【正文】 統(tǒng)是在交叉路口交通信號燈上游安裝閱讀器，閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，射頻閱讀器全天候運(yùn)行，裝有 RFID標(biāo)簽的車輛進(jìn)入天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，送 出自身信息。讀取的電子車牌內(nèi)的相關(guān)信息，并實(shí)時發(fā)送至控制中心，控制中心服務(wù)器經(jīng)過存儲、查詢、對比等信息處理，配合視頻監(jiān)控，通過對信號燈的控制，實(shí)現(xiàn)對交通流進(jìn)行調(diào)控，減少交通擁塞。同時可完成對超速、套牌、黑名單及 非法營運(yùn) 等車輛的識別。 文中首先對 RFID 電子車牌系統(tǒng)進(jìn)行了一個整體的設(shè)計，初步完成了系統(tǒng)設(shè) 4 計的總體方案，接著以 nRF24L01 和 MSP430 為核心，從硬件方面進(jìn)行了主動式電子標(biāo)簽和閱讀器的設(shè)計，最終應(yīng)用 C 語言編程完善了電子車牌系統(tǒng)的軟件設(shè)計。 5 第二章 RFID 電子車牌系統(tǒng)總體方案 需求分析 電子車牌通過發(fā)卡管理系統(tǒng)事先寫入該車輛的基本信息，如車輛的 ID 號、車牌號、駕駛員信息、車型、車重等信息。并將 RFID 電子車牌安裝在車輛上，此時車輛擁有了獨(dú)一無二的身份證。應(yīng)用 RFID 技術(shù)的車流量檢測系統(tǒng)是在交叉路口交通信號燈上游安裝閱讀器，閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，射頻閱讀器全天候運(yùn)行，裝有 RFID 標(biāo)簽的車輛進(jìn)入天線工作區(qū)域時產(chǎn)生 感應(yīng)電流，送出自身信息。讀取的電子車牌內(nèi)的相關(guān)信息，并實(shí)時發(fā)送至控制中心，控制中心服務(wù)器經(jīng)過存儲、查詢、對比等信息處理，配合視頻監(jiān)控，通過對信號燈的控制，實(shí)現(xiàn)對交通流進(jìn)行調(diào)控，減少交通擁塞。同時可完成對超速、套牌、黑名單及 非法營運(yùn) 等車輛的識別 [1]。 近年來，在車輛識別技術(shù)中，電子車牌受到了人們的廣泛關(guān)注。然而，在大多數(shù)所謂的電子車牌識別系統(tǒng)中， 標(biāo)簽被安裝在汽車擋風(fēng)玻璃上，或者汽車內(nèi)任何可以看得到的地方，甚至被駕駛員隨身攜帶。這些應(yīng)用方式存在著性能和安全上的弊端，例如，很多車輛的擋風(fēng)玻璃上裝有含金屬成分的防爆膜，它會影響標(biāo)簽的性能，可能會導(dǎo)致標(biāo)簽無法正常工作 。駕駛員有可能會忘記攜帶標(biāo)簽，甚至丟失標(biāo)簽，難免會造成不必要的麻煩。但如果可以將 RFID 標(biāo)簽與車號牌集為一體，不僅可以解決上述問題，還可以有效抑制盜牌、套牌等違法行為，例如，在犯罪分子盜取電子車牌時，電子車牌在損毀的同時，其防拆卸裝置還可以發(fā)出電子警報，損壞的車牌對于犯罪分子來說也就毫無用處；又 假設(shè) RFID 標(biāo)簽與車牌是分離式的，那么當(dāng)司機(jī)丟失的標(biāo)簽被不法分子獲取后，還可以配合制造的假牌繼續(xù)使用，但如果將 RFID 標(biāo)簽與車號牌集為一體，就會避免這一違法行為的發(fā)生。因此，為了更好地管理交通、維護(hù)公共安全，要求將 RFID 標(biāo)簽與車號牌集成在一起，從而形成真正的電子車牌。 典型的電子車牌是嵌入了主動式有源電子標(biāo)簽的車號牌，它由英國伯明翰的Hills Numberplates Ltd 公司研發(fā)并申請了專利。所有安裝了電子車牌的車輛，無論是在靜止還是在移動的狀態(tài)下，都能夠被安全地識別。從表面上看，嵌入了 6 RFID 標(biāo)簽的電子車牌與傳統(tǒng)的車號牌基本沒有什么區(qū)別，但它不僅能夠提供與傳統(tǒng)車號牌相同的視覺信息，還能夠提供相關(guān)的電子信息。之所以采用主動式的電子標(biāo)簽，是由于主動式的電子標(biāo)簽自身帶有電池，與被動式無源電子標(biāo)簽相比，它擁有更遠(yuǎn)的閱讀距離和較大的信息存儲量，此外，如果該電子標(biāo)簽為讀寫型標(biāo)簽，它還可以存儲閱讀器發(fā)送的額外信息。 電子車牌內(nèi)的主動式 RFID 標(biāo)簽由天線、標(biāo)簽電路和電池組成，天線是電子車牌中的關(guān)鍵部分，它在電子車牌和閱讀器之間傳遞射頻信號，它的選擇和設(shè)計是否合理，對整個識別系統(tǒng)的性能有很大的影響，尤 其是當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率上升到微波頻段 [2]。若天線設(shè)計不當(dāng)，就可能導(dǎo)致整個識別系統(tǒng)不能正常工作，因此對其詳細(xì)地研究具有重要意義。 RFID 電子車牌系統(tǒng)構(gòu)成 圖 電子車牌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 如圖 所示， 工作時，低頻激勵器將跳頻表、激勵器 ID 等信息以調(diào)制方式調(diào)制在 125KHz 載波上形成激勵信號，并不間斷的向外發(fā)送，當(dāng)載有電子車牌的車輛進(jìn)入激發(fā)區(qū)時，被成功喚醒后，電子標(biāo)簽接收激勵信號（激勵器的跳頻表和 ID）等信息，此時，電子車牌的標(biāo)簽由被動態(tài)轉(zhuǎn)為主動態(tài)，將激勵信號和電子車牌信息通過 頻道 發(fā)送給閱讀器，閱讀器將接收的信息重新打包，經(jīng)過基站發(fā)送給控制中心的上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)激勵器 ID 和電子標(biāo)簽 ID，就能判斷車輛在某時刻經(jīng)過車道，實(shí)現(xiàn)車道上對經(jīng)過車輛數(shù)的統(tǒng)計 [3]。控制中心依據(jù) 7 統(tǒng)計的車輛數(shù)對交通信號燈進(jìn)行動態(tài)調(diào)度。 RFID 電子車牌系統(tǒng)硬件組成 典型的 RFID 系統(tǒng)主要包括三個部分 :電子標(biāo)簽 (Tag)、閱讀器 (Reader)和天線 (Antenna)，如圖 所示。 圖 RFID 系統(tǒng)組成 1)電子標(biāo)簽 (Tag) 電子標(biāo)簽又稱為射頻卡，射頻標(biāo)簽，應(yīng)答器等。它由芯片和內(nèi)置天線組 成，通過標(biāo)簽天線和讀寫器進(jìn)行通信。標(biāo)簽相當(dāng)于條碼技術(shù)中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔ⅰ? RFID 系統(tǒng)從電子標(biāo)簽中獲取目標(biāo)對象的相關(guān)信息，并且電子標(biāo)簽可以從閱讀器的射頻場中獲得能量，可為其它部分或全部電路提供電源。因此，基于電子標(biāo)簽在 RFID 系統(tǒng)中的功能，電子標(biāo)簽電路必須含有天線用于接收和發(fā)射電磁波能量 。必須含有檢波電路用于將高頻電磁能量轉(zhuǎn)換成為直流電源 。并且可以存貯或管理能量 。必須要有一定的數(shù)字電路部分用于存貯被識別對象的信息內(nèi)容，并可在外部供電的情況下，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理及輸出相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。另外 ，電子標(biāo)簽必須含有調(diào)制電路，可以把存儲在電子標(biāo)簽內(nèi)部的被識別對象的相關(guān)數(shù)字信息調(diào)制到反射的電磁波上。所以，電子標(biāo)簽可由以下幾部分組成 :天線、模擬電路、數(shù)子電路以及存貯器等組成。天線用于發(fā)射和接收電磁波 :模擬電路主要是由檢波電路和調(diào)制電路組成，用于獲取直流能量并將相關(guān)信息通過調(diào)制發(fā)送出去 。數(shù)字電路是電子標(biāo)簽的大腦用于控制相關(guān)協(xié)議、指令及相關(guān)處理功能、管理內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)以及執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能 [4]。 電子標(biāo)簽一般分為有源電子標(biāo)簽和無源電子標(biāo)簽，無源電子標(biāo)簽在閱讀器的響應(yīng)范圍之外是處于無源狀態(tài)，沒有自己 的供電電源 (電池 )。只是在閱讀器的響 8 應(yīng)范圍之內(nèi)，這類電子標(biāo)簽才會從閱讀器的射頻場中獲取能量供數(shù)字電路部分使用。電子標(biāo)簽工作所需要的能量是通過電磁耦合單元或天線，通過非接觸的方式傳送給電子標(biāo)簽的。有源電子標(biāo)簽具有自己的供電電源，其它電路與無源電子標(biāo)簽相同。有源電子標(biāo)簽通常有部分電路處于工作狀態(tài)，有時被稱為處于“睡眠”狀態(tài)。當(dāng)耦合的能量超過某一值時，有源電子標(biāo)簽才真正開始工作，這一過程又被稱為“喚醒”。在睡眠狀態(tài)有源電子標(biāo)簽的功耗一般很小。因此一個姆指大小的鈕扣電池可以保持很長的工作時間 [5]。然而，與有源電子 標(biāo)簽相比，無源電子標(biāo)簽的壽命一般可長達(dá)幾十年，而有源電子標(biāo)簽的壽命則通常要受電池壽命的限制而成為一大缺陷。 一般，電子標(biāo)簽應(yīng)具有如下特點(diǎn) : (1)體積小，結(jié)構(gòu)牢固，耐腐蝕 。 (2)工作壽命長 (可讀寫次數(shù)超過 10 萬次 )。 (3)防水，耐高溫 。 (4)靈敏度高，抗干擾性強(qiáng) 。 (5)含有唯一性 ID 號 。 2)閱讀器 (Reader) 讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備。閱讀器又稱為讀出裝置，掃描器，讀頭，讀寫器 (取決于電子標(biāo)簽是否支持無線修改數(shù)據(jù) )等 [19]。其基本功能就是提供與標(biāo)簽進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩健? 根據(jù)支持的電子標(biāo)簽類型不同以及所完成功能的不同，閱讀器的復(fù)雜程度是顯著不同的。閱讀器的基本功能就是提供與電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。另外閱讀器還提供相當(dāng)復(fù)雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。電子標(biāo)簽中除了存儲需要傳輸?shù)男畔⑼?，還包含有一定的附加信息，如錯誤校驗信息等。通常， RFID 系統(tǒng)的閱讀器由六部分組成 :電源部分、射頻信號收發(fā)部分、天線、CPU 控制部分、存儲器、接口部分組成 ,如圖 所示。 9 圖 閱讀器內(nèi)部結(jié)構(gòu) （ 1)標(biāo)準(zhǔn)接口 閱讀器的高標(biāo)準(zhǔn)接口擔(dān)負(fù)以下任務(wù) :產(chǎn)生高效 的發(fā)射信號，以啟動電子標(biāo)簽或為它提供能量 。對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)安全地傳送給電子標(biāo)簽 。接受并解調(diào)來自應(yīng)答器的高頻信號。 在高頻接口中有兩個分割開來的信號通道，分別用于上下行兩個方向的數(shù)據(jù)流傳輸 [6]。發(fā)送給應(yīng)答器的數(shù)據(jù)通過發(fā)送分支，而接受到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通過接受分支傳過來。 （ 2) CPU 控制單元 閱讀器的控制單元擔(dān)負(fù)下列任務(wù) :與應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)來的各種命令 ?？刂婆c電子標(biāo)簽的通信過程 。對發(fā)送信號進(jìn)行編碼和對接收信號進(jìn)行解碼。 對于復(fù)雜的系統(tǒng)還要有如下附加的功能 :對閱 讀器與電子標(biāo)簽間傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密 。執(zhí)行反碰撞算法 。進(jìn)行閱讀器與電子標(biāo)簽間的身份驗證。 當(dāng)然，為了完成這些復(fù)雜的任務(wù)，在絕大多數(shù)情況下控制單元都擁有微處理器作為核心部件。而且如加密過程及信號編碼常常由附加的 ASIC(專用集成電路 )組件來完成，以減輕微處理器計算密集型過程的負(fù)擔(dān)。出于性能上的考慮，對ASIC 的訪問是通過處理器總線實(shí)現(xiàn)的。 3）天線 (Antenna) 為標(biāo)簽和讀寫器提供射頻信號空間傳遞的設(shè)備。 RFID 讀寫器可以采用同一天線完成發(fā)射和接收，或者由采用發(fā)射天線和接收天線分離的形式，所采用天線的 結(jié)構(gòu)及數(shù)量應(yīng)視具體應(yīng)用而定。 10 RFID 電子車牌系統(tǒng)軟件組成 RFID 電子車牌系統(tǒng)軟件主要由閱讀器模塊，標(biāo)簽?zāi)K，應(yīng)用系統(tǒng)模塊組成 {7]。從 RFID 系統(tǒng)的組成和工作原理可以看出 :應(yīng)用系統(tǒng)要從一個非接觸的數(shù)據(jù)載體(電子標(biāo)簽 )中讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)到一個非接觸的數(shù)據(jù)載體中，則它需要一個非接觸的閱讀器作為接口。閱讀器、標(biāo)簽、應(yīng)用系統(tǒng)三者之間的關(guān)系如圖 所示。 圖 閱讀器、標(biāo)簽及應(yīng)用系統(tǒng)三者關(guān)系 11 第三章 RFID 電子車牌系統(tǒng)硬件設(shè)計 RFID 電子車牌硬件結(jié)構(gòu) RFID 系統(tǒng)的目的就是 從電子標(biāo)簽中獲取被識別對象的相關(guān)信息，并且，電子標(biāo)簽可以從閱讀器的射頻場中獲得能量，可為其它部分或全部電路提供電源[8]。因此，基于電子標(biāo)簽在 RFID 系統(tǒng)中的功能，電子標(biāo)簽電路必須含有天線用于接收和發(fā)射電磁波能量；必須含有檢波電路用于將高頻電磁能量轉(zhuǎn)換成為直流電源 。并且可以存貯或管理能量；必須要有一定的數(shù)字電路部分用于存貯被識別對象的信息內(nèi)容，并可在外部供電的情況下，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理及輸出相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。另外，電子標(biāo)簽必須含有調(diào)制電路，可以把存儲在電子標(biāo)簽內(nèi)部的被識別對象的相關(guān)數(shù)字信息調(diào)制到發(fā)射的電磁波上 。 RFID