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RFID與ETC兩種新興技術在門禁系統中的應用介紹

發布時間:2019-05-02

2009年,溫家寶總理在《讓科技引領中國可持續發展》的講話中指出:要著力突破傳感網、物聯網的關鍵技術,及早部署后IP時代相關技術研發,使信息網絡產業成為推動產業升級、邁向信息社會的發動機。2010年的上海世博會自開幕以來,累計接待游客已突破1200萬人次,這意味著已經有1200多萬張世博門票經過驗票閘機,帶領游客們展開世界之旅。世博門票設計制造方上海華虹集團副總裁陳劍波說:“可以說,是‘世博芯’這一具有自主知識產權的核心技術,讓世博門票通過了入園大考”。“世博芯”是首次對無線射頻識別技術(RFID技術)進行大規模的綜合應用,證明了我國的RFID技術已經相當成熟。

相關技術

01 無線射頻識別

RFID(Radio Frequency Identification,無線射頻識別)是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據,可快速進行物品追蹤和數據交換,其識別工作無需人工干預。

RFID作為一種新的技術,是無線電技術與雷達技術的結合。1948年,哈里·斯托克曼發表的“利用反射功率的通信”奠定了射頻識別RFID的理論基礎。奠定RFID基礎的技術最先在第二次世界大戰中得到發展。當時為了鑒別飛機,又稱為“敵友”識別技術,該技術的后續版本至今仍在飛機識別中使用。

一個典型的RFID系統包括電子標簽、讀寫器(含天線)和應用系統三個主要組成部分。電子標簽是射頻識別系統的數據載體,它由標簽天線和標簽專用芯片組成,能接收讀寫器的電磁場調制信號并返回響應信號,實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。讀寫器用于接收主機端命令,并將存儲在感應器中的數據以有線或無線的方式傳回主機,它內含控制器和天線,如果讀取距離較長,則天線會單獨存在。應用系統是指用戶原有的MIS系統。與RFID系統交互的應用系統的終端計算機,傳遞著應用系統發出的工作指令,并通過中間件控制電子標簽和讀寫器之間的協調工作,處理RFID系統采集的所有數據,并進行運算、存儲及數據傳輸。

RFID系統工作原理為:當帶有電子標簽的物品進入讀寫器天線輻射范圍時,接收讀寫器發出的無線射頻信號。無源電子標簽憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在標簽芯片中的數據,有源電子標簽則主動發送存儲在標簽芯片中的數據,讀寫器一般配備了一定功能的中間件,可以讀取數據、解碼并直接進行簡單的數據處理,然后送至應用系統。應用系統根據邏輯運算判斷電子標簽的合法性,并針對不同的設定進行相應的處理和控制,由此實現RFID系統的基本功能。

02 射頻標簽

射頻標簽即射頻卡,又稱非接觸式IC卡。由IC芯片、感應天線組成,芯片和天線無外露,被封裝在一個標準的PVC卡片內。射頻卡的讀寫過程,通常由射頻卡與讀寫器之間通過無線電波來完成讀寫操作。它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合在一起,結束了無源和免接觸這兩大技術難題,這是電子器件領域的一大突破。

按照標簽的供電方式,射頻標簽可以分為有源和無源兩種形式。有源標簽使用標簽內電源提供的能量,識別距離較遠(可以達到幾十米甚至上百米),但壽命有限,成本較高。無源標簽內不含電源,工作時從讀寫器的電磁場中獲取能量,其重量輕、體積小,壽命很長,成本很低,但通信距離受到限制。

按照工作頻率的不同,RFID系統可分為低頻、中高頻、超高頻和微波系統。低頻系統的工作頻率一般在30KHz~300KHz,其典型工作頻率有125KHz和133KHz。其基本特點是標簽的成本較低,標簽內保存的數據量較少,讀寫距離較短(10cm左右),標簽外形多樣,閱讀天線方向性不強,主要應用于畜牧業和動物管理等。中高頻系統的工作頻率一般在3MHz~30MHz,其典型工作頻率有13.56MHz。其基本特點是標簽和讀寫器的成本較低,標簽內保存的數據量較大,讀寫距離較遠(可達到1m以上),適應性強,外形一般為卡狀,讀寫器和標簽天線均有一定的方向性,主要應用于二代身份證系統和一卡通系統等。超高頻和微波系統的工作頻率一般在300MHz~3GHz或者大于3GHz。其典型工作頻率有433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz。根據各頻段電波特點可適用于不同場合。例如,433MHz有源標簽常用于近距離通信及工業控制領域。915MHz無源標簽式物流領域的首選。2.45GHz除廣泛應用于近距離通信之外,還廣泛應用于我國的鐵路運輸識別管理。5.8GHz的RFID系統更是作為我國ETC的工作頻段,并率先制定了國家ETC標準。

03 電子不停車收費系統

ETC(Electronic Toll Collection,電子不停車收費系統)是目前世界各國均在大力推崇的先進的收費方式。車主只需在車窗上安裝電子標簽,車輛在經過收費站時,通過收費站點設置的讀寫器對經過車輛的電子標簽進行讀寫識別,并自動從預先綁定的射頻卡或銀行帳戶上扣除相應費用,無需車主停車和人工繳費即可快速通過收費站點,真正實現一路暢通。

ETC系統主要由車輛自動識別系統、中心管理系統和其他輔助設施組成。其中,車輛自動識別系統由OBU(On board unit,車載單元)、RSU(Road side unit,路邊單元)、環路感應器等組成。OBU(即電子標簽)儲存了車輛的相關信息,一般安裝在車輛的前擋風玻璃上。RSU(即讀寫器)安裝在收費站旁邊。環路感應器安裝在車道地面下。中心管理系統存儲了大量已注冊車輛和車主的信息。當車輛通過收費站口時,環路感應器感知車輛,RSU發出詢問信號,OBU做出響應,并進行雙向通信和數據交換,中心管理系統獲取車輛識別信息后進行比較判斷,根據不同情況來控制管理系統產生不同的操作,從而實現對行駛車輛的自動管理。

ETC系統以專用DSRC(專用短程通信)方式通過遠距離(10m~30m)、完善的加密通信機制(支持3DES、RSA算法)、非接觸方式(工作頻段支持915MHz、2.45GHz和5.8GHz)來交換ETC信息,實現車輛在快速移動狀態下的自動識別,從而實現對目標的自動化管理。

與以往的人工收費系統相比較,現行的ETC系統具有以下優點:第一,交通更流暢。駕駛者可以不用停車并直接通過ETC系統進行自動繳費,有效地提高了收費站的車輛通行能力,避免了收費站造成的交通堵塞,提高了公路利用率。第二,繳費方便透明。駕駛者通過ETC系統繳費意味著單位時間內通過的車輛數量會更多,從而加快了繳費速度,提高了繳費效率,也杜絕了繳費工作中貪污腐敗行為的發生。第三,節能環保。ETC系統減少了車輛在收費站人工繳費的等待時間,降低了油耗,減少了汽車怠速時的尾氣排放,從而達到了節約能源,保護環境的效果。

ETC系統的成熟應用,為今后的智能交通打下了堅實的基礎,最近這項技術也被應用于城市中心區域的高峰期擁堵收費。

04

應用案例

如今,絕大多數的門禁系統(包括車庫門禁和樓宇門禁)仍然在使用高頻射頻卡進行管理。目前車庫門禁系統和樓宇門禁系統在使用過程中存在如下一些問題。

高頻射頻卡理論識別距離范圍僅為2.5cm~10cm(射頻卡與讀卡器之間距離)。受環境影響,實際識別距離比理論識別距離還要短。

對于車庫門禁系統來講,停車道閘票箱設置的位置要求駕駛人員在駕駛車輛時,主駕駛室位置要與停車道閘票箱位置靠得相當近,以便刷卡,從而增加了駕駛人員的駕駛難度,特別是停車道閘票箱設置在一邊是平地、一邊有坡度的車庫入口處。一些駕駛人員索性先刷卡,豎起停車閘桿,然后再到車庫發動汽車,駛離車庫。此外,停車道閘票箱一般設置在車庫入口處,接近于露天環境,對雷雨天氣的防水防潮性能較差,從而增加了票箱內電氣原件的故障發生率,造成停車道閘不能正常起落。

對于樓宇門禁系統來講,射頻卡與讀卡器之間距離也要靠得相當近,才能使門禁打開,特別是人員從雷雨天氣的室外進入樓宇內部時,延長了人員等待通過樓宇門禁的時間。

針對當前門禁系統存在的一些問題,我們借鑒基于RFID技術的高速公路電子不停車收費系統的成熟應用經驗,將ETC技術應用到當前門禁系統中(利用ETC系統中不停車功能模塊,取消ETC系統中收費功能模塊),為提高門禁系統的智能化和高效化水平,提出以下解決方案。

⑴停用車庫門禁系統中目前使用的高頻射頻卡(工作頻段:13.56MHz,識別距離范圍:2.5cm~10cm),啟用微波射頻卡(工作頻段:5.8GHz,識別距離范圍:10m~30m)。微波讀寫器的三組天線成“品”字形分別安裝在車庫出入口墻頂和墻兩側,以充分采集車輛的微波射頻卡的相關信息。

⑵取消ETC系統中的收費功能模塊,增加視頻圖像識別和語音報警模塊。當車輛經過預先埋設的地感線圈時,ETC系統中的車輛自動識別(包括無線射頻識別和車牌圖像識別)系統對該車輛進行自動識別。如果該車輛被識別為本車庫已登記車輛時,停車閘桿自動豎起并放行;如果該車輛被識別為本車庫未登記車輛時,中心管理系統及時報警并記錄日志,提醒安保人員及時到場處理。

⑶停用樓宇門禁系統中使用的高頻射頻卡,啟用ETC系統中的微波射頻卡。微波讀寫器設置在樓宇門禁入口處,以采集微波射頻卡的相關信息。利用紅外感應觸發替換ETC系統中的地感線圈觸發。當有人員經過時,紅外感應觸發微波讀寫器,對攜帶微波射頻卡人員進行自動識別。如果確認是本樓宇已登記人員信息,則樓宇門禁會提前自動開啟。

⑷針對臨時車輛和臨時人員的進出,可以通過管理員發放臨時微波射頻卡的方式解決。

結束語

RFID技術作為一種新興的自動識別技術。特別是微波射頻技術,因其所具備無屏障讀取和遠距離穿透、快速掃描、高儲存量、體積小、安全保密性好等優勢而備受各界矚目,從眾多的自動識別技術中脫穎而出,在各領域應用非常廣泛,在我國擁有巨大的發展潛力。借鑒高速公路電子不停車收費系統的成熟應用經驗,用微波射頻技術替代當前門禁系統中廣泛使用的高頻射頻技術,同時將ETC技術應用到上述門禁系統中,以提高門禁系統的智能化和高效化水平。

ETC技術在門禁系統中具有廣闊的應用前景,比如在智能化停車場管理方面正逐步得到推廣應用。但是,對于樓宇內部距離非常接近的多個門禁,由于紅外感應范圍的重疊,會同時觸發多個微波讀寫器,導致對這些門禁均有權限的工作人員可以同時打開多個門禁的問題,需要進一步研究并加以解決。


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