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基于RFID的不停车车辆门禁管理系统设计
作者：李元忠，马勇，杨旭东
来源：中国一卡通网
日期：2011-05-23 11:52:19
摘要：利用具备RFID 的车卡和综合化读写控制设备，使系统的读卡距离达到7 米以上，而且成本大大低于类似的系统，车辆进出小区不须停车，就能完成对其的信息采集和管理,从而决定对它自动放行或是拦截。该系统已在多项工程中应用，证明其性能稳定可靠，适合大规模推广应用。
1 概述
发达国家人们出行，以车代步，私车为主。美国可谓“汽车轮上的国家”，家家有车，一人多车[1]。有人推测，大中城市年收入在5 万元以上的家庭，通过“按揭”，就可拥有私车私房。随着经济的发展，这种家庭（特别是年青的家庭）一定会越来越多。人们追求：“居要理想，行要轻快；驾车进出，闸门自开”。为了提升中高档住宅小区及业主的形象，促进房地产的销售；为了提高对进出住宅小区车辆管理的智能化、信息化和自动化水平，为住户及车主提供高效、安全的门禁服务，聪明的小区开发商们，在建理想的小区的同时，一定会配备不停车的门禁。不停车的门禁系统采用了世界先进的射频识别（RFID：Radio Frequency Identification）技术，利用具备RFID 的车卡和综合化读写控制设备，使系统的读卡距离达到7 米以上，而且成本大大低于类似的系统，车辆进出小区不须停车，就能完成对其的信息采集和管理,从而决定对它自动放行或是拦截。该系统已在多项工程中应用，证明其性能稳定可靠，适合大规模推广应用。
该系统具有如下功能：
a)门禁值班人员，采用口令（密码）登录本系统，建立与后台管理系统的连接；
b)自动、实时地采集进出住宅小区门禁的载有车卡的车辆信息，包括车卡的识别地址（ID）号和车牌号，车辆无须停车；
c)自动实时地向后台管理系统传送车辆的车牌号、ID 号、车辆通过的车道号和通过时间等信息；
d)自动实时地接收后台管理系统送出的车辆认证信息；
e)能对载有车卡的合法车辆自动放行，该车辆不须停车；
f)自动、实时地拦截违规、违例车辆，并通过语音提示报警；
g)自动、实时地记录、存储车辆通过信息；
h)能查询、打印通过车辆的有关信息。
目前不少住宅小区采用 IC（Integrated Circuit）卡及其读写器组成车辆门禁管理系统，它的价格低廉，但是由于IC卡的读卡距离小，不超过0.1 米，车辆必须停车，以刷卡方式完成对车辆信息的采集。此方式不适合在中高档小区应用。而RFID 门禁管理系统，采用最新RFID 芯片和RFID PC 卡，研制出的车卡和读写控制器，读卡距离大于7 米，车辆不用停车，就能完成对它的信息采集和管理，系统的性价比大大提高，小区及用户的形象明显提升，它才是中高档小区门禁的首选。
2 系统的组成和工作原理[2，3]
本系统由车卡和路边设备组成。车卡（或称车辆识别卡）安装在车辆前档风玻璃内侧或仪表盘的卡架上或嵌在车牌上；路边设备包括天线、读写控制器（含显示器、RFID PC 卡、声卡、音响、车道线圈、线圈检测器、I/O 卡和外部设备控制接线盒）电源和外部设备（如电动栏杆、音箱和通行灯），如图1 所示。车主在向车管所登记或进行年检时，车辆的相关信息（如车牌号、车型、车身颜色、车架号、发动机号、车主姓名、购置日期、年检日期、联系电话、有无违章、违法记录、是否年检等等）将存入车管中心计算机数据库，并写在车主的行驶证上。
当载有车卡的车辆通过门禁系统所在车道，并压在线圈1 时，读写控制器中的车辆检测器检测到车辆通过信息，并启动RFID PC 卡，通过微波天线向车卡发出“询问信号”；车卡收到询问信号同时从中得到能源供给，即将车卡中存储的ID 号和车牌号调制在接收到的信号上，回传给读写控制器，此信号称为“应答信号”；读写控制器通过天线收到车卡的应答信号后，解调出ID 号和车牌号，叠加上车辆通过的车道号、通过时间、序号（作为车辆记数）等，经网线传到管理计算机（或服务器）数据库，这些信息称为“动态数据信息”。系统利用采集到的ID 号和车牌号，查询后台管理计算机数据库中的静态数据信息，进行比较判断，再将查询处理结果及指令，通过网线回传给读写控制器，并在其显示器上显示。如果是载有车卡的合法车辆，系统将发出自动放行指令，开启栏杆，自动放行车辆；如为查控或无车卡车辆，系统发出自动拦截指令，栏杆闭合，语音提示报警，该车辆被拦截，待值班人员处理后，才能放行该车辆。车辆通过车道上的第2 线圈后，栏杆自动放下，同时第二线圈还起着防砸车的保护作用。
a)车卡：车卡又称电子车牌或电子识别卡或电子标签，是车辆信息的载体。它采用 NIT 公司（NEOSOURCEINTEL-TECH LTD：新源现代智能科技有限公司）的微带集成和“一车一卡”防拆专利技术，安装在车辆前挡风玻璃内侧，存储有车辆的相关信息，如车牌号、ID 号、车型等，不需电池供电(它的能量由收到的微波询问信号产生) ，所以也被称为“无源卡”，使用寿命可长达十年以上，工作频率在902~928MHz 范围内。为了提高读卡速度和保护车主的“隐私”，在车卡中只写入车辆的车牌号。
b)天线：本系统采用进口或国产定向线极化天线，其增益大于 9.5dbd，波束宽度为68°(水平面)和26°(垂直面），工作频率为902~928MHz。
c)读写控制器：读写控制器由读写器（或称收发器）和工业控制计算机组成。读写器包括发射单元、接受单元、信号处理控制单元及电源等，其工作频率为902～928MHz，具有跳频抗干扰能力，发射功率为0.7W（峰值），接收灵敏度为-98dbmw。工业控制计算机由工业级计算机和控制单元组成，它既具有计算机信号处理的功能，又具有控制外部设备的功能。
读写控制器是系统对车辆信息采集、交换、处理和控制的中心。它采用了跳频抗干扰技术，按照专用短程无线通信（DSRC：Dedicated Short Range Communication）协议，采集车卡中存储的车辆信息；通过网络，按TCP/IP（Transmission Control Protocol/Interface Protocol）协议与后台管理计算机相连，与其进行数据信息交换，接收其控制指令；通过控制单元，按指令对外部设备（如栏杆、通信灯和语音提示等）进行控制，决定对车辆的放行或拦截。
d)系统网络：系统内部网络采用客户机服务器网络结构，支持TCP/IP 协议，按以太Ethemet 方式连接；系统与外部系统通过公用网络（如Digital Data Network、Public Service Telephone Network、光纤网）或通信设备相连，同样支持TCP/IP 协议。
为了信息保密，采取以下措施：
(1)上网查询本系统的数据信息，必须输入本系统的授权密码。
(2)信息显示内容分为三级：普通级——显示车辆的车牌号；秘密级——显示车辆的代号，不显示车牌号；加密级——只显示×××符号，不显示车牌号。
e)系统软件：系统软件主要由读写模块、显示与统计模块、通信模块、控制模块和数据存储模块组成。读写模块负责系统与车卡之间的数据信息交换；显示统计模块负责车辆信息和相关外部设备的状态显示，统计通过车辆的数据（如车牌号、ID 号、通过时间、通过车道号等）；通信模块负责系统与后台管理系统的数据交换；控制模块负责对外部设备的状态检测和控制；数据存储模块负责将车辆通过信息存入本地文本文件，以备查询。软件的处理流程见图 2。
3.1 微带二次集成技术和设备综合设计技术
本系统的优势在于读卡距离较远，实现了不停车门禁管理；为了占领门禁管理的市场，必须降低系统成本，采用RFID 微带二次集成技术和设备综合设计技术。
a)RFID 微带二次集成技术：读卡距离大于 7 米的无源微波车卡，是本系统的关键部件，也是国内领先水平的部件，它采用美国Amtech公司1999 年新开发的无源微波RFID 芯片，根据不同的基片，设计微带天线，进行二次集成，研制出高性能高可靠的车卡。该RFID 芯片包括微波收发电路、调制群调电路和存储器。存储器存储容量为1024bit，其中96bit 由厂商在出厂前写入了ID 号，并被锁定，不能修改；其余928bit 为用户开发区。该芯片封装后的尺寸为3×5(mm)。该车卡不用电池供电，使用寿命超过十年。
b)设备综合设计技术：利用美国 Amtech 公司开发中心RFID PC 卡和国产计算机组件，进行综合化和优化设计，研制出新一代读写控制器。RFID PC 卡的大小与普通IC 卡尺寸差不多，它具有读写器所有功能，输出功率为0.7W，工作频率为902-928MHz，且具有跳频抗干扰能力。该设备既具有读写器采集车辆数据信息的功能，又具有智能车道控制器对数据信息处理、存储、显示、统计、通信交换以及控制外部设备的功能。
3.2 一车一卡技术
本系统采用 NIT 公司微带集成电路和防拆专利技术的车卡，车卡粘贴在车辆挡风玻璃内侧后，不可拆卸；拆动即被损坏。由此实现车卡与车辆唯一对应关系。为了加强这种特性，还利用了车卡ID 号“全世界唯一”的特性，以及对车卡的部分数据进行了加密。
3.3 跳频抗干扰技术
本系统读写器的频率综合器受伪码调制，输出信号频率在 902~928MHz 范围内随机“跳变”，利用相关解调技术，提高系统的抗干扰能力。试验表明，本系统与GSM（Global System for Mobile Communications）系统不会产生相互干扰。
3.4 网络通信技术
本系统按 TCP/IP 协议，可与多种通信网络(如Defense Data Service、PSTN、光纤）和通信系统（如微波通信系统、GSM 系统），建立通信联系，用户可按授权密码，利用PSTN 网，采用拨号上网和输入密码的方式，通过电脑查询进出小区车辆的数据信息。为了保护车主的隐私，在网上传输的车辆信息，只有车辆的车牌号或代号成×××符号；通过网上查询车辆信息必须输入授权密码。
3.5 双卡识别技术
本系统可以为车主配置 2 张识别卡，一张固定车辆挡风玻璃上不可拆卸，称为“车卡”；另一张由车主手持或放在车辆仪表盘的卡架上，可以随身携带，称为“人卡”。2 张卡的ID 号不同，但是写入车卡中的车牌号相同。
车辆通过门禁时，系统必须同时采集到车卡和人卡的车牌号，而且相同，才能对该车放行。如果无车卡和人卡，或有车卡无人卡，或有车卡和人卡但采集到的车牌号不相同，只要其中任何一种情况发生，该车均会被拦截。
利用双卡识别技术，实现车辆防盗功能。
4 结束语
不停车车辆门禁管理系统与现有车辆门禁系统相比，其优势在于不停车，就能完成对车辆信息的采集，这正是广大车主追求的物业管理服务。采用先进的RFID 技术，保证足够的读卡距离，就能实现这种功能。但是，要大规模推广应用，必须降低系统的成本。NIT 公司顺应市场的这种需求，研制了综合化读写控制器，使门禁管理系统的性价比大大提高，为在中高档住宅小区广泛应用创造了条件。本系统不仅可以用于住宅小区门禁，也可以用在重要机关或机要部门门禁，还可以推广应用到公交车站或停车场，它具有广泛的应用前景。
参考资料：
[1] 史其信.中国智能交通(ITS)发展的战略[J].ITS 通信,1999(1):2-8
[2] 李元忠.车辆自动识别管理系统的识别空域和时域范围[J]. ITS 通信,2001(3):21-29
[3] 李元忠.射频识别技术及其在交通领域中的应用[J].电讯技术,2002,42(5):5-9
发达国家人们出行，以车代步，私车为主。美国可谓“汽车轮上的国家”，家家有车，一人多车[1]。有人推测，大中城市年收入在5 万元以上的家庭，通过“按揭”，就可拥有私车私房。随着经济的发展，这种家庭（特别是年青的家庭）一定会越来越多。人们追求：“居要理想，行要轻快；驾车进出，闸门自开”。为了提升中高档住宅小区及业主的形象，促进房地产的销售；为了提高对进出住宅小区车辆管理的智能化、信息化和自动化水平，为住户及车主提供高效、安全的门禁服务，聪明的小区开发商们，在建理想的小区的同时，一定会配备不停车的门禁。不停车的门禁系统采用了世界先进的射频识别（RFID：Radio Frequency Identification）技术，利用具备RFID 的车卡和综合化读写控制设备，使系统的读卡距离达到7 米以上，而且成本大大低于类似的系统，车辆进出小区不须停车，就能完成对其的信息采集和管理,从而决定对它自动放行或是拦截。该系统已在多项工程中应用，证明其性能稳定可靠，适合大规模推广应用。
该系统具有如下功能：
a)门禁值班人员，采用口令（密码）登录本系统，建立与后台管理系统的连接；
b)自动、实时地采集进出住宅小区门禁的载有车卡的车辆信息，包括车卡的识别地址（ID）号和车牌号，车辆无须停车；
c)自动实时地向后台管理系统传送车辆的车牌号、ID 号、车辆通过的车道号和通过时间等信息；
d)自动实时地接收后台管理系统送出的车辆认证信息；
e)能对载有车卡的合法车辆自动放行，该车辆不须停车；
f)自动、实时地拦截违规、违例车辆，并通过语音提示报警；
g)自动、实时地记录、存储车辆通过信息；
h)能查询、打印通过车辆的有关信息。
目前不少住宅小区采用 IC（Integrated Circuit）卡及其读写器组成车辆门禁管理系统，它的价格低廉，但是由于IC卡的读卡距离小，不超过0.1 米，车辆必须停车，以刷卡方式完成对车辆信息的采集。此方式不适合在中高档小区应用。而RFID 门禁管理系统，采用最新RFID 芯片和RFID PC 卡，研制出的车卡和读写控制器，读卡距离大于7 米，车辆不用停车，就能完成对它的信息采集和管理，系统的性价比大大提高，小区及用户的形象明显提升，它才是中高档小区门禁的首选。
2 系统的组成和工作原理[2，3]
本系统由车卡和路边设备组成。车卡（或称车辆识别卡）安装在车辆前档风玻璃内侧或仪表盘的卡架上或嵌在车牌上；路边设备包括天线、读写控制器（含显示器、RFID PC 卡、声卡、音响、车道线圈、线圈检测器、I/O 卡和外部设备控制接线盒）电源和外部设备（如电动栏杆、音箱和通行灯），如图1 所示。车主在向车管所登记或进行年检时，车辆的相关信息（如车牌号、车型、车身颜色、车架号、发动机号、车主姓名、购置日期、年检日期、联系电话、有无违章、违法记录、是否年检等等）将存入车管中心计算机数据库，并写在车主的行驶证上。
当载有车卡的车辆通过门禁系统所在车道，并压在线圈1 时，读写控制器中的车辆检测器检测到车辆通过信息，并启动RFID PC 卡，通过微波天线向车卡发出“询问信号”；车卡收到询问信号同时从中得到能源供给，即将车卡中存储的ID 号和车牌号调制在接收到的信号上，回传给读写控制器，此信号称为“应答信号”；读写控制器通过天线收到车卡的应答信号后，解调出ID 号和车牌号，叠加上车辆通过的车道号、通过时间、序号（作为车辆记数）等，经网线传到管理计算机（或服务器）数据库，这些信息称为“动态数据信息”。系统利用采集到的ID 号和车牌号，查询后台管理计算机数据库中的静态数据信息，进行比较判断，再将查询处理结果及指令，通过网线回传给读写控制器，并在其显示器上显示。如果是载有车卡的合法车辆，系统将发出自动放行指令，开启栏杆，自动放行车辆；如为查控或无车卡车辆，系统发出自动拦截指令，栏杆闭合，语音提示报警，该车辆被拦截，待值班人员处理后，才能放行该车辆。车辆通过车道上的第2 线圈后，栏杆自动放下，同时第二线圈还起着防砸车的保护作用。
a)车卡：车卡又称电子车牌或电子识别卡或电子标签，是车辆信息的载体。它采用 NIT 公司（NEOSOURCEINTEL-TECH LTD：新源现代智能科技有限公司）的微带集成和“一车一卡”防拆专利技术，安装在车辆前挡风玻璃内侧，存储有车辆的相关信息，如车牌号、ID 号、车型等，不需电池供电(它的能量由收到的微波询问信号产生) ，所以也被称为“无源卡”，使用寿命可长达十年以上，工作频率在902~928MHz 范围内。为了提高读卡速度和保护车主的“隐私”，在车卡中只写入车辆的车牌号。
b)天线：本系统采用进口或国产定向线极化天线，其增益大于 9.5dbd，波束宽度为68°(水平面)和26°(垂直面），工作频率为902~928MHz。
c)读写控制器：读写控制器由读写器（或称收发器）和工业控制计算机组成。读写器包括发射单元、接受单元、信号处理控制单元及电源等，其工作频率为902～928MHz，具有跳频抗干扰能力，发射功率为0.7W（峰值），接收灵敏度为-98dbmw。工业控制计算机由工业级计算机和控制单元组成，它既具有计算机信号处理的功能，又具有控制外部设备的功能。
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读写控制器是系统对车辆信息采集、交换、处理和控制的中心。它采用了跳频抗干扰技术，按照专用短程无线通信（DSRC：Dedicated Short Range Communication）协议，采集车卡中存储的车辆信息；通过网络，按TCP/IP（Transmission Control Protocol/Interface Protocol）协议与后台管理计算机相连，与其进行数据信息交换，接收其控制指令；通过控制单元，按指令对外部设备（如栏杆、通信灯和语音提示等）进行控制，决定对车辆的放行或拦截。
d)系统网络：系统内部网络采用客户机服务器网络结构，支持TCP/IP 协议，按以太Ethemet 方式连接；系统与外部系统通过公用网络（如Digital Data Network、Public Service Telephone Network、光纤网）或通信设备相连，同样支持TCP/IP 协议。
为了信息保密，采取以下措施：
(1)上网查询本系统的数据信息，必须输入本系统的授权密码。
(2)信息显示内容分为三级：普通级——显示车辆的车牌号；秘密级——显示车辆的代号，不显示车牌号；加密级——只显示×××符号，不显示车牌号。
e)系统软件：系统软件主要由读写模块、显示与统计模块、通信模块、控制模块和数据存储模块组成。读写模块负责系统与车卡之间的数据信息交换；显示统计模块负责车辆信息和相关外部设备的状态显示，统计通过车辆的数据（如车牌号、ID 号、通过时间、通过车道号等）；通信模块负责系统与后台管理系统的数据交换；控制模块负责对外部设备的状态检测和控制；数据存储模块负责将车辆通过信息存入本地文本文件，以备查询。软件的处理流程见图 2。
3.1 微带二次集成技术和设备综合设计技术
本系统的优势在于读卡距离较远，实现了不停车门禁管理；为了占领门禁管理的市场，必须降低系统成本，采用RFID 微带二次集成技术和设备综合设计技术。
a)RFID 微带二次集成技术：读卡距离大于 7 米的无源微波车卡，是本系统的关键部件，也是国内领先水平的部件，它采用美国Amtech公司1999 年新开发的无源微波RFID 芯片，根据不同的基片，设计微带天线，进行二次集成，研制出高性能高可靠的车卡。该RFID 芯片包括微波收发电路、调制群调电路和存储器。存储器存储容量为1024bit，其中96bit 由厂商在出厂前写入了ID 号，并被锁定，不能修改；其余928bit 为用户开发区。该芯片封装后的尺寸为3×5(mm)。该车卡不用电池供电，使用寿命超过十年。
b)设备综合设计技术：利用美国 Amtech 公司开发中心RFID PC 卡和国产计算机组件，进行综合化和优化设计，研制出新一代读写控制器。RFID PC 卡的大小与普通IC 卡尺寸差不多，它具有读写器所有功能，输出功率为0.7W，工作频率为902-928MHz，且具有跳频抗干扰能力。该设备既具有读写器采集车辆数据信息的功能，又具有智能车道控制器对数据信息处理、存储、显示、统计、通信交换以及控制外部设备的功能。
3.2 一车一卡技术
本系统采用 NIT 公司微带集成电路和防拆专利技术的车卡，车卡粘贴在车辆挡风玻璃内侧后，不可拆卸；拆动即被损坏。由此实现车卡与车辆唯一对应关系。为了加强这种特性，还利用了车卡ID 号“全世界唯一”的特性，以及对车卡的部分数据进行了加密。
3.3 跳频抗干扰技术
本系统读写器的频率综合器受伪码调制，输出信号频率在 902~928MHz 范围内随机“跳变”，利用相关解调技术，提高系统的抗干扰能力。试验表明，本系统与GSM（Global System for Mobile Communications）系统不会产生相互干扰。
3.4 网络通信技术
本系统按 TCP/IP 协议，可与多种通信网络(如Defense Data Service、PSTN、光纤）和通信系统（如微波通信系统、GSM 系统），建立通信联系，用户可按授权密码，利用PSTN 网，采用拨号上网和输入密码的方式，通过电脑查询进出小区车辆的数据信息。为了保护车主的隐私，在网上传输的车辆信息，只有车辆的车牌号或代号成×××符号；通过网上查询车辆信息必须输入授权密码。
3.5 双卡识别技术
本系统可以为车主配置 2 张识别卡，一张固定车辆挡风玻璃上不可拆卸，称为“车卡”；另一张由车主手持或放在车辆仪表盘的卡架上，可以随身携带，称为“人卡”。2 张卡的ID 号不同，但是写入车卡中的车牌号相同。
车辆通过门禁时，系统必须同时采集到车卡和人卡的车牌号，而且相同，才能对该车放行。如果无车卡和人卡，或有车卡无人卡，或有车卡和人卡但采集到的车牌号不相同，只要其中任何一种情况发生，该车均会被拦截。
利用双卡识别技术，实现车辆防盗功能。
4 结束语
不停车车辆门禁管理系统与现有车辆门禁系统相比，其优势在于不停车，就能完成对车辆信息的采集，这正是广大车主追求的物业管理服务。采用先进的RFID 技术，保证足够的读卡距离，就能实现这种功能。但是，要大规模推广应用，必须降低系统的成本。NIT 公司顺应市场的这种需求，研制了综合化读写控制器，使门禁管理系统的性价比大大提高，为在中高档住宅小区广泛应用创造了条件。本系统不仅可以用于住宅小区门禁，也可以用在重要机关或机要部门门禁，还可以推广应用到公交车站或停车场，它具有广泛的应用前景。
参考资料：
[1] 史其信.中国智能交通(ITS)发展的战略[J].ITS 通信,1999(1):2-8
[2] 李元忠.车辆自动识别管理系统的识别空域和时域范围[J]. ITS 通信,2001(3):21-29
[3] 李元忠.射频识别技术及其在交通领域中的应用[J].电讯技术,2002,42(5):5-9
