝在車(chē)內(nèi)的芯片，該芯片由若干模塊構(gòu)成，完成與讀寫(xiě)器通信。芯片主要分為內(nèi)存部分和外圍部分：內(nèi)存部分的主要功能是存儲(chǔ)號(hào)碼或數(shù)據(jù)，目前芯片內(nèi)存容量處于1 bit～64 kb之間;外圍部分的主要作用是連接天線(xiàn)或者電池。

根據(jù)通過(guò)頻率不同，以射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的射頻識(shí)別系統(tǒng)分為高頻系統(tǒng)、中頻系統(tǒng)及低頻系統(tǒng)三種。其中，高頻系統(tǒng)中微波頻率處于850～950 kHz之間，主要用于對(duì)讀寫(xiě)距離和讀寫(xiě)速度要求較高的場(chǎng)合，如高速公路收費(fèi)系統(tǒng)、貨車(chē)監(jiān)控等，這類(lèi)微波應(yīng)用成本較高;中頻系統(tǒng)中微波頻率處于10～15 MHz之間，主要用于大數(shù)據(jù)的傳輸，在我國(guó)，該系統(tǒng)在門(mén)禁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用頻率也較大;低頻系統(tǒng)中微波頻率處于100～500 kHz之間，主要用于短距離傳輸，如貨物跟蹤、動(dòng)物監(jiān)管等，這類(lèi)系統(tǒng)應(yīng)用成本較低。

和射頻系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的射頻卡也分為有源射頻卡和無(wú)源射頻卡兩種：前者識(shí)別距離較長(zhǎng)、使用成本較高、使用壽命較短，經(jīng)常被用作讀寫(xiě)卡;后者識(shí)別距離短、體積小、重量輕、使用成本低、使用壽命長(zhǎng)，經(jīng)常被用作只讀卡。根據(jù)不同的調(diào)制方式，射頻卡還可以為分為主動(dòng)式射頻卡和被動(dòng)式射頻卡：前者主動(dòng)向讀寫(xiě)器發(fā)送射頻能量，如果微波傳輸過(guò)程中存在障礙物，射頻卡發(fā)射的信號(hào)只需要穿越一次障礙物;后者以散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，然后利用讀寫(xiě)器載波對(duì)自己的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，如果微波傳輸?shù)倪^(guò)程存在障礙物，讀寫(xiě)器能量需要兩次穿過(guò)障礙物。對(duì)比來(lái)說(shuō)，主動(dòng)式射頻卡更適合存在障礙物的場(chǎng)景，其微波傳輸?shù)木嚯x也更遠(yuǎn)。

3.3 在ETC系統(tǒng)中的應(yīng)用

取消高速公路收費(fèi)站背景下，ETC系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，而射頻技術(shù)在ETC系統(tǒng)中充分體現(xiàn)出其長(zhǎng)距離識(shí)別、非接觸識(shí)別的優(yōu)勢(shì)，讓車(chē)輛可以在不停車(chē)的情況下完成自動(dòng)收繳費(fèi)，徹底解決了高速公路擁堵問(wèn)題。尤其是進(jìn)入到21世紀(jì)以后，我國(guó)各個(gè)地區(qū)私家車(chē)的數(shù)量驟增，人們生活水平得到改善，出行需求不斷增加，很多地區(qū)開(kāi)始應(yīng)用無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)，如北京地區(qū)高速公路已使用無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi);廣東省也開(kāi)始應(yīng)用ETC自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，旨在緩解高速公路運(yùn)營(yíng)瓶頸，提高車(chē)輛通行率。

一般來(lái)說(shuō)，車(chē)輛在高速公路上行駛，無(wú)線(xiàn)射頻系統(tǒng)讀取、識(shí)別車(chē)輛信息的時(shí)間僅需要0.5 ms，信息讀取的正確率高達(dá)99.95%。隨著高速公路的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)必將成為未來(lái)高速公路的主要收費(fèi)方式之一。在可靠、高效的服務(wù)環(huán)境中，高速公路的運(yùn)營(yíng)水平也會(huì)得到提高。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家不斷倡導(dǎo)經(jīng)本增強(qiáng)的運(yùn)輸方式，給高速公路運(yùn)營(yíng)工作提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)各個(gè)地區(qū)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式自由流收費(fèi)方式，該收費(fèi)方式的應(yīng)用極大地提高了高速公路通行效率。以射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的射頻識(shí)別系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛快速識(shí)別、收費(fèi)，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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